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3D检测解决方案说明

区别于传统视觉的全新检测方式

为何要使用3D检测方案

我们以前提到的工业视觉检测技术方案,基本指代的是2D视觉检测方案,这是一种较为成熟的技术,过去几十年中,被广泛应用于自动化和产品质量控制过程中。2D视觉检测的工作原理是,通过摄像头拍到一个平面的照片,根据灰度或彩色图像中对比度的特征,经过图像分析或比对来识别物体,看到物体一个平面上特征。适应于以下检测场景:

    • 用于缺失/存在检测
    • 离散对象分析
    • 图案对齐
    • 条形码和光学字符识别(OCR)
    • 基于边缘检测的各种二维几何分析
    • 拟合线条,弧线,圆形及其关系(距离,角度,交叉点等)

正常来说,新技术手段的出现,一定是要解决一些传统手段无法实现的功能,那么,相对3D检测来说,2D视觉检测存在哪些弊病呢?

【1】无法测量3D形状。2D视觉检测不支持与形状相关的测量。 例如,不能够测量诸如物体平面度,表面角度,部分体积,或者区分相同颜色的物体之类的特征,或者在具有接触侧的物体位置之间进行区分。

【2】易受变量照明条件的影响。由于照明决定了边缘位置和测量精度,因此2D检测时视野范围内的照明变化有时会导致边缘测量误差,除非使用特定的技术来补偿这种影响。 在工厂条件下,照明变化是生产车间意外环境或现场来源的共同挑战。

【3】有限的对比度补偿。2D视觉检测依赖于测量物体的对比度(边缘数据),例如,这意味着它们无法测量黑色背景上的黑色物体,或者在没有特定光照的情况下区分部分特征来暴露边缘的存在和定义。

【4】对物体运动敏感。由于元件移动造成的误差,2D视觉检测需要沿光轴(Z轴)精确固定,使用尺度不变特征检测,或者使用大型远心光学元件(必须与FOV尺寸相匹配)来消除影响。

【5】无法配合机器人。工业机器人在三维世界中工作。遗憾的是,2D技术无法为越来越多用于自动化质量控制的视觉引导机器人(VGR)系统提供必要的深度和空间信息(6自由度)。

2D检测在非平面产品检测中实现100%质量控制的能力有限,这是很多企业投资3D检测方案非常重要的原因。

3D检测方案的优势

3D检测通过添加描述形状的第二层数据来建立在2D的成熟功能上,这对于设计高度可靠的测量系统至关重要。3D检测系统有其独有的特点:

【1】丰富的数据采集:3D测量产生2D系统不能的形状信息。 因此,可以测量与形状相关的特征,例如物体平直度,表面角度和体积。

【2】测量稳定性:3D检测中的所有组件都被牢固地安装在单个光机械组件上,以确保重复性,焦距相对于发射器和成像器平面锁定在位,并且包括温度补偿功能,以便纠正由于金属蠕变而引起的移动。

【3】精度和重复性:利用3D检测提供的深度测量信息,由于物体位置(距传感器的距离)而导致的误差不再可能,这意味着物体可以在传感器的测量体积内的任何位置移动,并仍能得到准确的结果。 这简化了物体固定要求,并降低了系统设计和维护成本。

【4】多传感器拼接:3D检测的另一个好处是能够使用已知的伪像将来自相对较少的多个扫描仪的3D点云拼接在一起,从而校准到通用坐标系。 例如,可以用多个扫描仪扫描诸如卡车框架的大物体。 定位和对准数以百计的二维相机,并使用摄影测量法来生成三维模型要比使用少量高精度的三维扫描仪更加复杂和不准确。

【5】精密机器人指导:工业机器人在三维世界中工作。 盲人机器人仅限于执行重复和结构化的任务。 3D视觉检测技术使机器人能够感知其物理环境的变化,并相应地进行调整,从而在基本应用中提高了灵活性,实用性和速度,例如拾放。

3D视觉检测具有以下优点

① 在线检测快速移动的目标物,获取形状和对比度
② 消除手动检查带来的错误
③ 实现部件和装配的100%在线质量控制
④ 最大限度地缩短检测周期和召回
⑤ 最大限度地提高生产质量和生产量
⑥ 对比度不变,是检查低对比度物体的理想选择
⑦ 对较小的照明变化或环境光不敏感
⑧ 建立大型物体检测的多传感器设置更简单

正是3D检测的独有特点和多种优势,使得3D检测技术在工业检测界越来越火。

3D检测的技术分类

目前市场上主流的有四种3D视觉技术:双目视觉、TOF、结构光和激光三角测量。

双目技术是目前较为广泛的3D视觉系统。它的原理就像我们人的两只眼睛,用两个视点观察同一景物,以获取在不同视角下的感知图像,然后通过三角测量原理计算图像的视差,来获取景物的三维信息。由于双目技术原理简单,不需要使用特殊的发射器和接收器,只需要在自然光照下就能获得三维信息,所以双目技术具有系统结构简单、实现灵活和成本低的优点,适合于制造现场的在线、产品检测和质量控制。不过双目技术的劣势是算法复杂,计算量大,而且光照较暗或者过度曝光的情况下效果差。

第二个技术TOF飞行时间法成像技术TOF是Time Of Flight的简写,它的原理通过给目标物连续发送光脉冲,然后用传感器接收从物体返回的光,通过探测光脉冲的飞行时间来得到目标物距离。TOF的核心部件是光源和感光接收模块。由于TOF是根据公式直接输出深度信息,不需要用类似双目视觉的算法来计算,所以具有响应快、软件简单、识别距离远的特点,而且由于不需要进行灰度图像的获取与分析,因此不受外界光源物体表面性质影响。不过TOF技术的缺点分辨率低、不能精密成像、而且成本高。

第三种技术是3D结构光技术它通过一个光源投射出一束结构光,这结构光可不是普通的光,而是具备一定结构(比如黑白相间)的光线,打到想要测量的物体上表面。因为物体有不同的形状,会对这样的一些条纹或斑点发生不同的变形,有这样的变形之后,通过算法可以计算出距离、形状、尺寸等信息,从而获得物体的三维图像。由于3D结构光技术,既不需要用很精准的时间延时来测量,又解决双目中匹配算法的复杂度和鲁棒性问题,所以具有计算简单、测量精度较高的优势。而且对于弱光环境、无明显纹理和形状变化的表面,同样都可进行精密测量,所以越来越多的3D视觉高端应用采用结构光技术

第四种技术是和结构光类似的激光三角测量法它基于光学三角原理,根据光源、物体和检测器三者之间的几何成像关系,来确定空间物体各点的三维坐标。通常用激光作为光源,用CCD相机作为检测器。具有结构光3D视觉的优点,精准、快速、成本低。不过,由于根据三角原理计算,被测物体越远,在CCD 上的位置差别就越小,所以三角测量法在近距离下的精度很高,但是随着距离越来越远,其测量的精度会越来越差。

我司提供的3D检测方案

我司多年从事双目视觉、结构光栅等技术研究,形成多种成熟系统,可为各类3D需求提供解决方案。

    • 3D数模对比
    • 3D模型修正
    • 3D参考设计
    • 3D尺寸检测
    • 3D瑕疵检测
    • 零件全尺寸检测
    • 3D关键点检测
    • 3D抓取与控制
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