新闻资讯

了解最新的高速3D成像:第一部分


如今,许多开发3D视觉智能相机产品的公司都将其称为快速或高速产品。尽管在许多情况下是正确的,但并不总是总是很清楚高速到底意味着什么,或者在给定产品下您在现实世界中实际可以做什么。下面的文章有助于阐明一些最新的高速 3D视觉技术以及这些速度的真正含义。

飞行时间(TOF)
 

飞行时间(ToF)是一项最新的流行技术,其工作原理是使用调制光源照射场景并观察反射光。可以测量照明和反射之间的相移并将其转换为距离。在某些设备中,实现了基于脉冲的测量技术。
 

几年前,Odos Imaging(罗克韦尔自动化公司;英国爱丁堡;首次推出了基于ToF的产品,它提供了Swift-G相机。专为包括物流(货盘管理,货盘装卸),尺寸标注和配置文件以及工厂自动化的应用而设计;这款ToF相机的分辨率为640 x 480,据报道可以以44 fps的速度捕获动态场景而没有伪影。此外,该摄像机还具有集成的镜头和照明(七个850 nm LED),工作距离长达6 m,并达到44个配置文件/秒的速度。
 

LUCID Vision Labs最近推出了Helios Time of Flight摄像机,该摄像机配备了SonyDepthSense IMX556PLR背照式图像传感器使用四个850 nm VCSEL激光二极管在6 m的工作距离上提供640 x 480分辨率。该相机可提供30 fps的帧频,并针对机器人导航,3D检查和物流自动化(例如装箱和包装尺寸确定)。
 

此外,LUCID最近还推出了用于嵌入式视觉系统的Helios Flex 3D摄像头模块(图1),该模块旨在连接到NVIDIA Jetson TX2。3D摄像机模块通过MIPI连接以60 fps的速度传输原始数据,并使用LUCID的Arena软件开发套件在TX2模块上处理深度信息。
 

Basler还围绕着与索尼相同的传感器设计了出色的 ToF相机。这款相机计划于2019年12月投入量产,使用VCSEL激光二极管(NIR范围,940 nm),工作距离长达10 m,帧速率高达30 fps。据该公司称,在装配线上,该摄像机可以在一秒钟内连续测量30个物体。
 

该公司提供了另一款基于645 x 480 Panasonic传感器的ToF相机。ToF摄像机使用来自红外LED的脉冲光,并提供20 fps的帧频和高达13 m的工作范围。这两款摄像机都针对诸如货运尺寸,码垛,物品计数,码盘定位和自动驾驶汽车等应用。

 

图2:使用ifm efector,inc。的3D ToF摄像机,可以每分钟测量120箱或检查箱子的完整性,每分钟可以超过240个。


ifm efector提供各种不同的型号。(该公司设计了其3D ToF相机(图2),其应用包括包装,存储和物料搬运,机场物流,机器人技术和避免碰撞。这些摄像机具有用于照明场景的有源红外光源,并且最大读取速率为50 Hz。相机型号设计用于室内(352 x 288像素分辨率,8 m范围)和室外(64 x 16像素分辨率,30 m范围),并且具有各种打开角度。
 

“使用我们的飞行时间摄像头,每分钟测量120盒是可行的,而可以每秒超过240的速度检查箱子的完整性,” ifm efector,inc。机器人技术业务发展部Garrett Place说。拥有的PMD Technologies(与英飞凌技术公司合作开发了基于CMOS 3D ToF传感器(图3)由英飞凌出售的REAL3 ToF传感器的分辨率为224 x 172、352 x 288和448 x 336,更高的分辨率将于2020年问世。

 

图3:PMD Technologies的CMOS 3D ToF传感器基于专有像素矩阵,分辨率为224 x 172、352 x 288和448 x 336,更高的分辨率将于2020年问世。
 


基于PC的开发套件可直接从PMD Technologies获得。picoFlexx模块具有224 x 172传感器,帧速率高达45 fps,测量范围为0.1到4 m,而Monstar模块具有352 x 288传感器,帧速率高达60 fps,测量范围为0.5至6 m 嵌入式系统开发套件将于2020年初提供。
 

对于消费类电子产品和移动设计,许多公司都可以使用基于pmd / Infineon的深度模块,包括LG Innotek,该公司提供了用于3D人脸识别的ToF模块。LG G8手机于2019年初推出。预计到2020年,更多具有pmd / Infineon深度模块的手机设计将问世。PMD Technologies业务开发和销售副总裁Mitchell Reifel说:“ PMD和Infineon的重点是将3D图像带入大众市场的设备,例如手机,IoT设备和消费机器人。” “仅仅几年前3D成像设备还只有砖头大小,但是今天我们提供的3D模块只有缩略图大小,可以提供高集成度,低功耗和小尺寸。”
 

凭借其Visionary-T和Visionary-T AP(可编程)系列,SICK还提供了一系列飞行时间3D快照相机。这些千兆位以太网摄像机使用红外光(LED,850 nm),并且可以144 x 177像素的速度每秒提供多达50张3D图像。这些摄像机适用于碰撞警告,物体检测和卸垛等应用。
 

在讨论飞行时间时,微软的第二代和第三代Kinect相机可能是该技术最知名的例子。第三个最新版本,Azure Kinect DK,具有一个1 MPixel ToF深度传感器,在30 fps时提供640 x 576或512 x 512,在15 fps时提供1024 x 1024。它还具有一个基于OmniVision Technologies公司(的OV12A10 12 MPixel CMOS滚动快门传感器的RGB相机,该相机在全分辨率下的帧速率为30 fps。
 

根据Microsoft的说法,Azure Kinect设备旨在轻松地同时与多个Kinect相机同步,并与Microsoft的Azure云服务集成在一起,其中包括可以启用Azure机器学习功能的Azure认知服务。据微软称,该相机的目标应用包括物理治疗和专利修复,库存管理,智能码垛和卸垛,零件识别,异常检测以及并入机器人平台。
 

如何解释3D ToF速度
 

在所有情况下,“飞行时间”摄像机基本上都可以提供公司所列出的3D数据的单帧格式。由于采用了这种技术,每个帧都会生成即时3D图像。但是,对于每分钟或每秒相机可以检查的零件或对象的数量,或者每分钟或每秒相机交付的3D结果的数量,必须考虑处理时间。Principal Vision Systems的David Dechow认为,仅是因为摄像机的帧速率为50 fps,并不意味着摄像机每秒可以检查50个盒子或零件,例如在指导或避免自动机器人/车辆受到干扰的情况下。Integro Technologies架构师。
 

他说:“ 3D飞行时间图像的处理是通过机载相机固件或外部处理器(例如PC)完成的。” “根据所需的处理量,相机在工业应用中的实际能力(如能以多快的速度产生结果)将因应用而异。”
 

该软件中的3D图像分析功能需要时间,因此在大多数工业应用中,该软件很难跟上相机的帧速率。Dechow解释说,尽管帧速率仍然很重要,但在大多数应用中,跟上给定ToF相机的图像采集速率并不现实。

 

图4:微链道爱科技有限公司和LMI Technologies 共同创建的WeRobotics 2300系列3D激光轮廓仪。
 

激光技术
 

另一种主动式3D成像技术(三角测量)涉及激光的使用,其中3D激光扫描仪将激光投射到对象的表面上,而摄像机则捕获该线在对象表面上的反射。通过三角剖分,可以计算每个表面点的距离,以获得对象形状的3D轮廓或轮廓。基于激光的3D技术需要许多单独的图像,每个图像仅包含要检查的对象的一行,才能创建需要检查的对象或特征的完整3D图像。结果,基于激光的技术总体上将比“飞行时间”慢,但比某些结构光技术快。显而易见的好处是,激光技术精度更高,更适合工控环境。
 


北京微链道爱科技有限公司和LMI Technologies 共同创建的WeRobotics 2300系列3D激光轮廓仪中使用了该技术。2300系列三维智能传感器专门为满足工厂车间恶劣运行环境而设计。其使用的便利性和设计的多样性为用户节约成本的同时并极大的提高了生产效率。预先校准过可扫描微米级的细节,高速低延迟,百万像素分辨率。2300系列智能传感器在实现大视野的情况下依然可实现微米级特征的测量,目前可以检测及微小的缺陷特征,大大提升了质量检测的水准。单个传感器不要求额外的控制器、放大器或者计算机即可方便使用,可以非常轻易地组成测量网格,提供电压分配、激光安全连锁、编码器和数字信号输入以及微秒级同步控制。小尺寸和小于1.5公斤的重量让它很容易安装在狭小空间或机器人手臂上。该相机需要搭配微链WeRobotics认知系统使用。
 

微链道爱公司是一家新兴的3D机器人视觉系统解决方案公司,2019年被中国机器人产业联盟评选为3D机器人视觉领军企业,其加拿大研发机构还被邀请成为加拿大AI和德国工业4.0研发合作团核心成员。该公司的3D机器人视觉系统被很多国际制造企业所采用。
 

Keyence提供了几种面向2D和3D在线测量和检查的3D激光轮廓仪。据该公司称,该产品系列使用户能够选择最适合应用程序的技术规格和预算要求的传感器和控制器。高分辨率LJ-X系列和高速LJ-V系列都可以与三个控制器(2D / 3D,2D和原始数据输出)中的任何一个配对。这种配置在焊接/焊道检查,冲洗和间隙测量或360°缺陷检测等应用中支持质量控制和过程改进。
 

LJ-X和LJ-V系列都结合了2M级蓝色激光(405 nm)和控制器单元,该控制器单元设计用于高速处理数据和输出判断值。该系统能够分别采样高达4 kHz和64 kHz的速度。
 

Micro-Epsilon在其ScanCONTROL系列3D激光扫描仪中提供的模型可以达到10 kHz的速度。这些扫描仪提供紧凑,高速和智能版本,可提供红色(658 nm)激光或蓝紫色(405 nm)激光,并提供高达550万点/秒的测量速率和x轴分辨率,最高2,048点。该公司提供的示例应用程序包括工作台上的缺陷识别,车身上的间隙测量,制动盘上的轮廓测量,焊缝轮廓测量以及胶粒检查。
 

康耐视公司在其DS1000 3D位移传感器系列中提供了三种型号:DS1050,DS1101和DS1300,它们基于相同的设计,但提供不同的视野(近距离和近距离)。距离,距离,测量范围以及X和Z分辨率。DS1000激光扫描仪可提供高达10 kHz的扫描速率,其目标应用包括汽车,电子产品和消费品以及食品和药品检查。康耐视还提供DSMax 3D激光位移传感器,该传感器可达到18 kHz的扫描速率,并在31毫米的视场内采集2,000个轮廓点图像。DSMax传感器的目标是检查非常小的零件,例如具有高反射或深色特征的电子零件。
 

在其TriSpector1000和TriSpectorP1000(可编程)3D线扫描传感器中,SICK提供了几种型号,这些型号在最大工作距离下具有不同的最大高度范围,窗户材料类型和宽度。TriSpectorP1000传感器的目标应用包括3D机器人导航,轮廓验证,边缘和表面缺陷检测以及磁珠检查,而TriSpector1000传感器则适合于消费品的质量控制,盒子的完整性以及食品加工应用中的产品尺寸。两个系列均使用可见光红光激光器(660 nm),并实现2,000个3D配置文件/秒的扫描/帧速率。
 

SICK的Ranger系列3D摄像机专为与单独的激光激光器一起使用而设计,具有MultiScan工具,可同时测量3D形状,对比度,颜色和散射。Ranger 3D摄像机的目标应用包括高速3D检查,轮胎几何形状检查,太阳能电池检查中的颜色和3D托盘检查以及木材测量。
 

最新的Ranger相机Ranger3系列以其V3DR3-60NE31111型号提供了该技术的紧凑版本。这款77 x 55 x 55 mm相机基于SICK的CMOS图像传感器,可以处理其全帧成像器(560 x 832)像素,以创建一个7D分辨率为2560的3D轮廓。兼容GenICam的GigE Vision相机还可以每秒处理15.4 Gpixels。据该公司称,Ranger3摄像机适用于电子和PCB检查,轮胎质量控制以及包装和在线食品质量控制等应用。
 

SICK提供的其他基于激光的3D传感器包括Ruler E线扫描传感器,该传感器使用可见的红光激光(660 nm±15 nm),并具有10,000 3D轮廓/秒的扫描/帧速率。
 

AT – Automation Technology的C5系列3D传感器专为单独的激光器而设计,可提供4K UHD分辨率并以高达200,000个配置文件/秒的速度收集3D数据。它们具有用于外部照明的集成控制,集成的Scheimpflug适配器和GigE Vision界面以及3D扫描功能,例如自动启动,自动关注区域(AOI)跟踪和多个AOI。
 

C5-CS系列的3D传感器在紧凑的IP67外壳中结合了3D技术和激光电子设备。他们使用CMOS图像传感器,FPGA和集成的3D评估算法。C5-CS传感器的轮廓速度也高达200 kHz,轮廓分辨率高达4096点/轮廓,并且提供与C5传感器相同的3D扫描功能。探测器和光学器件是根据Scheimpflug原理布置的。此外,经过工厂校准的C5-CS传感器还提供GigE Vision接口,并提供一系列型号,这些型号可用于蓝色激光(405 nm,2M,3R,3B类)或红色激光(660 nm,2M,3B类)。
 

最近推出的MCS系列3D传感器提供与C5-CS传感器相同的设备和性能,但是具有模块化概念,使用户可以配置设备以适合各个应用。据该公司称,所有3D传感器模型均适用于印刷电路板检查,焊缝检查,轮胎检查,胶条检查,球栅阵列检查和木材表面检查等应用。
 

如何解释基于激光的3D速度
 

基于激光的3D速度比“飞行时间”相机的速度要简单一些。但是,可以比较这两种技术的速度。
 

Dechow说:“将640 x 480飞行时间相机的速度与基于激光的3D技术进行比较,需要计算出多少行以及使用这种技术获得480条线需要花费多长时间。”
 

不管公司将其3D传感器的速度如何(无论是采集还是采集和处理),基于激光的技术中的一个不变之处是,这些传感器通过一次扫描一行信息来组合出连续的图像,这至关重要。Dechow解释说,在个别应用需求的背景下考虑此类传感器的速度时,请牢记重要的一点

获得更多产品支持与培训

加入WELINKIRT

是否有任何疑问?

世界各地的WELINKIRT代表可以随时为您提供支持,满足您的视觉和工业读码需求。

联系我们