新型 3D 视觉技术——应对机器视觉的挑战

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 Linefinder 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。