3D mašininis matymas sistemai suteikia ne tik vaizdą, bet ir atstumą iki kiekvieno matomo taško. Iš tokių duomenų galima apskaičiuoti detalės padėtį ir orientaciją erdvėje, aukštį, tūrį ar formos nuokrypius. Ten, kur 2D kamera mato tik kontūrą, 3D kamera ar 3D skeneris mato erdvinę formą. Būtent todėl 3D matymas dažnai yra pagrindas robotui, kuris turi pats rasti ir paimti detalę.
Ką duoda 3D kamera
3D kameros rezultatas paprastai pateikiamas dviem pavidalais:
- Taškų debesis – erdvinių taškų rinkinys, kurio kiekvienas taškas turi X, Y ir Z koordinates. Su juo atliekami matavimai, ieškoma plokštumų, ašių, kraštų.
- Gylio žemėlapis – vaizdas, kurio kiekvienas pikselis rodo atstumą iki objekto. Jį patogu apdoroti panašiai kaip įprastą nuotrauką, pavyzdžiui, ieškant aukščiausių krūvos vietų.
Dažnai kartu gaunamas ir įprastas 2D vaizdas, todėl spalvinę ar tekstūros informaciją galima sujungti su geometrija.
Pagrindinės 3D technologijos
Struktūrinė šviesa
Projektorius ant objekto projektuoja žinomą raštą, o kamera stebi, kaip tas raštas deformuojasi ant paviršiaus. Iš deformacijos apskaičiuojamas gylis. Struktūrinė šviesa leidžia pasiekti submilimetrinį tikslumą ir didelę raišką, tačiau matavimas trunka ilgiau, o objektas paprastai turi stovėti vietoje. Išimtis – Photoneo MotionCam-3D, skirta judantiems objektams. Plačiau apie šiuos įrenginius rašome straipsnyje Photoneo PhoXi ir MotionCam-3D.
Skrydžio laiko (ToF) kameros
ToF kamera skleidžia šviesą ir matuoja, kiek laiko ji keliauja iki objekto ir atgal. Taip vienu metu gaunamas visos scenos gylio žemėlapis. ToF kameros greitos, atsparios ir apima didelį plotą, bet jų raiška mažesnė, o tikslumas – milimetrų ar centimetrų lygio. Daugiau – straipsnyje apie ToF 3D kameras.
Lazerinė trianguliacija
Lazeris projektuoja liniją, o kamera ją stebi tam tikru kampu. Kiekvienas kadras duoda vieną paviršiaus profilį, o visas 3D modelis susidaro objektui judant po skeneriu arba skeneriui judant virš objekto. Tai tinka konvejeriams ir ištisiniams gaminiams, kai judėjimas vis tiek vyksta.
Stereorega
Dvi kameros fotografuoja tą pačią sceną iš šiek tiek skirtingų vietų, panašiai kaip žmogaus akys. Iš to, kiek tas pats taškas pasislinkęs tarp dviejų vaizdų, apskaičiuojamas gylis. Stereorega gerai veikia ten, kur paviršius turi tekstūrą; lygiems vienspalviams paviršiams kartais papildomai projektuojamas raštas.
Kada užtenka 2D, o kada reikia 3D
2D kamera yra paprastesnis ir pigesnis sprendimas, todėl pirmiausia visada verta įvertinti, ar jos nepakaks. 2D dažniausiai užtenka, kai:
- detalė plokščia arba visada guli toje pačioje plokštumoje;
- reikia nuskaityti simbolius, QR kodus ar prietaisų ekranus;
- tikrinamas spalvos ar kontrasto skirtumas, etiketės, komplektiškumas.
Pavyzdžiui, metrologijos stende vandens skaitiklių LCD ekranus kartą per sekundę skaitome keturiomis 2D kameromis – 3D ten nereikalingas.
3D reikia, kai:
- svarbus aukštis, tūris ar forma, o ne tik kontūras;
- detalės guli krūvoje ar netvarkingai ir robotas turi rasti paėmimo tašką;
- detalės ir fono kontrastas mažas, bet skiriasi aukštis;
- reikia nustatyti detalės pasvirimą ar ašį erdvėje.
Tikslumas: nuo ko jis priklauso
3D sistemos tikslumą lemia ne vien įrenginio duomenų lapas. Svarbiausi veiksniai:
- Technologija. ToF kameros paprastai dirba milimetrų–centimetrų lygiu, struktūrinė šviesa – submilimetriniu. Pagal gamintojo duomenis Photoneo PhoXi šeimos tikslumas siekia 25–500 µm, priklausomai nuo modelio.
- Atstumas ir regėjimo laukas. Kuo didesnį plotą apima kamera, tuo mažiau taškų tenka vienam milimetrui.
- Paviršius. Dėl tamsių, permatomų ir ypač blizgių paviršių atsiranda trūkstamų ar klaidingų taškų. Apie tai – straipsnyje Blizgių paviršių 3D skenavimas.
- Kalibravimas. Be tikslaus kalibravimo net geras skeneris duos klaidingas koordinates.
- Apdorojimas. Kelių kadrų suliejimas, filtravimas ir artefaktų šalinimas gerokai sumažina triukšmą.
3D matymas su robotais
Kad robotas galėtų panaudoti 3D kameros rezultatą, atliekamas hand-eye kalibravimas: nustatoma, kur kamera yra roboto atžvilgiu. Tada kameroje rastas taškas perskaičiuojamas į roboto koordinates. Kamera gali būti pritvirtinta virš darbo zonos arba ant paties roboto – tuomet robotas nukreipia skenerį į reikiamą vietą ir gali nuskenuoti objektą iš kelių pusių.
Mūsų pavyzdys – rąstų padavimo celė, kurią šiuo metu paleidžiame. Virš rąstų krūvos sumontuota ToF 3D kamera, programa randa rąstus, įvertina jų ašį, ilgį ir galus, o KUKA KR 60-3 robotas paima rąstą ir paduoda jį į apdirbimo staklių padavimo volus. Tokiuose projektuose laikomės principo „AI siūlo, sauga leidžia“: judesį visada leidžia saugos grandinė, o ne neuroninis tinklas.
Kaip pradedame
Mes daugiausia dėmesio skiriame mašininiam matymui, ypač 3D. Dirbame su ToF 3D kameromis ir Photoneo PhoXi bei MotionCam-3D skeneriais. Regos projektus pradedame bandymu su jūsų tikromis detalėmis: taip prieš didesnes investicijas matote, ar pasirinkta technologija tinka. Daugiau apie paslaugą – mašininio matymo paslaugose, o detales aptarti galite per kontaktus.