デジタルフリンジプロジェクションマシンビジョンシステムについて知っておくべきこと

デジタルフリンジプロジェクションマシンビジョンシステムは、プロジェクターとカメラを使用して、物体に触れることなくその形状を測定します。

• このシステムは、特殊なパターンを表面に投影し、変形された画像をキャプチャして、物体の形状を 3D で再構築します。
• 品質保証、リバースエンジニアリング、電子機器検査などのタスク向けに高速かつ正確な形状測定を提供します。
• この技術は、正確で非接触な形状測定を可能にし、製品品質の向上に役立つため、多くの業界でマシンビジョンに使用されています。

主要なポイント（要点）

• デジタルフリンジ投影システムは、投影されたパターンとカメラを使用して、物体に触れることなく 3D 形状を素早く測定します。
• このシステムの中核となる部分は、 デジタルプロジェクター 特殊な干渉縞パターンを作成する装置と、その変形を捉える高速カメラです。
• 高度なアルゴリズムにより、撮影した画像を分析して正確な 3D モデルを構築し、製造、品質管理、食品検査などの業界をサポートします。
• 最近の改善点としては 深い学習 適応技術により、複雑な表面や動く表面での測定速度、精度、信頼性が向上します。
• これらのシステムは、高速で正確な非接触 3D 検査を提供し、製品品質の向上とリアルタイムの産業用アプリケーションのサポートに役立ちます。

システム概要

デジタルフリンジプロジェクションマシンビジョンシステム

デジタルフリンジプロジェクション マシンビジョンシステム 高速・非接触3D測定用に設計されたフレキシブル・フリンジ投影ビジョンシステムとして際立っています。この形状測定システムは、デジタルプロジェクターとカメラを組み合わせて物体の表面を分析します。システムは物体に一連の正弦波状の縞模様を投影します。カメラは、これらの縞模様が表面上でどのように変形するかを捉えます。フレキシブル・フリンジ投影ビジョンシステムは、高度なアルゴリズムを用いて撮影した画像を分析し、位相情報を抽出します。この位相データにより、システムは物体の3D形状を高精度に再構築することができます。

デジタルフリンジ投影マシン ビジョン システムは、位相シフト正弦波縞パターンを使用する点で、他の 3D 測定テクノロジとは異なります。このシステムは、0、2π/3、-2π/3 などの特定の位相シフトを持つ複数のパターンを投影します。カメラは各ポイントでの強度変化を記録します。各画像ポイントでの位相は、これらの変化から計算されます。位相情報は、-π と +π の間のラップされた値として開始されます。システムは空間アルゴリズムを使用して位相をアンラップし、絶対位相マップを作成します。このマップは、正確な 3D 再構成に不可欠です。高度な位相コーディング手法は、特に孤立した特徴を持つオブジェクトの場合の縞の順序の曖昧さなどの問題を解決するのに役立ちます。柔軟なフリンジ投影ビジョン システムは、デジタル プロジェクター、拡張された数学モデル、高速操作を組み合わせて、正確な非接触測定を実現します。この技術は、ステレオ ビジョンや飛行時間型などの他の方法とは一線を画しています。

コアコンポーネント: プロジェクターとカメラ

フレキシブル・フリンジ・プロジェクション・ビジョンシステムの中核は、デジタル・プロジェクターと高速カメラです。プロジェクターは、多くの場合、デジタル・マイクロミラー・デバイス（DMD）技術に基づいており、対象物の表面にフリンジパターンを生成・投影します。カメラはシステムの「目」として機能し、対象物に現れる歪んだパターンを捉えます。

DMDベースのプロジェクターは、バイナリパターンをデフォーカスすることで、毎秒最大30,000個のグレースケール干渉縞パターンを投影できます。バイナリ位相マスクは、制御されたぼかしを生成することで干渉縞の品質を向上させます。この設計により、高速でも高いコントラストとパターンの鮮明さを維持できます。プロジェクターは複数のパターンを素早く切り替えることができるため、フレキシブル干渉縞投影ビジョンシステムは対象物のさまざまな特徴を捉えることができます。このシステムは、高精度な数学モデルを用いて位相データを3D座標に変換し、測定精度を向上させます。

デジタルフリンジプロジェクションマシンビジョンシステムに使用されるカメラは、厳格な技術要件を満たす必要があります。高速マシンビジョンカメラは、システムが毎秒最大12万画素の3D画像を撮影することを可能にします。この速度は、移動するベルトコンベア上での高速検査をサポートします。カメラは、幅30マイクロメートル、深さ15マイクロメートルといった微細な欠陥も検出できます。エリアスキャンカメラ、ラインスキャンカメラ、3Dカメラなど、検査タスクに応じて様々な種類のカメラが選択されます。CMOSセンサーは高速ジョブによく使用され、CCDセンサーは高感度で詳細な検査に適しています。センサーの種類、解像度、フレームレートを適切に組み合わせることで、柔軟なフリンジプロジェクションビジョンシステムは正確な結果を提供します。

正弦波パターンとDMDプロジェクター

フレキシブル・フリンジ・プロジェクション・ビジョンシステムでは、正弦波状の縞模様が重要な役割を果たします。このシステムは、塗りつぶされた2値正弦波パターンの反転画像を特定の方向に拡大することで、これらの縞模様を生成します。位相シフトは、異なる2値正弦波パターンに対応するLEDバックライト光源を切り替えることで発生します。この方法により、投影の焦点の有無にかかわらず、真の正弦波縞が保証されます。このアプローチにより可動部品が不要になり、レーザースペックルなどの問題を回避できます。このシステムは、数十MHzに達することもある非常に高速で位相シフトとパターン投影を行うことができます。

半切形（HT）正弦波縞パターンと呼ばれる新しいタイプの縞模様は、位相品質と測定精度を向上させます。この縞模様は、面積の半分が強度ゼロであるため、二値化が容易になり、誤差が低減します。テストでは、HT正弦波縞パターンは位相標準偏差誤差を約29%低減できることが示されています。高品質の正弦波縞は、3D再構成に使用される位相データの品質を向上させるため重要です。フレキシブル縞投影ビジョンシステムは、これらの縞模様を利用して、正確かつ高速な形状測定を実現しています。

フレキシブルな縞投影ビジョンシステムは、これらの利点を活かし、信頼性が高く、高速で高精度な3D計測を実現します。正弦波パターンを迅速に投影・解析する能力は、多くのマシンビジョンタスクに最適です。 縞投影形状測定この形状測定システムは、高速、正確、非接触の検査を必要とする産業をサポートします。

3D形状測定プロセス

縞投影形状測定

縞投影形状測定法は、 3D形状測定この技術では、デジタルプロジェクターを用いて物体の表面に正弦波状の干渉縞を投影します。カメラは物体に現れる変形パターンを捉えます。システムはこれらの画像を解析し、位相情報を抽出することで表面形状を明らかにします。干渉縞投影形状測定法は、非接触で高精度な3D測定を可能にします。この技術は迅速に動作し、物体に損傷を与えることはありません。

このプロセスは、周期的な干渉縞パターンの投影から始まります。カメラは、これらのパターンが物体の表面に当たった際にどのように変形するかを記録します。システムは、プロジェクターとカメラの幾何学的関係を用いて、物体上の各点の3D座標を計算します。高周波の干渉縞パターンは精度を向上させますが、位相アンラップに必要なパターンの数が多くなることが多く、このステップによって測定速度が低下する可能性があります。近年の干渉縞投影形状測定法の進歩により、必要なパターン数が削減され、精度を損なうことなく3D形状測定を高速化できます。これらの改良により、この技術は複雑で孤立した物体を効率的に測定できるようになります。

縞投影形状測定法は、様々な表面形状にも適応します。例えば、適応型縞投影法では、投影パターンの強度を調整します。この調整により、位相計算で誤差が生じる可能性のある光沢のある表面や反射面にも対応できます。この技術により、幅広い材料に対して堅牢かつ正確な結果が得られます。

縞投影形状測定法は、産業界に視覚化された3D測定を信頼性の高い方法で提供します。この技術は、品質管理、リバースエンジニアリング、そして高速かつ正確な3Dイメージングを必要とするその他多くのアプリケーションをサポートします。

位相抽出と三角測量

位相抽出 縞投影形状測定法の中核を成すのが、このシステムです。このシステムは、位相シフトした複数の縞模様を物体に投影します。カメラはこれらの画像を撮影します。次に、システムは撮影した画像からラップされた位相マップを計算します。これらのマップは、-πから+πまでの位相値を示します。次のステップは位相アンラップで、ラップされた位相を絶対位相マップに変換します。この絶対位相から、物体の真の形状が明らかになります。

キャリブレーションプロセスは、位相抽出と三角測量において重要な役割を果たします。システムはまず、カメラとプロジェクターをキャリブレーションします。キャリブレーションパラメータを用いて、それらの位置をワールド座標系にマッピングします。次に、3D測定に最適な干渉縞角度を計算し、測定に最適な干渉縞パターンを生成します。プロジェクターは固定されていますが、キャリブレーションパラメータを調整することで、システムはプロジェクターを仮想的に回転させることができます。このステップにより、システムは最適な角度で干渉縞を解析し、正確な3Dイメージングを実現します。

このシステムは、数学モデルを用いて位相データを実世界座標に関連付けます。多項式方程式を適用し、キャリブレーションパラメータを用いて位相情報を3次元座標に変換します。このプロセスは以下のとおりです。

1. 正弦波の縞模様をキャリブレーション ターゲットに投影します。
2. カメラでフリンジ画像を撮影します。
3. 特徴点の画像座標と絶対位相値を抽出します。
4. カメラパラメータとワールド座標を取得します。
5. フィッティング多項式を使用して、画像座標、絶対位相、およびワールド座標をリンクします。
6. 方程式を解いて空間関係を取得します。
7. 位相シフトとグレー コーディングを適用して、オブジェクトの表面の絶対位相値を決定します。
8. これらの値を方程式に代入して 3D 形状を再構築します。

ディープラーニングモデルは、単一の画像から位相シフト縞画像と粗いアンラップ位相マップを予測できるようになりました。この改良により、位相抽出が高速化され、リアルタイム3Dイメージングがサポートされます。

位相抽出、システムキャリブレーション、三角測量を組み合わせることで、縞投影形状測定法は正確な3D測定を可能にします。この技術は、複雑な形状の詳細なXNUMXD測定データを提供します。

測定精度要因

縞投影形状測定における測定精度は、いくつかの要因に左右されます。投影された縞模様の品質は位相計算に影響を与えます。高コントラストで高周波数のパターンは精度を向上させますが、位相アンラップのためにより多くの画像が必要になる場合があります。プロジェクターとカメラのアライメントとキャリブレーションも重要な役割を果たします。正確なシステムキャリブレーションにより、位相データが正しく3D座標に変換されます。

物体の表面特性は測定精度に影響を与える可能性があります。反射率の高い表面や暗い表面では、位相抽出に誤差が生じる可能性があります。適応型干渉縞投影技術は、投影パターンの強度を調整することで誤差を軽減し、測定結果を向上させます。

投影されるパターンの数は、速度と精度の両方に影響します。パターンが少ないほど測定速度は速くなりますが、システムは位相を正しくアンラップする必要があります。近年の技術革新により、精度を損なうことなく使用するパターン数を減らすことが可能になりました。キャリブレーションパラメータの使用を含むキャリブレーションプロセスにより、システムの高い測定精度が維持されます。

縞投影形状測定における測定精度に影響を与える主な要因をまとめた表を以下に示します。

高度な位相抽出と堅牢なキャリブレーションプロセスを備えた縞投影形状測定法は、正確な結果と信頼性の高い3次元測定を実現します。この技術は、高速、非接触、高精度なXNUMXD形状測定を必要とする幅広いアプリケーションをサポートします。

利点と制限

スピードと精度

デジタルフリンジプロジェクションマシンビジョンシステムは、高速かつ正確な 3D形状測定これらのシステムは、3Hzから30Hzの60Dビデオ取得速度を実現できます。一部の高度なシステムでは、バイナリデフォーカスパターンを使用することで、数十キロヘルツの速度を実現しています。この高速化により、解像度や精度を犠牲にすることなく、迅速な形状測定が可能になります。

• 従来のシステムはプロジェクターのリフレッシュ レート（通常は 120 Hz 程度）に依存します。
• カラー チャネルを使用すると、有効なフリンジ パターン レートを 3 倍にすることができますが、XNUMXD フレーム レートは依然としてプロジェクターに依存します。
• バイナリ デフォーカスにより、パターンの切り替えが大幅に高速化され、動的な形状の迅速な測定をサポートします。

システムのキャリブレーションとキャリブレーションプロセスは、高精度を実現する上で重要な役割を果たします。適切なキャリブレーションパラメータは、測定誤差を低減し、最終的な3D形状の忠実度を向上させます。

動きと表面の課題

これらのシステムは、移動する物体や複雑な表面をうまく処理します。高速データ取得により、システムは毎秒数百フレームをキャプチャできます。この速度により、顔の表情や心臓の鼓動といった動的なシーンを高い忠実度で追跡できます。既知の正弦波縞パターンを使用することで、 深さ測定 複雑なテクスチャを持つ表面でも、より簡単に処理できます。

バイナリデフォーカスと高速カメラにより、モーションブラーと測定誤差がさらに低減されます。例えば、研究者たちは人間の表情を60Hzで、ウサギの鼓動を166Hzで捉えました。これらの結果は、システムが高速形状測定において空間分解能と時間忠実度の両方を維持していることを示しています。ただし、プロジェクターのリフレッシュレートと投影される縞模様の品質によって、パフォーマンスが制限される可能性があります。

適応型および高ダイナミックレンジ技術

適応型およびハイダイナミックレンジ（HDR）技術は、特に複雑な表面において、測定の信頼性と精度を向上させます。ディープラーニング手法は位相アンラッピングと誤差補正を組み合わせることで、より少ない位相シフトステップで高精度な測定を実現します。このアプローチは、システムの非線形性、反射、影などによって生じる誤差を補正し、より正確な形状測定を実現します。

これらの適応型手法により、システムは反射率の高い表面や明るさの変化する表面にも対応できるようになります。また、周囲光やノイズの影響を軽減し、より信頼性の高い形状測定を実現します。

アプリケーション

積層造形

デジタルフリンジ投影マシンビジョンシステムは、積層造形において重要な役割を果たします。これらのシステムは、構造化光を造形面に投影し、歪みを捉えることで各層の詳細な3D画像を作成します。オペレーターはこれらのシステムを用いて、粉末床溶融過程におけるリコータの縞模様やスパッタなどの粉末床欠陥を検出します。このシステムは、 リアルタイム測定と検査最終部品に影響を与える前に異常を特定するのに役立ちます。層ごとの表面高さマップにより、正確な3D検査が可能になり、非破壊品質保証をサポートします。

機械学習モデル ハイダイナミックレンジ投影により、測定精度と3Dイメージングが向上します。これらの進歩により、信頼性の高い検査と測定が保証され、メーカーは試作から量産への移行を加速できます。

産業品質管理

多くの工場では、迅速かつ正確な検査のためにデジタル干渉縞投影システムを採用しています。このシステムは、位相シフトした干渉縞パターンをコンベアライン上の製品に投影します。カメラが変形したパターンを捉え、ソフトウェアが各製品の3D画像を再構成します。このプロセスにより、構造的特徴の迅速な3D検査と測定が可能になります。オペレーターは欠陥を検出し、寸法を測定し、製品が品質基準を満たしていることを確認できます。

デジタルフリンジプロジェクションは、回転機械の振動モニタリングにも役立ちます。回転軸にパターンを投影することで、多次元の振動を捉えます。この非接触測定方法は高精度で、機器の故障防止に役立ちます。この技術は、産業環境における検査速度を向上させ、ダウンタイムを削減します。

デジタルフリンジ投影システムは、幅広い製造タスクに対して信頼性の高い 3D 測定と検査を提供します。

農業および食品検査

農業および食品業界は、デジタルフリンジプロジェクションマシンビジョンシステムの恩恵を受けています。これらのシステムは、構造化光を用いて果物、野菜、包装商品の3D画像化を行います。この技術により、表面の欠陥、サイズ、形状を非接触で検査できます。農家や食品加工業者は、選別ラインにおける迅速かつ正確な測定と検査にこれらのシステムを使用しています。

3D検査により、オペレーターは傷、変形、汚染を特定できます。このシステムは高速測定をサポートし、高品質な製品のみが消費者に届くようにします。デジタルフリンジプロジェクションは、あらゆる段階で正確な検査と測定を可能にすることで、食品の安全性を向上させ、廃棄物を削減します。

進歩

ディープラーニングの統合

深い学習 デジタルフリンジ投影マシンビジョンシステムの動作原理を変革しました。この技術はニューラルネットワークを用いて3D形状測定技術を向上します。ディープラーニングは、システムが複雑な表面や高ダイナミックレンジの物体を扱うのに役立ちます。また、速度と精度のバランスも取れています。多くの研究者が、単一または複数のフリンジパターンを入力として使用する新しいネットワークアーキテクチャを開発しました。一部のネットワークでは、基準面、多段設計、またはコード化パターンを使用することで、この技術の性能を向上させています。

最近の技術の進歩には、時間分散フレームワークが含まれます。これらのフレームワークは、複数の縞模様を単なる積み重ね画像としてではなく、時間的なスライスとして処理します。このアプローチは、予測の精度と効率を向上させます。ネットワークによっては、1つまたは2つの縞模様を多数の位相シフトパターンに変換できます。また、オートエンコーダやデュアルサブネットワークを用いて位相情報を抽出できるものもあります。エンドツーエンドのフレームワークは、パターン合成と位相推定を組み合わせますが、より多くの計算能力を必要とします。

ディープラーニングは、この技術に必要な干渉縞画像の数も削減します。一部のシステムでは、4枚以上の画像ではなく、1枚の画像から位相データを復元できるようになりました。軽量ネットワークは、モデルの枝刈りと量子化を用いることで、この技術の高速性と効率性を維持しています。特別なモジュールは物体のエッジに焦点を当てることで、複雑な領域における精度を向上させます。

ディープラーニングは、人間の助けを借りずに複雑な関係性を学習することを可能にします。これにより、システムはより堅牢で自動化されます。

モーションエラーの低減

デジタルフリンジ投影マシンビジョンシステムでは、動きによって誤差が生じることがあります。現在では、多くの技術改良によってこれらの誤差を低減することが可能になっています。例えば、モーターエンコーダのデータと幾何学的制約を用いて、フリンジパターンのキャプチャ中に誤差を修正する方法があります。この手法では3つのパターンしか必要とせず、動きが安定していない場合でも良好に機能します。

その他の技術オプションには、オブジェクト追跡、フーリエ変換法、動き予測などがあります。オブジェクト追跡では、マーカーまたは特徴を用いて動きを追跡します。フーリエ変換法では、単一パターンと複数パターンのアプローチを組み合わせて位相マップを更新します。動き予測は、追跡中にオブジェクトがどのように移動するかを推定し、誤差を補正します。

技術の改良の中には、ヒルベルト変換などの高度な信号処理や、ディープラーニングを用いて動きの誤差を修正するものもあります。プロジェクターやカメラの高速化といったハードウェアのアップグレードも、計測中に物体を静止させておくことで精度向上に役立ちます。位相確率均等化技術とその改良版であるシフト位相確率均等化技術は、動きによって生じる位相誤差を直接修正します。これらの技術オプションは位相情報を復元し、移動する物体の測定精度を向上させます。

今後の動向

デジタルフリンジプロジェクションマシンビジョンシステムの未来は明るい。多くの新技術の進歩が間近に迫っている。ディープラーニングは位相再構成と速度の向上を継続するだろう。マイクロ秒単位のタイミングを備えたイベントカメラなどの新しいハードウェアは、この技術をさらに高速化するだろう。圧縮センシングなどの計算画像処理は、記録速度を毎秒108フレーム以上に押し上げるだろう。

バイナリデフォーカスとデジタルマイクロミラーデバイスにより、この技術は毎秒数万パターンの処理が可能になります。ソフトウェアの改良により、各3D再構成に必要なパターン数が削減され、技術の高速化が期待されます。ハードウェアとソフトウェアが連携することで、縞投影法の速度限界を突破します。

この技術の市場は、特にアジア太平洋地域で成長しています。航空宇宙、自動車、エレクトロニクスなどの業界では、高解像度の表面検査にこの技術が利用されています。精度、リアルタイムフィードバック、そしてAIとの連携へのニーズが、この技術の導入を後押ししています。この技術が進化するにつれ、より多くの業界でミッションクリティカルなタスクに利用されるようになるでしょう。

デジタルフリンジプロジェクションマシンビジョンシステムは、構造化光と高度なアルゴリズムを使用して、高速で非接触の 3D 測定を実現します。

• これらのシステムは、従来の方法に比べて、高速画像化、高精度、低コストなどの利点を提供します。
• ユーザーは、システムを選択する前に、物体の表面タイプ、環境、測定速度、ソフトウェアの機能を考慮する必要があります。
• ディープラーニング、HDR イメージング、キャリブレーション方法の最近の進歩により、産業用タスクの精度と信頼性が向上しています。

📝 ヒント: 業界のニュースレターやウェビナーなどの新しいテクニックやリソースを常に最新の状態にして、デジタルフリンジプロジェクションテクノロジーの最新動向を把握しておきましょう。

よくあるご質問

デジタルフリンジプロジェクションマシンビジョンシステムは何に使用されますか?

デジタル縞投影マシンビジョンシステムは、 オブジェクトの3D形状 触れることなく測定できます。この形状測定システムは、製造業、電子機器、食品加工などの業界において、迅速な3D検査と正確な結果を実現します。

縞投影形状測定法はどのように機能しますか?

縞投影形状測定法は、物体にパターンを投影します。カメラは変形したパターンを捉えます。システムは位相情報を用いて物体表面の3次元測定値を作成します。この技術により、高い測定精度と信頼性の高いXNUMXD測定が可能になります。

3D 形状測定においてシステム キャリブレーションが重要なのはなぜですか?

システムキャリブレーションは、プロジェクターとカメラの正しい関係を設定します。キャリブレーションプロセスとキャリブレーションパラメータは、位相データを実際の3D座標に変換するのに役立ちます。適切なキャリブレーションは測定誤差を低減し、3Dイメージングの精度を向上させます。

デジタルフリンジ投影における測定精度に影響を与える要因は何ですか?

測定精度は、投影されたパターンの品質、キャリブレーションプロセス、そして対象物の表面状態に依存します。キャリブレーションの不備、パターンのコントラストの低さ、あるいは光沢のある表面などにより、誤差が生じる可能性があります。適応型技術は、測定精度の向上と誤差の低減に役立ちます。

デジタルフリンジプロジェクションは検査中に移動する物体を処理できますか?

はい、この技術は動く物体の 3D 測定値をキャプチャできます。 ハイスピードカメラ 高速パターン投影により、モーションエラーを低減します。このシステムは、物体が高速に移動する場合でも、高い忠実度で視覚化された3D計測と深度計測を提供します。

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