2D, 2,5D и 3D технологии в машинном зрении

Технология машинного зрения является важной частью современной промышленной автоматизации и интеллектуального производства, она широко применяется в таких областях, как инспекция, навигация, контроль качества и других. Среди них 2D, 2,5D и 3D технологии зрения являются тремя ключевыми технологиями, каждая из которых обладает различными характеристиками и сценариями применения.

I. 2D технология зрения: плоское изображение, простота и эффективность

1. Технические характеристики

технология 2D зрения обрабатывает плоские изображения, что похоже на фотографирование камерой и выполнение задач путем анализа этой фотографии. Основные этапы включают:

Получение изображения: использование промышленных камер для захвата черно-белых или цветных изображений, освещение используется для улучшения четкости фотографий.

Предварительная обработка: усиление ключевой информации на изображении с помощью фильтрации или повышения контраста.

Извлечение признаков: определение признаков, таких как прямые линии, контуры или угловые точки на фотографиях.

Распознавание образов: использование алгоритмов для определения того, что представляют эти признаки, например текст или узоры.

Измерение и позиционирование: Вычисление размера и положения объекта.

Обнаружение дефектов: Сравнение с эталонными изображениями для выявления проблемных участков.

2. Сценарии применения

2D-визионная технология подходит для задач, где достаточно поверхностного анализа, а информация о толщине объекта не требуется, например:

Проверка правильности печати этикеток на продуктах в заводских условиях.

Сканирование штрих-кодов на логистических упаковках.

Обнаружение царапин или загрязнений на поверхностях печатных плат.

3. Преимущества и ограничения

Преимущества: Простое оборудование, низкая стоимость, высокая скорость обработки, подходит для быстрого выполнения задач большого объема.

Ограничения: Невозможно определить высоту или глубину объекта, неэффективна для сложных форм или частично закрытых объектов.

II. 2.5D Визионная технология: Добавление высоты, полуобъемное изображение

1. Технические характеристики

2.5D визионная технология добавляет к 2D одному измерению — высоте объекта. Это не полноценная 3D-модель, а изображение плоскости с отметкой высоты в каждой точке, получаемое с помощью лазеров или камер глубины. Распространенные методы включают:

Измерение контура: сканирование поверхности объекта с помощью лазера для измерения изменений высоты.

Карта глубины: использование специальных камер для создания изображений с информацией о высоте.

Проще говоря, 2,5D похож на добавление «метки высоты» к плоским фотографиям, но просматривать можно только с одного угла.

2. Применимые сценарии

2,5D подходит для сценариев, где требуется высота объекта, но не полная 3D-форма, например:

Проверка, являются ли высоты компонентов на печатных платах нормальными.

Измерение, являются ли поверхности объектов плоскими или имеют неровности.

Помощь роботам в определении высоты препятствий во время навигации.

3. Преимущества и ограничения

Преимущества: содержит больше информации о высоте, чем 2D, но дешевле и проще, чем 3D; хорошее соотношение цены и качества.

Ограничения: можно просматривать только с одного угла; не может обрабатывать сложные 3D-структуры или заслонение нескольких поверхностей.

III. Технология 3D-визуализации: Полный стереоэффект, насыщенная информация

1. Технические характеристики

технология 3D-визуализации может полностью передать 3D-форму объекта и его пространственное положение, словно нарисовать панорамную картину объекта. Методы реализации включают:

Стереозрение: Использование нескольких камер для фотографирования с разных углов и вычисления глубины.

Лазерное сканирование: Сканирование поверхности объекта лазером для записи формы.

Структурированный свет: Проекция световых узоров на объекты и реконструкция 3D-формы на основе деформации.

Время пролета (ToF): Измерение времени излучения и возврата света для вычисления расстояния.

3D-реконструкция: Использование нескольких фотографий или данных облака точек для построения 3D-моделей.

2. Применяемые сценарии

3D-технология подходит для задач, требующих точной 3D-информации, например:

Направление роботов для захвата неправильных объектов.

Проверка правильности сборки сложных деталей.

Измерение объема груза в логистике для оптимизации пространства.

Создание стереокарт окружения в автономном вождении.

3. Преимущества и ограничения

Преимущества: предоставляет полную пространственную информацию; справляется со сложными сценариями и высокой точностью.

Ограничения: сложное оборудование, высокая стоимость, медленная обработка, требует больше вычислительных ресурсов.

IV. Сравнение 2D, 2,5D и 3D: ясно с первого взгляда

1. Сравнение технических характеристик

2. Решаемые задачи

2D-визия: превосходно справляется с плоскостными задачами, например, считывает штрих-коды, проверяет цвет/текст.

2,5D-визия: решает простые задачи, связанные с высотой, например, обнаруживает дефекты поверхности или проверяет высоту компонентов.

3D-визия: подходит для сложных 3D-задач, например, для определения положения неправильных объектов или анализа пространственных соотношений.

3. Примеры практического применения

(1) Автомобильное производство:

2D: Проверка покрытия кузова автомобиля и маркировки деталей

2,5D: Измерение плоскостности поверхности кузова автомобиля

3D: Наведение сварочных роботов или манипуляторов деталей

(2) Электронная промышленность:

2D: Проверка пайки на поверхности печатной платы

2,5D: Определение высоты компонентов

3D: Проверка сложной сборки компонентов

(3) Логистика:

2D: Сканирование этикеток упаковки

2,5D: Измерение высоты упаковки

3D: Расчет объема упаковки, оптимизация хранения

V. Технологические тенденции: Конвергенция и развитие

Современные технологии машинного зрения быстро развиваются. Технологии 2D, 2,5D и 3D постепенно сближаются:

Распространение 2,5D: Снижение цен на камеры глубины, делает их практичным выбором для многих задач.

Использование ИИ: Применение искусственного интеллекта для анализа изображений и 3D-данных с целью повышения точности результатов.

Слияние технологий: Некоторые системы гибко переключаются между тремя технологиями в зависимости от выполняемых задач, что повышает общую эффективность.

VI. Заключение: Выбор правильной технологии – ключевой фактор

технологии визуализации 2D, 2,5D и 3D обладают собственными преимуществами:

2D: Простой и быстрый, подходит для поверхностных задач

2,5D: Добавляет информацию о высоте, подходит для средних требований

3D: Мощный функционал, подходит для сложных 3D-задач