新型 3D 视觉技术——应对机器视觉的挑战
图片来源 ：康耐视
作者：Jimmy Carroll
不断向前发展的3D成像，融合立体视觉、激光三角测量、结构光、飞行时间等新技术，将帮助最终用户和原始设备制造商解决新的具有挑战性的成像问题。
3D 视觉技术必须发展并适应不断变化的市场条件——尤其是在加速变化的时期，例如新冠疫情的全球爆发几乎改变了生活的方方面面。不同类型的 3D 技术适合不同行业的不同任务和应用。无论是立体视觉、激光三角测量、结构光、飞行时间 (ToF) 还是其他技术，3D 成像技术正在不断发展并扩展到更多的市场，帮助最终用户和原始设备制造商解决新的具有挑战性的成像问题。
利用 3D 区域扫描技术
由于 COVID-19 疫情的爆发，人们以前所未有的需求转向电子商务平台，对涉及物流、仓储和包装的公司提出了巨大的挑战，这些公司被迫不断地扩大运营规模和业务。很多物流和仓储应用程序——包括货物的交付、仓储和包装，在很大程度上依赖于各种类型的 3D 成像技术。
“货箱拣选应用程序需要实施区域扫描和 3D 点云。尽管货箱拣选可以说是最广为人知的事实，但它却是最难实施的 3D 类型之一。” Integro Technologies 公司首席视觉系统架构师 David Dechow 说，“目前，大多数货箱拣选还不能满足所有客户的需求，因为它需要极高的速度、随机拣选，并且需要机器人像人一样移动。”
使用飞行时间计算和测量
虽然立体视觉和结构光等区域扫描 3D 技术可能有助于货箱拣选应用，但飞行时间 (ToF) 技术更有助于完成诸如测量和计算箱子尺寸之 类的任务。
LUCID Vision Labs 的新型 Helios2 ToF 相机针对物流、物料搬运和机器人应用，与旧版本的Helios相比，新型相机的透光率提高2.5倍， 3D 精度提高了 50% 以上。客户的需求是该公司不断突破技术极限的动力。LUCID 公司创始人兼总裁 Rod Barman 表示：“考虑到这一点，我们将最新技术融入设计的产品以适应当前和未来潜在的应用挑战，例如尺寸测量、机器人和 AGV。”
对于康耐视而言，物流领域中 3D 应用的最大需求是盒子尺寸标注，尤其是当零件在运动中移动时。过去，在此类应用中，通常采用多个激光器和一个外部摄像头有助于捕获图像。但是，现在通过类似于 3D-A1000 的系统，将 2D 和 3D 结合在一起的智能相机可以从 web 界面快速标注尺寸。
康耐视 3D 产品高级总监兼业务部门经理 John Keating 解释说，“使用 A1000 系统可以简化设置。这是一个基于网络的界面，但它仍然是一个 In-Sight 摄像头，它提供了一个简单的设置演练。”3D 的应用部署越容易，人们对 3D 的担忧就越少。
Keating 表示，随着客户在 3D-A1000 上 取得成功，物流领域开辟了新的 3D 应用程序，例如在经典的空托盘场景中定位物体，这在很长一段时间内一直是一个困难的应用。
对于 Matrox Imaging 公司 3D 传感器产品经理 Mathieu Larouche 而言，传统应用，例如用于拣箱和码垛的视觉引导机器人以及箱子尺寸测量，也是 3D 成像背后的重要驱动力。为了让客户更轻松，Matrox 公司还积极参与对 GenICam 的 GenDC 模块的支持，旨在标准化 3D 相机 / 传感器和应用软件之间的组件数据交换。
就市场的潜在影响而言，Larouche 认为，3D 成像的一个潜在的有趣领域是将深度学习应用于 3D 成像，以推广后者的使用。
周期时间的注意事项
包装应用也越来越多地依赖于 3D 视觉，CapSen Robotics 公司首席执行官 Jared Glover 表示，但最终用户 和 OEM 厂商必须预先考虑周期时间需求，以避免出现任何问题。
在许多 3D 视觉引导的机器人应用中，机器人在每次取货或放货时的移动方式是不同的，比如说，与重复相同动作的机器人相比，3D 视觉引导机器人的周期时间不会太稳定，这就是为什么在生产线设计中考虑这个因素很重要。应该在拣选机器人前后建立额外的缓冲区，或者如果需要在没有偏差的情况下达到一定的周期时间， 应该增加额外的机器人作为冗余。
该公司设计其 CapSen PiC 货箱拣选产品时就考虑了这些周期时间。该系统使用高度加速的专有 GPU 数学库以及并行图像处理和运动控制，在传统 6 轴机器人上实现低至两秒的循环时间。
“考虑这样一个场景，箱子里装满了瓶子，不得不处理倾斜之类的问题，” Keating 说，“当瓶子四处移动时， 2D 视觉会出现问题，但 3D 视觉提供了理解深度的能力。”与传统系统相比，康耐视全新的 In-Sight 3D-L4000 嵌入式视觉系统能使用户将视觉工具直接用于元件的 3D 图像，可提供更高的准确性，从而扩展了可以执行的检测类型。
康耐视在帮助客户如何快速解决包装问题的方面看到了巨大的潜力。例如，在客户需要看到较低层级混合的特定区域下方的情况下，3D 成像解决了这个问题。
软件为工厂内外打开新的大门
在可能被认为是传统机器视觉之外的一些应用也受益于 3D 视觉。以铁路检测为例。高速、持续振动和恶劣的环境条件可能使 3D 铁路检测应用变得困难。但是，如果安装正确，检查轨道轮廓和轮辋的磨损和损坏将有助于防止事故，并确保安全和可靠的运行。这是 Photonfocus 公司基于三角 测量的相机的一个流行应用，它使用外部激光器和单独的相机，而不是一 个集成单元。
Photonfocus 为此类应用提供了一些特定优势，包括名为 LinLog 的相机内固件功能，该功能允许相机实时执行高动态范围成像。使用 LinLog 用户可以同时拥有明亮和黑暗的条件，该技术提供可用于检查目的的平均图像。
检测多个激光线轮廓是一项复杂的检测任务。Photonfocus 通过其 Multipeak Linefifinder 算法提供此功能。例如，当激光束经过镜面反射时，它会四处反弹，形成一条主线和许多次要线。Photonfocus 算法可帮助 OEM 找到合适的激光线以进行检查。
“我们在 3D 算法方面拥有丰富的经验，总是根据客户的需求改进它们，” Photonfocus 公司固件 / 设计主 管 Reto Lienhardt 说，“例如，在扫描金属或玻璃时，反射的固有问题可以在算法中解决。这是我们为客户并行检测多条线路的主要原因之一，也是为什么我们的 3D 解决方案与其他几个市场一起部署到铁路检测中的原因。”
对于想要开发自己的专用 3D 成像系统的机器制造商和系统集成商， Euresys 公司的 Open eVision 软件中包含的 Easy3D 库等软件工具可以帮助其开发 3D 机器视觉检测应用程序。例如，如果客户希望使用投影到移动表面上的一条或两条激光线来实施 3D 成像系统，则需要提取激光线，然后将其转换为高度图或 3D 点云，这是 3D 处理和分析所需的，该公司美洲销售和支持副 总裁 Mike Cyros 解释说。
“除了 Easy3D 软件库之外，Euresys 还通过我们的 Coaxlink Quad 3D-LLE 图像采集卡为此类应用提供现成的硬件，它可以自动、即时地从 CoaXPress 相机中提取激光线，”他说。“我们不是提供完整的固定功能 3D 解决方案，而是为客户提供必要的构建块，让他们能够更轻松地构建自己的 3D 视觉系统。”Easy3D 软件和 Coaxlink Quad 3D-LLE 为系统开发人员提供了易于使用的广泛功能。
不断向前发展的 3D 成像技术
3D 成像技术继续发展，并可能达到拐点。John Keating 建议，人们会开始将 3D 视为一个通用术语，指的是以不同方式创建 3D 图像的不同设备的集合，就像有以不同方式创建 2D 图像的 2D 相机一样。
“3D 不能被视为一种单一类型的技术，因为我们有基于激光的方法、飞行时间、立体视觉等类型。”他说，“我认为人们开始动摇他们对 3D 的先入为主的观念，并将开始以与 2D 更相似的方式思考它。”
甚至有些时候 3D 成像技术的名称也不尽相同。许多公司在市场上不会以相同的名称来称呼他们的产品，但使用其他名称的解决方案仍然可以提高生产率，这才是最重要的。