超越2D,3D視覺
帶來快速而準確的檢測,提高生產(chǎn)率
工廠的自動化提高了生產(chǎn)率,從產(chǎn)品檢測和庫存的所有周期中節(jié)省時間和成本。為了優(yōu)化這些因素,擁有視覺系統(tǒng)的機器需要以更高的速度和更佳的性能運行。
隨后,由于2D視覺受到限制,3D視覺被廣泛應(yīng)用于更高精度的質(zhì)量檢測、逆向工程或物體尺寸檢測。激光三角測量技術(shù)通常用于這些類型的應(yīng)用,因為三軸上要求高分辨率,因此需要非常高速的傳感器。
10多年來,Teledyne e2v一直與3D激光三角測量市場領(lǐng)導者合作,開發(fā)定制傳感器。2019年, Teledyne e2v推出現(xiàn)成傳感器系列 Flash,以滿足高速生產(chǎn)線對高速體積測量和檢測的挑戰(zhàn)性要求。
Flash CMOS傳感器出色地將4096 x 1024像素和2048 x 1024像素的分辨率結(jié)合,分別具有1800 fps和1500 fps (8位) 的幀速率以及61.4 Gbps和25.6 Gbps的標準光學格式讀出速度 (分別對應(yīng) APS似光學和C-Mount)。
新傳感器的設(shè)計旨在為相機制造商提供低成本的便捷集成,包括廣泛的基于應(yīng)用的功能,使其在使用中具有很高的靈活性,例如:
● 高達100 dB的高動態(tài)范圍模式,能夠通過高達100 dB的HDR模式測量和檢測同一圖像中的高反射表面和暗區(qū)
● 多個感興趣區(qū)域模式,允許在剖面速率和高度測量的范圍/分辨率之間進行完美的平衡
● 一些參數(shù)的幀到幀“熱”變化模式,實現(xiàn)靈活性和對環(huán)境條件的實時適應(yīng)
● 不同的觸發(fā)模式,完美適應(yīng)生產(chǎn)線的速度
對工業(yè)市場的好處
● 更高的生產(chǎn)速率 - 得益于非常高的幀率與2k或4k水平分辨率結(jié)合
● 具有成本效益的系統(tǒng) - Flash系列提供水平高分辨率和所需的垂直分辨率(相對于標準形狀因數(shù)),以減少硅尺寸,從而降低傳感器和系統(tǒng)成本
● 使用上的高度靈活性 - 例如,由于其單一捕獲HDR等功能,可以實時適應(yīng)環(huán)境條件和生產(chǎn)線速度。
超越2D,3D視覺
簡化工廠的自主性和有效性
為了提高工廠自動化的自主和有效運作,自主引導機器人的使用越來越多。隨著工廠和倉庫變得越來越自動化,工作站中人類與機器之間的合作越來越緊密,使預防和安全變得更加重要。
在這種不可預測的工作環(huán)境中,飛行時間系統(tǒng) (ToF) 是理想之選,因為它們具有實時3D信息獲取和決策能力,在快速場景中檢測物體或人物的能力。飛行時間技術(shù)具有兩種方法:直接飛行時間和間接飛行時間:
直接飛行時間 -該系統(tǒng)通過直接計算光線從物體上反射回來的時間來測量距離
間接飛行時間 -該系統(tǒng)通過計算光信號發(fā)射到物體和反射回來時的相位差來測量距離。這使得系統(tǒng)能夠構(gòu)建3D圖。
直接飛行時間與間接飛行時間的利弊
Teledyne e2v公司通過定制傳感器為直接飛行時間系統(tǒng)提供解決方案,通過完整的標準產(chǎn)品組合為間接飛行時間系統(tǒng)提供解決方案。
Teledyne e2v擁有超過10年的飛行時間技術(shù)和解決方案經(jīng)驗,具有創(chuàng)新飛行時間像素的強大能力,這是基于自動化機器人汽車和監(jiān)控領(lǐng)域領(lǐng)先研發(fā)的定制傳感器經(jīng)驗。
我們設(shè)計的標準飛行時間傳感器
具有客戶正在尋求的以下關(guān)鍵特性:
高空間分辨率傳感器,實現(xiàn)大視場覆蓋和高角度分辨率
快速和實時的3D檢測,沒有任何運動偽影,全分辨率下超過30 fps的深度圖
兼有中短距離、長距離檢測和管理
任何條件下的超可靠距離測量:卓越的精度以及對環(huán)境光條件和多系統(tǒng)操作的穩(wěn)健性
處理復雜環(huán)境操作的飛行時間
與其他3D技術(shù)相比,飛行時間系統(tǒng)具有速度快、操作簡單、價格低廉、具有良好的中長距離3D性能等優(yōu)點。
如前所述,飛行時間系統(tǒng)高度靈活,因此系統(tǒng)可以安裝在移動機器人中,因為它不需要根據(jù)設(shè)置進行校準(如工廠校準)。該系統(tǒng)還可以適應(yīng)各種操作設(shè)置,使飛行時間系統(tǒng)能夠很好地適應(yīng)復雜環(huán)境和條件下的操作。
下面是工廠和倉庫應(yīng)用的一些示例,飛行時間是其中的最佳選擇。
飛行時間應(yīng)用示例
● 測量箱子或包裝的大小和體積 - 飛行時間成像系統(tǒng)可以測量箱子/包裹的大小和體積,獲得最有效的托盤化或調(diào)整(包裝和卡車裝載優(yōu)化)或高效的產(chǎn)品線
● 用于智能和高效倉庫管理的貨物識別 - 飛行時間成像系統(tǒng)在比常規(guī)2D圖像處理更短的時間內(nèi)檢測貨物或包裹的尺寸
● 拾取和放置 - 飛行時間成像系統(tǒng)進行檢測和識別,使正確的對象在正確的位置被拾取和放置,具有非常高的精度水平,比傳統(tǒng)2D圖像的處理時間更短。
與其他3D技術(shù)相比,飛行時間系統(tǒng)更有利于機器人在工廠環(huán)境中自主安全導航。
機器人導航應(yīng)用示例
如今,大多數(shù)導航系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的激光雷達掃描儀來檢測目標,但有一些缺點,越來越多的解決方案正在出現(xiàn),如間接飛行時間等替代技術(shù)。與傳統(tǒng)的激光雷達掃描儀相比,間接飛行時間系統(tǒng)提供實時圖像信息,響應(yīng)速度快,無運動偽影。它們也更堅固、更緊湊,因為不涉及機械部件,而且更便宜,因為它是一種使用更少功率和更少計算的固態(tài)設(shè)計。
傳統(tǒng)激光雷達與間接飛行時間的“頂層”比較
在上述應(yīng)用程序中,飛行時間系統(tǒng)處理了許多挑戰(zhàn)。該系統(tǒng)需要處理從10米開始的短距離和中距離,需要在沒有任何運動偽影的情況下實現(xiàn)快速度(今天,市場上的大多數(shù)飛行時間解決方案都專注于5-6米的短距離)。此外,當機器人在工廠/倉庫中移動且需要在同一區(qū)域內(nèi)不受其他機器人干擾的情況下操作時,該系統(tǒng)可以適應(yīng)多種不斷變化的光照條件。
為了應(yīng)對所有這些具有挑戰(zhàn)性的條件,Teledyne e2v公司于2020年7月推出Hydra3D傳感器。這類領(lǐng)先的飛行時間傳感器具有創(chuàng)新的像素和高度靈活的配置,提供非常高的動態(tài)范圍,這是飛行時間應(yīng)用中非常深層次的東西(大范圍物體反射和距離的結(jié)合)。Hydra3D的分辨率為832 x 600像素,具有10微米三內(nèi)存節(jié)點尖端像素,可實現(xiàn)最高水平的3D性能,包括高深度分辨率、高速度和靈活的操作條件。
Hydra3D還具有創(chuàng)新的多抽頭像素,能夠同時獲取構(gòu)建3D圖像所需的三個相位,從而能夠在沒有任何運動偽影的情況下,從快速移動的場景中獲取準確的3D信息。
三內(nèi)存節(jié)點像素能夠在一幀中捕獲和存儲重建3D圖所需的不同相位的信息,而不是其他間接飛行時間技術(shù)所需的多幀。這可以在快速移動場景中有力地避免任何運動偽影。這類似于在2D視覺中對比全局快門模式和卷簾快門模式。三內(nèi)存節(jié)點像素可以用一串光脈沖捕獲所有相位,從而優(yōu)化光照功率利用。
在上述例子中,需要三個圖像(兩個相位+背景)。如果使用單內(nèi)存節(jié)點像素傳感器(目前最常見),則需要循序地曝光和讀出多個相位。拍攝一次光得到相位0,另一次得到相位1,然后運行第三次沒有光的采集并讀出以獲得背景信號。然后計算3D圖像。因此,如果有一個移動的物體,運動偽影將出現(xiàn),因為每個相位物體將位于不同的位置。此外,光脈沖序列需要發(fā)送并拍攝兩次,即每個相位一次。
使用多內(nèi)存節(jié)點像素傳感器,例如上述三內(nèi)存結(jié)點像素,所有曝光和讀出都以交錯的方式進行,因此所有相位幾乎都是并行獲得的,可以最大程度地減少運動偽影。此外,由于相位可以用單個光脈沖序列捕獲,因而降低了平均光照功率,這從眼睛安全和功耗的角度來看都很重要。
單內(nèi)存結(jié)點像素與三內(nèi)存結(jié)點像素對比
注意,運動偽影和運動模糊之間的區(qū)別類似于2D視覺中滾動快門和全局快門之間的區(qū)別。運動模糊可以稍微扭曲快速移動的對象,但不會提供錯誤信息,而運動偽影可以徹底改變對象的外觀并提供錯誤的測量,這在某些應(yīng)用程序中可能產(chǎn)生重大后果。
運動模糊與運動偽影
Hydra3D傳感器的其他優(yōu)點包括配置的靈活性和其他片上特性。例如,一個強大的片上HDR功能結(jié)合了高幀率和靈活配置,可以在距離范圍、物體反射率、幀率等之間進行平衡,同時具有抗環(huán)境光干擾的穩(wěn)健性。在單一觸發(fā)序列中,Hydra3D啟動了一系列采集和讀出,易于編程,從而成為一個非常強大的工具,能夠適應(yīng)各個應(yīng)用的條件。多個測量序列允許在不同的距離范圍或以不同的精度測量,或執(zhí)行2D捕獲,全部都在一個單觸發(fā)序列中。最重要的是,序列可以在幀與幀之間實時變化,無需停止傳感器。
獨特的片上特性,穩(wěn)健的抗多飛行時間系統(tǒng)干擾功能,使非同步系統(tǒng)可以同時工作而不互相影響。由于飛行時間需要主動照明,一個系統(tǒng)可能會受到在同一區(qū)域同時運行的另一個系統(tǒng)發(fā)出的光的干擾,這可能導致不正確的距離測量。Hydra3D傳感器的主要特點:
CCD時代的飛行時間
飛行時間圖像處理比傳統(tǒng)的2D視覺系統(tǒng)復雜得多。它涉及光學和取決于幾個參數(shù)的光系統(tǒng)(如傳感器或視場、工廠內(nèi)校準、特定傳感器配置),以完美地滿足應(yīng)用需求。
我們經(jīng)常將飛行時間傳感器與CCD傳感器進行比較,因為設(shè)置的復雜性要求在系統(tǒng)級別上投入大量精力來集成傳感器,因此掌握應(yīng)用設(shè)置的需求變得至關(guān)重要。
Teledyne e2v 公司基于自己在飛行時間CMOS傳感器方面的專長,并與客戶密切合作,在評估飛行時間系統(tǒng)固有挑戰(zhàn)方面獲得了扎實的經(jīng)驗。為了幫助客戶縮短上市時間,并獲得最佳的飛行時間系統(tǒng),滿足他們的應(yīng)用需求,我們提供從CMOS圖像傳感器、定制相機模塊到完整系統(tǒng)集成支持的技術(shù)解決方案。這包括評估平臺的參考設(shè)計、光和光學評估、人眼安全考慮、建模和仿真、算法和校準等。
Teledyne-e2v公司的飛行時間技術(shù)支持涵蓋范圍
總結(jié)
隨著工廠和配送倉庫的日益自動化,對有效和自主工業(yè)系統(tǒng)的需求日益增加,尤其是針對引導機器人和機器的3D視覺(實現(xiàn)物體識別、導航、高速度和高精度)。目前存在多種3D技術(shù),每種技術(shù)都有其利弊,首選的技術(shù)在很大程度上取決于應(yīng)用要求。所有這些技術(shù)都需要具有復雜功能的高性能傳感器。
Teledyne e2v公司得到市場領(lǐng)導者的認可,提供廣泛的獨特解決方案,包括3D視覺,服務(wù)于工廠自動化、物流和計量應(yīng)用等工業(yè)市場。我們在高性能CMOS圖像傳感器(結(jié)合尖端像素和特殊功能)方面的獨特專長,加上超過10年的飛行時間系統(tǒng)經(jīng)驗,使我們能夠幫助客戶克服當前的3D視覺挑戰(zhàn)。
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