Wie eine Steigerung des Dynamikumfangs um 20 dB das industrielle 3D-Scannen verändert

Normalerweise wird es umso unschärfer, je weiter Sie scannen.

Das industrielle 3D-Scannen stößt an Grenzen:Sie können entweder genau oder weit scannen. Der PhoXi 3D Scanner Gen3 durchbricht diese Einschränkung jedoch dank einer Vielzahl von Verbesserungen wie der blauen Lasertechnologie oder dem erweiterten Dynamikbereich.

Dank der neuesten Verbesserungen können Sie jetzt die LKW-Beladung, die Tiefpalettierung und die Großmontage automatisieren. 

Aber wie groß ist der Dynamikumfang überhaupt? 

Was ist der Dynamikbereich beim 3D-Scannen?

Der Dynamikbereich beim 3D-Scannen stellt das Verhältnis zwischen den stärksten und schwächsten Lichtsignalen dar, die ein Sensor effektiv erfassen und verarbeiten kann. 

Gemessen in Dezibel (dB) bestimmt diese Spezifikation direkt die Fähigkeit eines Scanners, aussagekräftige 3D-Daten aus anspruchsvollen Szenen zu extrahieren, insbesondere aus größeren Entfernungen.

In 3D-Scangeräten mit strukturiertem Licht wie dem PhoXi 3D-Scanner erzeugt ein Laserprojektor Muster auf Zielobjekten, während Kameras das reflektierte Licht erfassen, um 3D-Koordinaten zu berechnen. 

Die Herausforderung liegt in der Physik. Mit zunehmender Entfernung breitet sich das projizierte Licht nach dem umgekehrten Quadratgesetz aus und wird schwächer, während reflektierte Signale zunehmend schwächer werden.

Objekte aus verschiedenen Materialien und Texturen, bunte Punktwolke Objekte verschiedener Materialien und Texturen, Normalen

Das Entfernungsproblem

Zu den grundlegenden physikalischen Faktoren, die dem 3D-Scannen über große Entfernungen entgegenwirken, gehören:

• Signalverschlechterung: Die Lichtintensität nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab.
• Lärmstörungen: Umgebungslichtquellen konkurrieren mit den strukturierten Lichtmustern.
• Belichtungsherausforderungen: Entfernte Objekte erfordern längere Belichtungszeiten, was das Risiko von Bewegungsunschärfe erhöht.
• Abnahme des Signal-Rausch-Verhältnisses: Schwache Signale gehen im Hintergrundrauschen unter.

Dies führt zu dem, was Ingenieure das „Überbelichtungs- vs. Unterbelichtungs-Dilemma“ nennen:Einstellungen, die entfernte Objekte erfassen, übersättigen häufig nahegelegene Oberflächen, während Einstellungen, die für nahe Objekte optimiert sind, entfernte Merkmale nicht erkennen können.

Wie der PhoXi 3D Scanner Gen3 einen verbesserten Dynamikbereich erreicht

Der PhoXi 3D-Scanner Gen3 erreicht eine Verbesserung der Erweiterung des Dynamikbereichs durch einen mehrkomponentigen technischen Ansatz, der jeden Aspekt der Signalerfassungs- und -verarbeitungskette berücksichtigt.

Mehrkomponenten-Engineering-Ansatz

1. Blaue Laserprojektionstechnologie

Der Übergang von der roten zur blauen Laserprojektion bietet mehrere physikalische Vorteile:

• Vorteile kürzerer Wellenlängen: Blaues Laserlicht hat im Vergleich zu rotem Laserlicht eine kürzere Wellenlänge und sorgt durch feinere Speckle-Strukturen und spektrale Rauschmuster, die die erfassten Daten weniger stören, für weniger Rauschen.
• Verbesserte Streuung: Kürzere Wellenlängen streuen effektiver auf einer größeren Vielfalt von Oberflächen und verbessern so die Lesbarkeit von Mustern auf verschiedenen Materialien.
• 50 % Steigerung der Projektionsenergie: Die neu gestaltete Generation mit blauer Laserprojektionseinheit liefert 50 % mehr Lichtenergie bei gleicher Lasersicherheitsklasse und verbessert so die Signalstärke auf Distanz

Strukturiertes Lichtmuster des blauen Lasers

2. Fortschrittliche 5,1-MP-Sensortechnologie

Die neue Sensorarchitektur beinhaltet mehrere entscheidende Verbesserungen:

• Erhöhte Empfindlichkeit: Bessere Signalerfassungsfähigkeit für schwache Reflexionen von entfernten Objekten
• Verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis: Fortschrittliches Pixeldesign reduziert Rauschstörungen
• Erweiterter Dynamikbereich: Unterstützung auf Hardwareebene für die Verarbeitung von Signalen über einen viel größeren Intensitätsbereich

3. High-Dynamic-Range-Verarbeitung

Ausgefeilte Algorithmen, die direkt in das Gerät integriert sind, bieten Folgendes:

• Echtzeit-HDR-Verarbeitung: Fortschrittliche Software und Verarbeitung auf Sensorebene, die extreme Signalschwankungen verarbeiten kann
• Mehrfachbelichtung HDR: Ein einzelnes, detailliertes Bild für komplexe Szenen mit gemischten Entfernungen.
• Geräuschunterdrückung: Fortschrittliche Filtertechniken, die schwache Signale bewahren und gleichzeitig Interferenzen eliminieren

4. Optimiertes optisches System

Die vollständige Neugestaltung optischer Komponenten umfasst:

• Verbesserte Linsen: Verbesserte Lichtsammeleffizienz und bessere Fokussierung über erweiterte Bereiche
• Erweiterte optische Filter: Optimierte Filterung für blaue Laserwellenlängen und Umgebungslichtunterdrückung
• Bessere Lichtdurchlässigkeit: Reduzierte optische Verluste im gesamten Lichtweg

Reale Leistung:Bis zu 6+ Meter Distanz

Die vorherige Generation des PhoXi 3D-Scanners setzte mit zuverlässigem Scannen bis zu einer Entfernung von mehr als 4 Metern Branchenmaßstäbe. 

Der Gen3 erweitert diese Fähigkeit auf mehr als 6 Meter, wobei experimentelle Demonstrationen mehrere zehn Meter erreichen, wenn Scanvolumina geöffnet werden.

Sie fragen sich, wie Sie das Scanvolumen öffnen können? Hier ist die Kurzanleitung von Tomas Michalik:

Experimentelle Ergebnisse

Die Öffnung des Scanvolumens ist nicht nur ein theoretisches Konzept. Wir haben mit dieser Technik bereits reale Anwendungen demonstriert: 

• 17-Meter-Anhänger-Scanning: Automatisierte Lkw-Beladungssysteme erkennen Fremdkörper erfolgreich über die gesamte Länge von Transportanhängern
• Tiefpalettierung: Systeme, die aus einer Höhe von 5,2 Metern arbeiten und gleichzeitig die Präzision für 2,6 Meter hohe Stapel beibehalten.
• Anwendungen mit großem Sichtfeld: Einzelsensorlösungen ersetzen komplexe Multisensorkonfigurationen

3D-Scan eines LKWs aus einer Entfernung von 16 Metern

Wie kann Ihre Anwendung vom erweiterten Dynamikbereich profitieren?

1. Vereinfachte Systemarchitektur

Traditioneller Multisensor-Ansatz:

• Mehrere 3D-Scanner erfordern eine präzise Kalibrierung
• Komplexe Daten-Stitching-Algorithmen
• Erhöhte Fehlerquellen und Wartungsanforderungen
• Höhere Anfangskosten und höhere Integrationskomplexität

PhoXi Gen3 Einzelsensorlösung:

• Komplette Abdeckung mit einem Gerät
• Kalibrierungskomplexität zwischen Sensoren eliminiert
• Reduzierte Hardwarekosten und Installationszeit
• Vereinfachte Wartungsverfahren

2. Verbesserte Anwendungsflexibilität

Logistikanwendungen:

• Automatisierte Inspektion der LKW-Beladung: Die Möglichkeit, Anhängerinnenräume von mehr als 17 Metern Länge zu scannen, ermöglicht die vollständige Erkennung von Fremdkörpern vor dem Ladevorgang, wodurch mehrere Sensoren oder manuelle Inspektionsprozesse überflüssig werden.
• Tiefpalettierungssysteme: Sensoren, die 5,2 Meter über den Betriebsabläufen angebracht sind, können kollaborative Roboter präzise durch komplexe Palettieraufgaben auf 2,6 Meter hohen Stapeln führen und so einen vollautomatischen Lagerbetrieb ermöglichen.
• Umschlag von Großcontainern: KLT-Manipulationssysteme (Behälter) profitieren von der erweiterten Scanreichweite dünner Kanten und ermöglichen es großen Industrierobotern, mehrere Schichten effizient zu handhaben und gleichzeitig die Präzision beizubehalten.

Einkaufskorb mit transparenten Materialien

Automobilanwendungen:

• Hochmontierte Bin-Picking: Große Industrieroboter können jetzt mit tiefen Behältern arbeiten, während Sensoren sichere Sicherheitsabstände einhalten, wodurch Kollisionsrisiken vermieden und die Betriebssicherheit verbessert werden.
• Seitenwanderkennung: Die vollständige Abdeckung des Sichtfelds ermöglicht die Lokalisierung von Montagelöchern und gleichzeitige Inspektionsmöglichkeiten, wodurch komplexe Montageprozesse vereinfacht werden, für die zuvor mehrere Bildverarbeitungssysteme erforderlich waren.
• Teileauswahl nach dem Stempeln: Sensoren können in sicherer Entfernung von Stanzvorgängen positioniert werden und gleichzeitig das Sichtfeld beibehalten, das für die Bearbeitung unterschiedlicher Teilegeometrien von einer einzigen Stanzlinie aus erforderlich ist.
• Inspektion des großen Hilfsrahmens: Giga Press- und Hypercast-Automobilkomponenten erfordern multiperspektivisches Scannen zur Qualitätskontrolle, Graterkennung und Maßüberprüfung – Anwendungen, die jetzt durch erweiterte Reichweitenfunktionen ermöglicht werden.

Um mehr über die Anwendung unserer 3D-Sensoren in der Automobilindustrie zu erfahren, sehen Sie sich das Webinar 3D Vision &AI Robotics an, das wir in Zusammenarbeit mit inVISION Days durchgeführt haben:

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3. Betriebsvorteile

Der erweiterte Dynamikbereich führt zu erheblichen betrieblichen Verbesserungen:

• Flexible Sensorpositionierung: Sicherheitsabstände von Robotersystemen beeinträchtigen nicht mehr die Scanfähigkeit.
• Gemischte Objektbehandlung: Einzelne Anlagen können sowohl kleine Präzisionsteile als auch große Baugruppen bearbeiten.
• Reduzierte Zykluszeiten: Der Wegfall der Multisensor-Koordination verkürzt die Scanzeit.
• Verbesserte Zuverlässigkeit: Weniger Systemkomponenten bedeuten weniger potenzielle Fehlerquellen.

Die Physik hinter der Leistung

Lassen Sie uns zusammenfassen, wie wir dies erreichen könnten. 

Signalstärke

Die Verbesserung des Dynamikbereichs um 20 dB stellt eine dramatische Verbesserung der Signalverarbeitungsfähigkeit dar. 

In der Praxis bedeutet dies eine etwa 100-fache Verbesserung der Fähigkeit des Sensors, nützliche Signale vom Hintergrundrauschen zu unterscheiden.

Diese Verbesserung hat direkte Auswirkungen auf die Praxis:

• Distanzfähigkeit: Zuverlässiges Scannen reicht von 4 Metern bis 6+ Metern
• Signalrobustheit: Gleichbleibende Präzision über den gesamten erweiterten Bereich
• Materialvielfalt: Verbesserte Leistung auf anspruchsvollen Oberflächen aus der Ferne

Integration der Umgebungslichtunterdrückung

Der erweiterte Dynamikbereich arbeitet synergetisch mit der Ambient Light Suppression (ALS) 3.0-Technologie von Photoneo. Die Kombination ermöglicht:

• Funktion zum Scannen im Freien: Direkte Sonneneinstrahlung verhindert nicht mehr eine zuverlässige 3D-Datenerfassung
• Variable Beleuchtungstoleranz: Systeme behalten ihre Leistung bei, wenn sich die Umgebungsbedingungen während der Betriebsperioden ändern
• Flexibilität für mehrere Umgebungen: Einzelne Konfigurationen funktionieren zuverlässig in verschiedenen Beleuchtungsszenarien

Die technische Umsetzung nutzt clevere Sensorbetriebstechniken und Verarbeitungsalgorithmen, um Umgebungslichteinflüsse um mehrere Größenordnungen zu eliminieren.

Dadurch werden Störungen durch die Umgebungsbeleuchtung effektiv „ausgeschaltet“.

3D-Scan von Kartons im Freien bei direkter Sonneneinstrahlung – PhoXi 3D Scanner Gen3

Branchenanwendungen und Anwendungsfälle

Logistik und Lagerhaltung

• Anhängerinspektionssysteme: Bei automatisierten LKW-Beladungsvorgängen muss vor Beginn der Beladung überprüft werden, ob die Anhänger leer sind. Die Fähigkeit des PhoXi Gen3, die gesamte Länge von 17 Metern von Transportanhängern zu scannen, macht mehrere Sensoren oder manuelle Inspektionsprozesse überflüssig, was die betriebliche Effizienz erheblich verbessert.
• Erweiterte Palettiervorgänge: Tiefpalettierungssysteme profitieren erheblich von der erweiterten Reichweite. Sensoren, die 5,2 Meter über den Arbeitsabläufen angebracht sind, können kollaborative Roboter durch komplexe Stapelvorgänge führen und dabei die für eine stabile Palettenkonstruktion erforderliche Präzision aufrechterhalten.
• Paketabwicklung: Schnelle Dimensionierungs- und Fehlererkennungssysteme in Logistikabläufen mit hohem Volumen erfordern die Flexibilität, Pakete mit erheblich unterschiedlichen Größen innerhalb desselben Scanvolumens zu verarbeiten. Der erweiterte Dynamikbereich ermöglicht Einzelsensorlösungen für Betriebe unterschiedlicher Größe.
• Gemischte Palettierung: Multiperspektivische Scananforderungen bei gemischten Palettiervorgängen profitieren von der Möglichkeit, rote und blaue Sensoren gleichzeitig zu verwenden, wodurch die Scanzeit um 50 % verkürzt wird und gleichzeitig die vollständige Abdeckung erhalten bleibt.

Bunter 3D-Scan von hellen und dunklen Objekten bis zu einer Tiefe von 6 Metern, Punktwolke Normalen

Automobilbau

• Deep Bin Picking: Große Industrieroboter, die mit tiefen Behältern arbeiten, benötigen Sensoren, die in sicheren Sicherheitsabständen positioniert sind. Die Fähigkeit zur erweiterten Reichweite sorgt für Präzision und vollständige Sichtfeldabdeckung, selbst wenn die Sensoren weit über dem Arbeitsbereich montiert sind.
• Qualitätsprüfung großer Bauteile: Giga Press- und Hypercast-Automobilkomponenten stellen eine neue Klasse von Fertigungsherausforderungen dar. Diese großen, einteiligen Gussteile erfordern eine umfassende Prüfung auf Grate, Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität. Multiperspektivisches Scannen mit Sensoren mit erweiterter Reichweite ermöglicht eine vollständige Qualitätsüberprüfung.
• Komplexe Teilelokalisierung: Die Erkennung von Seitenwänden und ähnliche Anwendungen erfordern häufig die Lokalisierung spezifischer Merkmale (Montagelöcher) unter Beibehaltung der Kenntnis der gesamten Bauteilgeometrie. Erweiterte Reichweite und verbesserte Vollständigkeit ermöglichen ein umfassendes Verständnis, das bisher mit einzelnen Sensoren nicht möglich war.
• Montageüberprüfung: Große Automobilbaugruppen erfordern Verifizierungssysteme, die vollständige geometrische Beziehungen erfassen und gleichzeitig Sicherheitsabstände zu aktiven Produktionsanlagen einhalten können.

Neue Anwendungen

• Inspektion von Solarmodulen: Die Kombination aus erweitertem Dynamikbereich und Umgebungslichtunterdrückung ermöglicht Inspektionsanwendungen im Freien, die mit strukturierten Lichtsystemen bisher nicht möglich waren.
• Anwendungen in der Bahnindustrie: Radinspektions- und Stromabnehmerüberwachungssysteme profitieren von der Fähigkeit, sichere Abstände einzuhalten und gleichzeitig präzise geometrische Daten zu erfassen.

So funktioniert die Implementierung 

Einfache Integrationsfunktionen

Der PhoXi Gen3 macht erweiterte Reichweitenfunktionen über benutzerfreundliche Schnittstellen zugänglich:

Ein-Klick-Kalibrierungsvolumenerweiterung: Die Funktion „Kalibrierungsvolumen öffnen“ ermöglicht es Benutzern, den Scanbereich mit einem einzigen Tastendruck über die Standardparameter hinaus zu erweitern, zugänglich über:

• Grafische Benutzeroberfläche von PhoXi Control
• API-Integration
• GigE Vision-Protokolle

Flexible Konfigurationsoptionen: Mehrere Auflösungsoptionen stellen sicher, dass bestehende Benutzer früherer Generationen ein Upgrade durchführen und dabei vertraute Betriebsparameter beibehalten können. Bei Neuinstallationen können Sie die erweiterten Funktionen voll ausnutzen.

Vorteile des Systemdesigns

Montageflexibilität: Die erweiterte Reichweite bietet erhebliche Flexibilität bei der Sensorpositionierung und ermöglicht Folgendes:

• Sicherheitsabstandsoptimierung rund um Robotersysteme
• Reduzierte mechanische Komplexität in Sensormontagesystemen
• Verbesserte Zugänglichkeit für Wartung und Service

Skalierbare Architektur: Systeme können für die meisten Anwendungen mit einzelnen Sensoren konfiguriert werden, wobei für die anspruchsvollsten Szenarien Konfigurationen mit mehreren Sensoren verfügbar sind. Die roten und blauen Laseroptionen ermöglichen ein wirklich gleichzeitiges Scannen ohne Interferenzen.