Comment une augmentation de 20 dB de la plage dynamique transforme la numérisation 3D industrielle

Généralement, plus vous scannez loin, plus c'est flou.

La numérisation 3D industrielle butait sur un mur : soit on scanne précisément, soit on scanne loin. Le scanner 3D PhoXi Gen3, lui, brise cette limitation grâce à une multitude d'améliorations comme la technologie laser bleu ou la plage dynamique étendue.

Grâce aux dernières améliorations, vous pouvez désormais automatiser le chargement de camions, la palettisation profonde et l'assemblage à grande échelle.

Mais qu'est-ce que la plage dynamique au juste ?

Qu'est-ce que la plage dynamique en numérisation 3D

La plage dynamique en numérisation 3D représente le rapport entre les signaux lumineux les plus forts et les plus faibles qu'un capteur peut capturer et traiter efficacement.

Mesurée en décibels (dB), cette spécification détermine directement la capacité d'un scanner à extraire des données 3D significatives de scènes difficiles, particulièrement à distances étendues.

Dans les dispositifs de numérisation à lumière structurée comme le scanner 3D PhoXi, un projecteur laser crée des motifs sur les objets cibles tandis que des caméras capturent la lumière réfléchie pour calculer les coordonnées 3D.

Le défi réside dans la physique. À mesure que la distance augmente, la lumière projetée se disperse et s'affaiblit selon la loi inverse du carré, tandis que les signaux réfléchis deviennent de plus en plus faibles.

Objets de matériaux et textures divers, nuage de points coloré Objets de matériaux et textures divers, normales

Le problème de la distance

La physique fondamentale qui joue contre la numérisation 3D à longue portée inclut :

• Dégradation du signal : L'intensité lumineuse diminue avec le carré de la distance.
• Interférence de bruit : Les sources de lumière ambiante entrent en compétition avec les motifs de lumière structurée.
• Défis d'exposition : Les objets distants nécessitent des expositions plus longues, augmentant le risque de flou de mouvement.
• Déclin du rapport signal/bruit : Les signaux faibles se perdent dans le bruit de fond.

Cela crée ce que les ingénieurs appellent le « dilemme surexposition vs sous-exposition » – les réglages qui capturent les objets distants saturent souvent les surfaces proches, tandis que les réglages optimisés pour les objets proches ne détectent pas les caractéristiques distantes.

Comment le PhoXi 3D Scanner Gen3 atteint une plage dynamique améliorée

Le PhoXi 3D Scanner Gen3 obtient l'amélioration de l'extension de la plage dynamique par une approche d'ingénierie multi-composants qui adresse chaque aspect de la chaîne de capture et de traitement du signal.

Approche d'ingénierie multi-composants

1. Technologie de projection laser bleu

La transition du laser rouge au laser bleu apporte plusieurs avantages basés sur la physique :

• Avantages de la longueur d'onde plus courte : La lumière laser bleue a une longueur d'onde plus courte que le rouge, offrant moins de bruit grâce à des structures de speckle plus fines et des motifs de bruit spectral qui perturbent moins les données capturées.
• Diffusion améliorée : Les longueurs d'onde plus courtes se diffusent plus efficacement sur une plus grande variété de surfaces, améliorant la lisibilité des motifs sur divers matériaux.
• Augmentation de 50 % de l'énergie de projection : La génération redessinée avec unité de projection laser bleu délivre 50 % d'énergie lumineuse en plus dans la même classe de sécurité laser, améliorant la force du signal à distance.

Motif de lumière structurée du Laser Bleu

2. Technologie de capteur 5,1 MP avancée

La nouvelle architecture de capteur incorpore plusieurs améliorations critiques :

• Sensibilité améliorée : Meilleure capacité de capture de signal pour les réflexions faibles d'objets distants.
• Rapport signal/bruit amélioré : Conception de pixel avancée réduisant l'interférence de bruit.
• Capacité de plage dynamique étendue : Prise en charge au niveau matériel pour le traitement de signaux sur une gamme d'intensité beaucoup plus large.

3. Traitement haute plage dynamique (HDR)

Des algorithmes sophistiqués intégrés directement dans le dispositif fournissent :

• Traitement HDR en temps réel : Traitement logiciel et au niveau du capteur avancé qui gère des variations de signal extrêmes.
• HDR multi-exposition : Une seule image détaillée pour des scènes complexes avec des distances mixtes.
• Suppression du bruit : Techniques de filtrage avancées qui préservent les signaux faibles tout en éliminant les interférences.

4. Système optique optimisé

Redesign complet des composants optiques incluant :

• Lentilles améliorées : Efficacité de collecte de lumière accrue et meilleure mise au point sur des portées étendues.
• Filtres optiques avancés : Filtrage optimisé pour les longueurs d'onde laser bleu et suppression de la lumière ambiante.
• Meilleure transmission de lumière : Pertes optiques réduites sur l'ensemble du chemin optique.

Performance réelle : jusqu'à 6+ mètres de distance

La génération précédente du PhoXi 3D Scanner a établi des références industrielles avec un balayage fiable jusqu'à plus de 4 mètres.

Le Gen3 étend cette capacité à 6+ mètres avec des démonstrations expérimentales atteignant plusieurs dizaines de mètres lorsque les volumes de balayage sont ouverts.

Comment ouvrir le volume d'étalonnage ? Voici le guide rapide de Tomas Michalik :

Résultats expérimentaux

Ouvrir le volume de balayage n'est pas qu'un concept théorique. Nous avons déjà démontré des applications réelles utilisant cette technique :

• Balayage de remorque à 17 mètres : Les systèmes de chargement automatisé de camions détectent avec succès les objets étrangers sur toute la longueur des remorques d'expédition.
• Opérations de palettisation profonde : Systèmes opérant depuis une hauteur de 5,2 mètres tout en maintenant la précision pour des piles de 2,6 mètres.
• Applications à grand champ de vision : Solutions mono-capteur remplaçant des configurations multi-capteurs complexes.

Scan 3D d'un camion depuis une distance de 16 mètres

Comment votre application peut bénéficier de la plage dynamique étendue

1. Architecture système simplifiée

Approche multi-capteurs traditionnelle :

• Plusieurs scanners 3D nécessitant un étalonnage précis
• Algorithmes complexes de fusion de données
• Points de défaillance accrus et exigences de maintenance
• Coûts initiaux et complexité d'intégration plus élevés

Solution mono-capteur PhoXi Gen3 :

• Couverture complète avec un seul dispositif
• Complexité d'étalonnage entre capteurs éliminée
• Coûts matériels et temps d'installation réduits
• Procédures de maintenance simplifiées

2. Flexibilité d'application améliorée

Applications logistiques :

• Inspection de chargement automatisé de camions : La capacité de scanner l'intérieur de remorques de 17+ mètres permet une détection complète d'objets étrangers avant les opérations de chargement, éliminant le besoin de multiples capteurs ou processus d'inspection manuelle.
• Systèmes de palettisation profonde : Des capteurs montés à 5,2 mètres au-dessus des opérations peuvent guider avec précision des robots collaboratifs à travers des tâches de palettisation complexes sur des piles de 2,6 mètres, permettant des opérations d'entrepôt entièrement automatisées.
• Manipulation de grands conteneurs : Les systèmes de manipulation de KLT (bacs) bénéficient du balayage à portée étendue des bords fins, permettant aux grands robots industriels de manipuler plusieurs couches efficacement tout en maintenant la précision.

Bac d'épicerie avec matériaux transparents

Applications automobiles :

• Prélèvement en bac profond surélevé : Les grands robots industriels peuvent maintenant travailler avec des bacs profonds tandis que les capteurs maintiennent des distances de sécurité, éliminant les risques de collision et améliorant la sécurité opérationnelle.
• Détection de panneaux latéraux : Une couverture complète du champ de vision permet la localisation de trous de fixation et des capacités d'inspection simultanées, simplifiant les processus d'assemblage complexes qui nécessitaient auparavant plusieurs systèmes de vision.
• Prélèvement de pièces post-estampage : Les capteurs peuvent être positionnés à des distances de sécurité des opérations d'estampage tout en maintenant le champ de vision nécessaire pour manipuler diverses géométries de pièces depuis une seule ligne d'estampage.
• Inspection de grands sous-châssis : Les composants automobiles Giga Press et hyper cast nécessitent un balayage multi-perspective pour le contrôle qualité, la détection de bavures et la vérification dimensionnelle – applications désormais rendues possibles par les capacités de portée étendue.

Pour en savoir plus sur les applications de nos capteurs 3D dans l'industrie automobile, regardez le webinaire Vision 3D & Robotique IA que nous avons fait en collaboration avec inVISION Days :

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3. Avantages opérationnels

La plage dynamique étendue se traduit par des améliorations opérationnelles significatives :

• Positionnement flexible du capteur : Les distances de sécurité par rapport aux systèmes robotiques ne compromettent plus la capacité de balayage.
• Manipulation d'objets mixtes : Des systèmes uniques peuvent traiter à la fois de petites pièces de précision et de grands ensembles.
• Temps de cycle réduits : L'élimination de la coordination multi-capteurs réduit le temps de balayage.
• Fiabilité améliorée : Moins de composants système signifie moins de points de défaillance potentiels.

La physique derrière la performance

Décortiquons comment nous avons pu atteindre cela.

Force du signal

L'amélioration de 20 dB de la plage dynamique représente une amélioration dramatique de la capacité de traitement du signal.

En termes pratiques, cela se traduit par une amélioration d'environ 100 fois de la capacité du capteur à distinguer les signaux utiles du bruit de fond.

Cette amélioration a des implications directes dans le monde réel :

• Capacité de distance : Le balayage fiable s'étend de 4 mètres à 6+ mètres
• Robustesse du signal : Précision maintenue sur toute la portée étendue
• Polyvalence des matériaux : Performance améliorée sur les surfaces difficiles à distance

Intégration de la suppression de lumière ambiante

La plage dynamique étendue fonctionne en synergie avec la technologie de Suppression de Lumière Ambiante (ALS) 3.0 de Photoneo. La combinaison permet :

• Capacité de balayage en extérieur : Les conditions de soleil direct n'empêchent plus la capture fiable de données 3D
• Tolérance à l'éclairage variable : Les systèmes maintiennent la performance alors que les conditions ambiantes changent pendant les périodes opérationnelles
• Flexibilité multi-environnement : Des configurations uniques fonctionnent de manière fiable dans divers scénarios d'éclairage

L'implémentation technique utilise des techniques astucieuses d'opération du capteur et des algorithmes de traitement pour éliminer l'influence de la lumière ambiante de plusieurs ordres de grandeur.

Elle « éteint » efficacement l'interférence de l'éclairage environnemental.

Scan 3D en extérieur de boîtes réalisé en plein soleil – PhoXi 3D Scanner Gen3

Applications et cas d'utilisation industriels

Logistique et entreposage

• Systèmes d'inspection de remorques : Les opérations de chargement automatisé de camions nécessitent la vérification que les remorques sont vides avant le début du chargement. La capacité du PhoXi Gen3 à scanner la longueur complète de 17 mètres des remorques d'expédition élimine le besoin de multiples capteurs ou processus d'inspection manuelle, améliorant significativement l'efficacité opérationnelle.
• Opérations de palettisation avancées : Les systèmes de palettisation profonde bénéficient dramatiquement des capacités de portée étendue. Des capteurs montés à 5,2 mètres au-dessus des opérations peuvent guider des robots collaboratifs à travers des opérations d'empilage complexes tout en maintenant la précision nécessaire pour une construction de palette stable.
• Traitement de colis : Les systèmes de dimensionnement rapide et détection de défauts dans les opérations logistiques à haut volume nécessitent la flexibilité de gérer des paquets de tailles radicalement différentes dans le même volume de balayage. La plage dynamique étendue permet des solutions mono-capteur pour les opérations à tailles mixtes.
• Palettisation mixte : Les exigences de balayage multi-perspective dans les opérations de palettisation mixte bénéficient de la capacité d'utiliser des capteurs rouge et bleu simultanément, réduisant le temps de balayage de 50 % tout en maintenant une couverture complète.

Scan 3D coloré d'objets clairs et sombres à 6 mètres de profondeur, nuage de points Normales

Fabrication automobile

• Prélèvement en bac profond : Les grands robots industriels travaillant avec des bacs profonds nécessitent des capteurs positionnés à des distances de sécurité. La capacité de portée étendue maintient la précision et la couverture complète du champ de vision même lorsque les capteurs sont montés bien au-dessus de la zone de travail.
• Contrôle qualité de grands composants : Les composants automobiles Giga Press et hyper cast représentent une nouvelle catégorie de défis de fabrication. Ces grands moulages en pièce unique nécessitent une inspection complète pour les bavures, la précision dimensionnelle et la qualité de surface. Le balayage multi-perspective avec capteurs à portée étendue permet une vérification qualité complète.
• Localisation de pièces complexes : La détection de panneaux latéraux et applications similaires nécessitent souvent la localisation de caractéristiques spécifiques (trous de fixation) tout en maintenant la conscience de la géométrie complète du composant. La portée étendue et la complétude améliorée permettent une compréhension complète qui était auparavant impossible avec un seul capteur.
• Vérification d'assemblage : Les grands ensembles automobiles nécessitent des systèmes de vérification qui peuvent capturer les relations géométriques complètes tout en maintenant des distances de sécurité par rapport aux équipements de production actifs.

Applications émergentes

• Inspection de panneaux solaires : La combinaison de plage dynamique étendue et suppression de lumière ambiante permet des applications d'inspection en extérieur auparavant impossibles avec les systèmes à lumière structurée.
• Applications ferroviaires : L'inspection de roues de train et la surveillance de pantographes bénéficient de la capacité de maintenir des distances de sécurité tout en capturant des données géométriques précises.

Comment l'implémentation fonctionne

Fonctionnalités d'intégration faciles

Le PhoXi Gen3 rend les capacités de portée étendue accessibles via des interfaces conviviales :

Extension du volume d'étalonnage en un clic : La fonctionnalité « Ouvrir le volume d'étalonnage » permet aux utilisateurs d'étendre la portée de balayage au-delà des paramètres par défaut avec un seul clic, accessible via :

• Interface graphique PhoXi Control
• Intégration API
• Protocoles GigE Vision

Options de configuration flexibles : De multiples options de résolution assurent que les utilisateurs existants des générations précédentes peuvent mettre à niveau tout en conservant des paramètres opérationnels familiers. Les nouvelles installations peuvent profiter pleinement des capacités étendues.

Avantages de conception système

Flexibilité de montage : La capacité de portée étendue offre une flexibilité significative dans le positionnement du capteur, permettant :

• Optimisation des distances de sécurité autour des systèmes robotiques
• Complexité mécanique réduite dans les systèmes de montage de capteurs
• Accessibilité améliorée pour la maintenance et le service

Architecture évolutive : Les systèmes peuvent être configurés avec un seul capteur pour la plupart des applications, avec des configurations multi-capteurs disponibles pour les scénarios les plus exigeants. Les options laser rouge et bleu permettent un balayage véritablement simultané sans interférence.