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高速3D成像: 了解最新的高速3D成像技术


时间:2020-03-25

应用领域:机器视觉


   图1 LUCID Vision Labs的Helios Flex 3D相机模块,旨在与NVIDIA Jetson TX2连接,并通过MIPI连接以60fps的帧率传输原始数据。

  如今,许多开发3D成像产品的公司都将他们的产品称为快速或高速产品。尽管在许多情况下这种说法是正确的,但人们并不总是特别清楚高速到底意味着什么,或者对于既定的产品,它在现实世界中实际可以做什么。下文中介绍了一些最新的高速3D成像技术,以及这些高速度真正意味着什么。

飞行时间

   飞行时间(ToF)是最近较为流行的一种技术,其工作原理是使用调制光源照亮场景并观察反射光。可以测量照明和反射之间的相移,并将其转换为距离。在某些设备中,采用了基于脉冲的测量技术。

   英国Odos Imaging公司(隶属于罗克韦尔自动化有限公司)在几年前首次推出了基于ToF的产品——Swift-G相机。这款ToF相机的分辨率为640×480,据报道能以44fps的帧率捕获动态场景而无伪影,主要应用于物流(托盘管理、码垛/卸垛)、尺寸标注、轮廓描绘以及工厂自动化等应用;此外,该相机还集成了镜头和照明功能(七个850nm LED),工作距离长达6m,并实现了44个轮廓/秒的扫描速度。

   加拿大LUCID Vision Labs公司最近推出的Helios Time of Flight相机,配备了索尼DepthSense IMX556PLR背照式图像传感器,分辨率640×480,使用四个850nm VCSEL激光二极管,工作距离6m。该相机提供30fps的帧率,主要针对的应用包括机器人导航、3D检查和物流自动化(例如自动抓取零件和包装尺寸标注)。

   此外,LUCID公司最近还推出了用于嵌入式视觉系统的HeliosFlex 3D相机模块(见图1),该模块旨在与NVIDIA(英伟达)公司的JetsonTX2连接。该3D相机模块通过MIPI连接以60fps的速率传输原始数据,并使用LUCID的Arena软件开发套件,在TX2模块上处理深度信息。

   德国Basler公司也基于索尼的同款传感器设计了blazeToF相机。这款相机于2019年12月投产,其使用940nm的近红外VCSEL激光二极管,工作距离长达10m,帧率高达30fps。据该公司称,在装配线上,该相机可以在一秒钟内连续测量30个物体。Basler公司还提供另一款基于645×480松下传感器的ToF相机。这款ToF相机使用红外LED的脉冲光,能提供20fps的帧率和高达13m的工作范围。Basler的这两款ToF相机主要面向诸如货运体积测量、码垛、物品计数、托盘定位和自动驾驶等应用。

   德国ifmefector公司提供各种不同型号的3D ToF相机(见图2),主要面向包装、存储和物料搬运、机场物流、机器人技术和避免碰撞等应用。这些相机具有用于照明场景的主动红外光源,提供50Hz的最大读取速率。提供针对室内(352×288像素分辨率,8m范围)和室外(64×16像素分辨率,30m范围)应用的不同型号。


   图2 使用ifm efector公司的3D ToF相机,每分钟可以测量120个箱子,或每分钟检查超过240个箱子的完整性。

   “使用我们的ToF相机,每分钟可以测量120个箱子,或是以每分钟超过240个箱子的速度检查箱子的完整性。”ifmefector公司机器人感知商务拓展部的Garrett Place说道。

   ifm efector公司旗下的德国PMDTechnologies公司与德国英飞凌(Infineon)公司合作,基于PMD Technologies公司的pmd像素矩阵开发了CMOS3D ToF传感器——REAL3(见图3)。REAL3ToF传感器由英飞凌出售,可提供224×172、352×288和448×336等多种分辨率选择,并将于2020年推出更高分辨率的产品。


   图3 PMD Technologies公司的CMOS 3D ToF传感器基于专有像素矩阵,可提供224×172、352×288和448×336等多种分辨率选择,并将于2020年推出更高分辨率的产品。

  基于PC的开发套件可直接从PMDTechnologies获得。picoFlexx模块采用分辨率为224×172的传感器,帧率达45fps,测量范围0.1~4m;Monstar模块采用分辨率为352×288的传感器,帧率高达60fps,测量范围0.5~6m。嵌入式系统开发套件将于2020年初提供。

   对于消费电子和手机设计,许多公司都提供基于pmd/Infineon的深度模块,包括韩国LGInnotek公司,该公司在2019年初发布的LG G8手机中提供了用于3D人脸识别的ToF模块。今年预计会有更多采用pmd/Infineon深度模块的手机问世。

   PMD Technologies公司的商务拓展和销售副总裁MitchellReifel说:“PMD和英飞凌的重点是将3D成像带入面向大众市场的设备中,例如手机、IoT设备和消费机器人。几年前,3D成像设备有砖头大小,但是今天,我们提供的3D模块只有拇指盖大小,实现了高集成度、低功耗和小尺寸。”

   德国SICK公司也提供一系列ToF3D快照相机,即其Visionary-T和Visionary-T AP(可编程)系列。这些千兆位以太网相机使用红外光(850nmLED),在144×177像素的分辨率下,每秒可提供多达50张3D图像。这些相机适用于碰撞告警、物体检测和卸垛等应用。

   此外,微软的第二代和第三代Kinect相机是ToF技术最知名的例子。最新的第三代版本AzureKinect DK,采用100万像素ToF深度传感器,在分辨率为640×576或512×512时,帧率达30fps;分辨率为1024×1024时,帧率为15fps。AzureKinect DK中还集成了一款RGB相机,该相机基于OmniVision Technologies公司的OV12A101200万像素CMOS卷帘快门传感器,在全分辨率下的帧率为30fps。

   微软表示,Azure Kinect在设计上,旨在轻松地与多个Kinect相机同时同步,并与微软的Azure云服务集成在一起,包括可以启用Azure机器学习(AzureMachine Learning)功能的Azure认知服务(Azure Cognitive Services)。该相机的目标应用包括物理治疗和康复、库存管理、智能码垛和卸垛、零件识别、异常探测,以及整合到机器人平台中。

如何理解3D ToF的速度

   在任何情况下,ToF相机基本上都可以提供某公司为其产品所列出的任何帧率的3D数据单帧。由于采用了这种技术,每帧都会产生即时的3D图像。但是,在考虑每分钟或每秒钟相机可以检查的零件或物体的数量时、或者每分钟或每秒钟相机交付的3D结果的数量时,必须要考虑处理时间。Integro Technologies公司首席视觉系统架构师DavidDechow认为,相机的帧率为50fps,并不意味着相机每秒可以检查50个箱子或零件,除了在例如对自动机器人/车辆的引导或避免干扰等情况下。

   他说:“3D ToF图像的处理是通过板载相机固件或外部处理器(例如PC)完成的。根据所需要的处理量,相机在工业应用中的实际能力(如能以多快的速度产生结果),依据应用情况千差万别。”

   该软件中的3D图像分析功能需要时间,因此在大多数工业应用中,软件很难跟上相机的帧率。Dechow解释说,尽管帧率仍然重要,但在大多数应用中,跟上给定ToF相机的图像采集速率并不现实。

激光三角测量技术

   另一种主动式3D成像技术——三角测量法,涉及激光的使用,它利用一个3D激光扫描仪将激光投射到物体的表面上,而相机则捕获那条线在物体表面上的反射。通过三角测量,可以计算每个表面点的距离,以获得物体形状的3D轮廓或外形。基于激光的3D技术需要许多单独的图像,每张图像仅包含要检查的对象的一行,来创建需要检查的对象或特征的完整3D图像。因此,基于激光的技术总体上比ToF慢,但比某些结构光技术快。

   加拿大LMITechnologies公司在其Gocator 3D激光轮廓仪中使用了激光三角测量技术。该公司表示,G1300系列能达到32kHz的原始扫描速度,而Gocator2500系列(见图4)具有10kHz的完整检查速度,这意味着以10kHz的速率扫描、测量和控制整个传感器上的单个轮廓(一条图像线)。


   图4 LMI Technologies公司的Gocator 2500 3D激光轮廓仪以10kHz的频率扫描、测量和控制整个传感器上的单个轮廓(一条图像线)。

   日本基恩士公司提供几种3D激光轮廓仪,专门用于2D和3D在线测量和检查。据该公司称,该产品线使用户能够选择最适合应用的技术规格和预算要求的传感器和控制器。更高分辨率的LJ-X系列和更高速的LJ-V系列,都可以与三个控制器(2D/3D、2D和原始数据输出)中的任何一个配对。这种配置在焊接/焊缝检查、面差和间隙测量,或360度缺陷探测等应用中,支持质量控制和工艺改进。

   LJ-X和LJ-V系列都集成了2M级蓝光激光器(405nm)和控制器单元,该控制器单元设计用于高速处理数据和输出判断值。两个系统分别能够实现高达4kHz和64kHz的采样速度。

   德国Micro-Epsilon公司在其ScanCONTROL系列3D激光扫描仪中,提供速率达10kHz的型号。这些扫描仪以紧凑、高速和智能形式提供,采用红光激光器(658nm)或蓝紫光激光器(405nm),测量速率高达550万点/秒,x轴分辨率高达2048点。这些产品的应用案例包括工作台上的缺陷识别、车身上的间隙测量、制动盘上的轮廓测量、焊缝轮廓测量以及胶粒检查。

   美国康耐视公司的DS1000 3D位移传感器系列提供三种型号:DS1050、DS1101和DS1300,它们基于相同的设计但提供不同的视场(近场和远场)、净距离、测量范围,以及X轴分辨率和Z轴分辨率。DS1000激光扫描仪可提供高达10kHz的扫描速率,其目标应用包括汽车、电子产品和消费品以及食品和药品检查。康耐视还提供DSMax 3D激光位移传感器,该传感器可达到18kHz的扫描速率,能在31mm的视场内采集2000个轮廓点图像。DSMax传感器主要用于检查非常小的零件,例如具有高反射或深色特征的电子零件。

   SICK公司在其TriSpector1000和TriSpectorP1000(可编程)3D线扫描传感器中提供了几种型号,这些型号在最大工作距离下具有不同的最大高度范围、窗口材料类型和宽度。

   TriSpectorP1000传感器的目标应用包括3D机器人引导、轮廓验证、边缘和表面缺陷探测以及焊缝检查;而TriSpector1000传感器则适用于消费品的质量控制、箱子的完整性以及食品加工应用中的产品尺寸测量。这两个系列均使用可见红光激光(660nm),并能实现每秒扫描2000个3D轮廓的扫描帧率。

   此外,SICK公司的Ranger系列3D相机,具有MultiScan工具,可同时测量3D形状、对比度、颜色和散射。Ranger3D相机的目标应用包括高速3D检查、轮胎几何形状检查、太阳能电池检查中的颜色和3D托盘检查,以及木材测量。

   最新的Ranger相机Ranger3系列,其中的V3DR3-60NE31111型号是一款紧凑版本。这款外观尺寸为77mm×55mm×55mm的相机,基于SICK公司的CMOS图像传感器,可以处理其全帧成像器像素(560×832),能以7kHz的速率创建具有2560个值的3D轮廓。这款兼容GenICam的GigEVision相机,可以实现每秒处理高达15.4G像素的处理速度。Ranger3相机适用于电子和PCB检查、轮胎质量控制,以及包装和在线食品质量控制等应用。

   SICK公司提供的其他基于激光三角测量技术的3D传感器中,包括RulerE线扫描传感器,该传感器使用可见光红光激光(660nm±15nm),能实现每秒扫描1万个3D轮廓的扫描速率。

   德国AT(AutomationTechnology)公司的C5系列3D传感器,可提供4KUHD分辨率,能以高达20万个轮廓/秒的速度采集3D数据。这些传感器提供用于外部照明的集成控制、集成的Scheimpflug适配器、GigE Vision界面以及3D扫描功能,例如自动启动、自动追踪感兴趣区域(AOI)和多个AOI。

   C5-CS系列的3D传感器采用紧凑的IP67外壳封装,其中集成了3D技术和激光电子产品。它们使用CMOS图像传感器、FPGA和集成的3D评估算法。C5-CS传感器的轮廓扫描速度高达200kHz,轮廓分辨率高达4096点/轮廓,并且提供与C5传感器相同的3D扫描功能。探测器和光学元件是根据Scheimpflug原理进行布置的。此外,经过工厂校准的C5-CS传感器还提供GigEVision接口,并提供一系列采用蓝光激光(405nm,2M/3R/3B类)或红光激光(660nm,2M/3B类)的产品。

   AT公司最近推出的MCS系列3D传感器,提供与C5-CS传感器相同的性能,但具有模块化概念,使用户可以自由配置以适应各种应用。AT公司称,其所有的3D传感器型号均适用于印刷电路板检查、焊缝检查、轮胎检查、胶珠检查、球栅阵列检查和木材表面检查等应用。

如何理解基于激光技术的3D成像速度

   基于激光三角测量技术的3D成像速度,比ToF相机的速度略微复杂,当然依旧可以比较这两种技术的成像速度。

   Dechow说:“将640×480 ToF相机的速度与基于激光的3D成像技术相比较,需要计算出多少行,以及使用这种技术获得480条线需要花多长时间。”

   Dechow解释说,不管厂商用什么方式标注其3D传感器的速度(无论是采集速度,亦或是采集和处理速度),在基于激光的3D成像技术中,一个不变之处是:这些传感器通过一次扫描一行信息将连续的图像组合在一起。在单个应用需求的背景下考虑此类传感器的速度时,需要牢记这至关重要的一点。