Escolhendo o Sistema de Visão 3D Certo para Suas Necessidades de Automação Industrial

Parâmetros básicos a observar

Visão de máquina é uma das forças motrizes da automação industrial. Por muito tempo, foi impulsionada principalmente por melhorias no sensoriamento de imagem 2D e, para algumas aplicações, métodos 2D ainda são escolha ótima.

No entanto, a maioria dos desafios que a visão de máquina enfrenta hoje tem caráter 3D. Portanto, este artigo examina os métodos que capacitam sistemas de visão 3D, permitindo captura de superfícies 3D.

Embora o mercado ofereça ampla gama de soluções de sensores 3D, é preciso entender as diferenças entre elas e sua adequação para aplicações específicas. É importante perceber que é em última análise impossível desenvolver uma solução ótima que satisfaça todas as necessidades.

Este artigo foca nos parâmetros mais importantes de sistemas de visão 3D que se deve considerar ao selecionar solução para aplicação específica, e quais são as compensações de alguns parâmetros serem bastante altos. Cada parâmetro é dividido em 5 níveis para melhor comparação das tecnologias individuais e possibilidades que proporcionam.

Nosso próximo artigo examinará as tecnologias de sensoriamento 3D em detalhe e discutirá suas vantagens e limitações em relação aos parâmetros de varredura.

As tecnologias que alimentam sistemas de visão 3D podem ser divididas nas seguintes categorias:

A. Tempo de voo

• Varredura de área
• LiDAR

B. Métodos baseados em triangulação

• Triangulação a laser (ou perfilometria)
• Fotogrametria
• Visão estéreo (passiva e ativa)
• Luz estruturada (um quadro, múltiplos quadros)
• A nova tecnologia "luz estruturada paralela"

Parâmetros

Volume de varredura

Um volume operacional típico de sistema usado em aplicações de metrologia é cerca de 100 mm x 100 mm x 20 mm, enquanto requisito padrão para soluções de coleta em caixa é aprox. 1 m³. Isso pode parecer simples mudança de parâmetros, porém, diferentes tecnologias podem se destacar em diferentes volumes operacionais.

Enquanto aumentar a faixa nas direções XY está mais relacionado ao campo de visão (FOV) de um sistema e pode ser estendido usando lente mais ampla, extensão na direção Z traz problema de manter objeto em foco. Isso é chamado de profundidade de campo. Quanto mais profunda a profundidade de campo precisa ser, menor a abertura da câmera (ou projetor) tem que ser. Isso limita fortemente o número de fótons que alcançam o sensor e, assim, limita o uso de algumas tecnologias para maior faixa de profundidade.

Podemos definir cinco categorias baseadas na faixa de profundidade de campo:

1. Muito pequena: até 50 mm

2. Pequena: até 500 mm

3. Média: até 1500 mm

4. Grande: até 4 m

5. Muito grande: até 100 m

Embora a faixa de profundidade de uma câmera possa ser estendida reduzindo a abertura, isso limitará a quantidade de luz capturada (tanto da fonte de luz em sistema ativo quanto da iluminação ambiente). Problema mais complexo é estender a faixa de profundidade de sistema de projeção ativa, onde reduzir a abertura limitará apenas o sinal, não a iluminação ambiente. Aqui, sistemas de projeção a laser (como os sensores 3D da Photoneo) se destacam por conseguirem volumes grandes e práticos para aplicações robóticas.

Tempo de aquisição e processamento de dados

Um dos recursos mais valiosos em varredura 3D é a luz. Obter o máximo de fótons de uma fonte de luz correta nos pixels é essencial para boa razão sinal-ruído da medição. Isso pode ser desafio para aplicação com tempo de aquisição limitado.

Outro fator importante que afeta o tempo é a capacidade de uma tecnologia de capturar objetos em movimento sem parar (objetos em esteira, sensores anexados a robô em movimento, etc.). Ao considerar cenas dinâmicas, apenas "abordagens de disparo único" são aplicáveis (marcadas com pontuação 5 em nosso parâmetro de tempo de aquisição). Isso porque outras abordagens requerem múltiplos quadros para capturar superfície 3D, logo, se objeto escaneado se move ou sensor está em movimento, a saída seria distorcida.

Outro aspecto relacionado ao tempo de ciclo é se uma aplicação é reativa e requer resultado instantâneo (ex.: robótica inteligente, triagem, etc.) ou se é suficiente entregar resultado depois (ex.: metrologia offline, reconstrução de planta de fábrica, digitalização de cena de crime, etc.).

Em geral, quanto maior o tempo de aquisição, maior a qualidade, e vice-versa. Se cliente requer tempo curto e alta qualidade, o método "luz estruturada paralela" é a solução ótima.

Tempo de aquisição de dados:

1. Muito alto: minutos ou mais

2. Alto: ~5s

3. Médio: ~2s

4. Curto: ~500 ms

5. Muito curto: ~50 ms

Tempo de processamento de dados:

1. Muito alto: horas ou mais

2. Alto: ~5s

3. Médio: ~2s

4. Curto: ~500 ms

5. Muito curto: ~50 ms

Resolução

Resolução é a capacidade de um sistema reconhecer detalhes. Alta resolução é necessária para aplicações onde há pequenas características 3D dentro de grande volume operacional.

O maior desafio em aumentar a resolução em todos sistemas baseados em câmera é a diminuição da quantidade de luz que alcança pixels individuais. Imagine aplicação de classificação de maçãs em esteira. Inicialmente, apenas o tamanho da maçã é parâmetro de classificação. Porém, cliente pode também precisar verificar presença de cabinho. Análise de dados mostraria que precisa estender resolução de amostragem do objeto duas vezes para obter dados necessários.

Para aumentar resolução de amostragem do objeto duas vezes, a resolução do sensor de imagem tem que aumentar por fator de quatro. Isso limita quantidade de luz por fator de quatro (mesmo fluxo de luz dividido em quatro pixels). Porém, a parte complicada é que precisamos garantir profundidade de campo do sistema original. Para isso, precisamos reduzir abertura, o que limitará luz por outro fator de quatro. Isso significa que para capturar objetos na mesma qualidade, ou precisamos expô-los a tempo dezesseis vezes maior ou precisamos de fontes de luz dezesseis vezes mais fortes. Isso limita fortemente a resolução máxima possível de sistemas em tempo real.

Como regra prática, use a resolução mínima necessária para capturar objetos escaneados rapidamente. Você também economizará tempo graças ao menor tempo de processamento. Como alternativa, alguns dispositivos (ex.: PhoXi 3D Scanner da Photoneo) têm capacidade de alternar entre resolução média e alta para atender necessidades da aplicação.

5 categorias segundo média de pontos 3D por medição, ou Resolução XY:

1. Muito pequena: ~100k pontos

2. Pequena: ~300k pontos (VGA)

3. Média: ~1M pontos

4. Alta: ~4M pontos

5. Estendida: ~100M pontos

Precisão e exatidão

Precisão é a capacidade de um sistema recuperar informação de profundidade. Enquanto algumas tecnologias são escaláveis para obter medição precisa (como a maioria dos sistemas de triangulação), outras não são por limitações físicas (como sistemas de tempo de voo).

Chamamos isso de resolução de profundidade:

1. Muito pequena: >10 cm

2. Pequena: ~2 cm

3. Média: ~2 mm

4. Alta: ~250 µm

5. Muito alta: ~50 µm

Robustez

Robustez refere-se à capacidade de um sistema fornecer dados de alta qualidade em várias condições de iluminação. Por exemplo, alguns sistemas dependem de luz externa (como luz solar ou iluminação interna) ou só conseguem operar dentro de níveis limitados de luz ambiente (luz que não faz parte da operação do sistema). Luz ambiente aumenta valores de intensidade reportados por sensores internos e aumenta ruído de medição.

Muitas abordagens tentam alcançar maior resistência usando matemática (como subtração de nível preto), mas essas técnicas são limitadas. O problema reside em ruído específico, chamado "ruído de tiro" ou "ruído quântico". Isso significa que se dez mil fótons em média alcançam um pixel, a raiz quadrada desse número — cem — é o desvio padrão de incerteza.

O problema está no nível de iluminação ambiente. Se o "ruído de tiro" causado por iluminação ambiente superar níveis de sinal da iluminação ativa do sistema, a qualidade aparente dos dados cai. Em outras palavras, a iluminação ambiente traz ruído desnecessário que pode eventualmente sobrepujar o sinal útil e assim perturbar a qualidade final dos dados 3D.

Vamos definir condições externas onde dispositivo pode operar:

1. Interno, sala escura

2. Interno, volume operacional blindado

3. Interno, luzes halógenas fortes e janelas de vidro leitoso

4. Externo, luz solar indireta

5. Externo, luz solar direta

Falando de robustez na varredura de diferentes materiais, fator decisivo é capacidade de trabalhar com inter-reflexões:

1. Materiais difusos, bem texturizados (rochas, ...)

2. Materiais difusos (parede branca)

3. Materiais semi-brilhantes (alumínio anodizado)

4. Materiais brilhantes (aço polido)

5. Superfícies espelhadas (cromo)

Design e conectividade

Existem vários fatores que influenciam a robustez física de sistemas de visão 3D e garantem seu alto desempenho mesmo em ambientes industriais desafiadores. Estes incluem calibração térmica, opções de alimentação como PoE (Power over Ethernet) & 24V, e classificação IP adequada, onde scanners 3D industriais devem visar mínimo IP65.

Outros fatores são peso e tamanho do dispositivo, que limitam seu uso em algumas aplicações. Ter solução leve e compacta, porém poderosa, permitirá que clientes a montem basicamente em qualquer lugar. É por isso que o PhoXi 3D Scanner possui corpo de fibra de carbono. Junto com estabilidade térmica, oferece peso leve mesmo para sistemas de linha de base mais longa.

1. Muito pesado: >20 kg

2. Pesado: ~10 kg

3. Médio: ~3 kg

4. Leve: ~1 kg

5. Muito leve: ~300 g

Relação custo/desempenho

O preço de um sistema de visão 3D é outro parâmetro importante. Uma aplicação precisa trazer valor ao cliente. Pode resolver problema crítico (possivelmente grande orçamento) ou tornar processo mais econômico (sensível a orçamento).

Alguns aspectos de preço estão relacionados a tecnologias particulares, outros são definidos por volume de produção ou serviços e suporte fornecidos. Nos últimos anos, o mercado de consumo trouxe tecnologias baratas de sensoriamento 3D utilizando produção em massa. Por outro lado, tais tecnologias vêm com desvantagens como falta de possibilidade de personalização e upgrades, robustez, disponibilidade de linha de produto e suporte limitado.

Tecnologias de visão 3D baseadas em seu preço:

1. Muito alto: ~100k EUR

2. Alto: ~25k EUR

3. Médio: ~10k EUR

4. Baixo: ~1000 EUR

5. Muito baixo: ~200 EUR

Agora você sabe quais são os parâmetros básicos de sistemas de visão 3D e o papel que cada um desempenha em aplicações específicas e para diferentes propósitos.

Nosso próximo artigo explicará como as tecnologias individuais de sensoriamento 3D performam em relação a esses parâmetros, quais são as diferenças básicas entre elas, e quais são suas limitações e vantagens.