Роботы c объемным зрением: 3D-визуализация выводит промышленные системы машинного зрения на новый уровень

Роботы обладают способностью быстро, точно и, на первый взгляд, без труда захватывать и размещать предметы, однако до недавнего времени для выполнения этой, казалось бы, несложной задачи требовался длительный период настройки и обучения. Роботы, ориентирующиеся в пространстве, умеющие взаимодействовать с персоналом подобно людям, знакомы нам скорее по научно-фантастическим романам, чем по реальной жизни. Однако изменения, происходящие сегодня в методах 3D-визуализации, позволяют говорить о существенном расширении роли 3D-технологий в сфере машинного зрения.

Наиболее популярные методы 3D-визуализации

Роботостроение, автоматизация производства и медицина – наиболее перспективные отрасли внедрения 3D-технологий, предоставляющие беспрецедентные возможности для решения сложных задач обработки изображений. Целесообразнее всего использовать обработку 3D-изображений для решения тех задач, которые требуют наличия данных об объеме, формах, а также расположении и ориентации объектов в пространстве (например, в логистике для быстрой и надежной перемещения товаров из точки А в точку Б). Какие же именно технологии лежат в основе создания 3D-изображений?

На сегодняшний день существует четыре технологии создания 3D-изображений:

времяпролетная технология
лазерная триангуляция
стереоскопия
структурированный свет.

Чем они различаются?

Методы и сферы применения

Стереоскопия и структурированный свет

Стереоскопия функционирует аналогично человеческому глазу. Две 2D-камеры получают изображение объекта с двух разных точек и рассчитывают трехмерные данные глубины по принципу триангуляции. Эта задача может оказаться непростой в условиях недостаточной освещенности или в случае объектов с однородной поверхностью, поскольку получаемые данные будут слишком ненадежными. Эта проблема решается использованием структурированного света, который придает изображениям заранее заданную четкую структуру.

Сфера применения
Одним из очевидных преимуществ стереоскопии является высокая точность при измерении объектов в пределах небольшого рабочего диапазона. В большинстве случаев для достижения такого уровня точности на объекте необходимо предусмотреть несколько установочных меток либо проецировать на объект произвольные световые шаблоны или световые шаблоны, созданные с помощью источника структурированного света. Как правило, стереоскопию целесообразно использовать для определения координат и построения трехмерной картины пространства. В производственной сфере эта технология не является оптимальной, поскольку для нее характерна высокая нагрузка на процессор и высокие общие затраты на систему.

Лазерная триангуляция

Для лазерной триангуляции необходимы 2D-камера и источник лазерных лучей. Лазер проецирует линию на целевую зону, которая фиксируется 2D-камерой. Проецируемая линия огибает контуры объекта, что позволяет рассчитать расстояние от источника лазерных лучей до объекта, основываясь на координатах линий, зафиксированных на серии фотографий.

Сфера применения
Поскольку данный способ использует преимущества структурированного света, то сложные поверхности и слабая освещенность создают проблем. Лазерная триангуляция позволяет получить точные данные даже для объектов с низкой контрастностью. Тем не менее, у метода лазерной триангуляции существует свой недостаток – невысокая скорость, что препятствует его внедрению на современном производстве, где процессы выполняются все быстрее и быстрее. Процесс сканирования требует полной неподвижности измеряемого объекта, что является условием корректного считывания изменений расстояния до лазерных линий.

Принцип в основе лазерной триангуляции

Времяпролетный метод

Времяпролетный метод идеально подходит для получения значений глубины объектов и измерения расстояний. При использовании времяпролетной камеры каждым пикселем регистрируются два типа данных: значение интенсивности (уровень яркости) и расстояние от объекта до сенсора, то есть значение глубины.

Времяпролетный метод опирается на два принципа съемки: принцип непрерывной волны и импульсный времяпролетный принцип.

Измерение расстояния импульсным времяпролетным методом основано на определении времени, за которое это расстояние покрывают световые импульсы. Для этого необходимо наличие очень быстрых и точных электронных компонентов. Сегодняшний уровень технологий позволяет создавать устройства, генерирующие точные световые импульсы, и системы для их безошибочной регистрации по вполне приемлемой стоимости. Требуемые сенсоры имеют разрешение больше необходимого для работы принципа непрерывной волны, поскольку их мелкие пиксели значительно повышают эффективность использования поверхности сенсора.

Встроенный источник света посылает световые импульсы на объект, которые отражаются и регистрируются камерой. Расстояние и, соответственно, значение глубины, регистрируемое каждым отдельным пикселем, вычисляется на основании значения времени, за которое свет покрывает расстояние до объекта и обратно до сенсора. Этот метод позволяет быстро генерировать плотное множество точек в реальном времени с одновременным созданием профиля интенсивности и таблицы точности.

Сфера применения

Времяпролетный метод отлично подходит для измерения объемов в логистике, загрузки и разгрузки поддонов, а также управления самоходными транспортными средствами в складских помещениях. Времяпролетные камеры также находят применение в медицине, в частности для определения точности положения пациентов и их мониторинга, и в автоматизации производства (для управления роботами и извлечения деталей из бункера).

Самоходное транспортное средство

Какая технология подходит для решения тех или иных задач?

Пример времяпролетной технологии (Time-of-Flight)

Как и в случае с 2D-камерами, не существует технологии, с которой 3D-камера будет универсальной. Чтобы сделать правильный выбор, необходимо рассмотреть все требования и выделить наиболее важные из них.

Ответ на следующие вопросы поможет выбрать технологию, подходящую для решения именно ваших задач: Требуется определять положение, форму, наличие или ориентацию объектов? Какая необходима точность? Каково качество поверхности объекта? Какова рабочая скорость фиксируемых объектов и рабочее расстояние до них? Кроме того, 3D-технология должна удовлетворять вашим требованиям относительно стоимости и сложности внедрения системы.