Sistemi di visione 3d: occhi per robot e tecnologie 4.0

I sistemi di visione rappresentano una tecnologia fondamentale per l’automazione industriale. Se fino a poco tempo fa essi avevano conosciuto diffusione primariamente grazie ai progressi realizzati nel campo della visione 2D, oggi anche la versione 3D sta ottenendo un crescente successo nel mondo delle industrie, sdoganandosi dai primi utilizzi per ricerche e dimostrazioni in laboratori e fiere. Per entrambi i sistemi, capacità e performance dipendono in modo diretto da 5 componenti principali, cioè illuminazione, lenti ottiche, sensori digitali per la cattura immagini (CMOS o CCD), software di trattamento immagini e interfaccia di comunicazione. 2D e 3D sono poi accomunati dal medesimo punto di partenza: una matrice bidimensionale che suddivide il campo inquadrato dalla telecamera in tanti pixel. Ad ognuno di questi, i sistemi di visione 2D associano un valore proporzionale alla luminosità della scena in quel punto, mentre quelli tridimensionali associano un valore proporzionale alla distanza di quel punto dalla telecamera. Ciò significa che i sistemi bidimensionali si basano sull’analisi delle variazioni di luminosità presenti nella scena inquadrata, mentre i sistemi tridimensionali operano a partire dall’analisi della variazione delle distanze. I sistemi bidimensionali sono pertanto soggetti ad alcuni limiti, primo tra tutti la sensibilità alla luce. Variazioni della stessa nel campo visivo, la presenza di ombre, l’utilizzo di una luce naturale o artificiale, tutto può influenzare l’accuratezza delle immagini. Anche l’assenza di contrasto può essere un problema, che rende difficile gestire oggetti troppo scuri o lucidi. Infine, non è possibile avere informazioni sull’altezza, dato che i sistemi di visione 2D non hanno dati relativi all’asse Z. Al contrario, con le tecnologie tridimensionali è possibile conoscere la posizione di ogni pixel nello spazio, perchè esse lavorano su tutti gli assi X, Y e Z.

La terza dimensione dei sistemi di visione

Le tecnologie 2D funzionano bene in quei contesti industriali dove tipo e dimensione di prodotto sono conosciuti, per applicazioni come la lettura di un codice QR o per una verifica di posizione. Ma non sono in grado di condurre un robot mobile da un luogo ad un altro, o di lavorare con oggetti differenti posti su un nastro trasportatore. Al contrario, i sistemi di visione 3D riescono ad ottenere un’immagine tridimensionale composta da precise coordinate, dove la posizione di ogni pixel nello spazio è conosciuta. Per raggiungere questo risultato, si possono sfruttare diverse tecniche, in particolare la triangolazione laser, la visione stereoscopica, la luce strutturata e la TOF (time-of-flight), di cui entreremo in dettaglio più sotto. La qualità delle immagini può variare a seconda della tecnica utilizzata e del tipo di camera e scanner, resta in ogni caso il fatto che un’elevata accuratezza richiede anche una quantità di tempo maggiore rispetto ai sistemi 2D, così come un utilizzo intenso di processori e software avanzati (ad es. processori multi-core, algoritmi 3D). Bisognerebbe pertanto valutare caso per caso ogni singola applicazione, per capire quale tecnologia risponda meglio alle proprie necessità. Due parametri fondamentali di cui tenere conto sono la mobilità o immobilità degli oggetti da scansionare e la necessità del sistema di ottenere risultati immediati o differiti. Ad esempio, per prodotti in movimento con applicazioni reattive che richiedono dati istantaneamente, la tecnica migliore è quella del TOF. Al lato opposto, per oggetti statici i cui dati possono essere caricati in più tempo, la Lidar è la soluzione ideale. Insomma, fattori come tempo, risoluzione, robustezza e peso, possono portare alla scelta di una tecnologia piuttosto che di un’altra. Vediamo quindi più da vicino in cosa consistono le tecniche di acquisizione immagini 3D.

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