Vision industrielle 2D ou 3D : quand avez-vous besoin de la troisième dimension ?

La vision industrielle 3D est passée d'une technologie de laboratoire à un outil de production en l'espace de quelques années. Les caméras sont plus performantes, les prix ont baissé, et le logiciel de traitement des nuages de points 3D a mûri au point d'être accessible aux ingénieurs sans expérience spécialisée en 3D.

Ce sont là de bonnes nouvelles. Le risque est que l'engouement autour de la 3D conduise les ingénieurs à la spécifier pour des applications où une caméra 2D avec un bon éclairage aurait donné le même résultat pour une fraction du coût et de la complexité.

Cet article vous aide à prendre la décision honnêtement et à comprendre quand la 3D apporte une réelle valeur, quand la 2D suffit et à quoi ressemble réellement le surcoût.

Ce que la 3D vous apporte et que la 2D n'offre pas

Une caméra 2D capture une image plane et génère des valeurs de pixels qui représentent la luminosité ou la couleur sur un plan bidimensionnel. Elle vous indique à quoi ressemblent les objets du point de vue de la caméra. Elle ne vous dit pas quelle est leur hauteur, leur profondeur, ni à quoi ressemble leur profil de surface.

Une caméra 3D ajoute des informations de profondeur. Chaque point de l'image possède une coordonnée X, Y et Z, générant ce que l'on appelle un nuage de points. Cela vous permet de mesurer la hauteur, de détecter les éléments en relief ou en creux, de calculer le volume, d'inspecter la géométrie de surface et de guider des robots dans l'espace tridimensionnel.

La vision 3D offre également une robustesse de détection accrue pour certaines applications. Utiliser la géométrie plutôt que des caractéristiques moins stables comme la couleur ou le contraste signifie que l'inspection est moins sensible aux variations d'éclairage, aux changements d'aspect de surface et aux différences de matériau. Une rayure invisible sur une image 2D sous un certain éclairage peut être évidente sur une carte de hauteurs 3D car elle possède une profondeur mesurable, quelle que soit la façon dont elle réfléchit la lumière.

Quand la 2D suffit (et coûte moins cher)

Pour la majorité des applications de vision industrielle, la 2D est le bon choix. Si votre tâche d'inspection concerne l'un des cas suivants, une caméra 2D avec un éclairage approprié fera presque certainement l'affaire :

Contrôles de présence/absence. L'étiquette est-elle là ? Le bouchon est-il posé ? Le connecteur est-il en place ? Ce sont des questions basées sur le contraste auxquelles une caméra 2D répond de manière fiable.

Lecture de codes-barres et de texte. L'OCR, la lecture de codes-barres et la vérification de données sont intrinsèquement des tâches 2D. La caméra lit les caractères et les codes sur une surface plane.

Inspection de couleur. Vérifier la précision des couleurs, contrôler la qualité d'impression et trier par couleur sont des tâches 2D. La plupart des technologies 3D ne capturent aucune information de couleur, bien que certains systèmes stéréo puissent fournir une image couleur 2D en plus des données 3D.

Mesure 2D. Mesurer la longueur, la largeur, le diamètre et la position dans le plan de l'image. Si la mesure est en deux dimensions et que la pièce est plane ou positionnée de manière constante, la 2D suffit.

Détection des défauts de surface (avec un bon éclairage). C'est le cas qui prend les gens au dépourvu. De nombreux défauts qui semblent nécessiter la 3D peuvent en réalité être détectés en 2D en utilisant la bonne technique d'éclairage. L'éclairage en champ sombre à faible angle révélera les rayures, les bosses et les caractéristiques de surface en créant du contraste par diffusion de la lumière. Avant de spécifier une caméra 3D pour l'inspection de surface, testez si une caméra 2D avec un éclairage en champ sombre peut détecter le défaut. Si c'est le cas, vous venez d'économiser des milliers de livres.

Quand vous avez réellement besoin de la 3D

La 3D apporte de la valeur lorsque la tâche d'inspection nécessite fondamentalement des informations de profondeur qui ne peuvent être obtenues à partir d'une image 2D, quel que soit l'éclairage.

Mesure de hauteur et de volume. Mesurer la hauteur d'un composant, la profondeur d'une cavité ou le volume d'un remplissage. Ce sont des mesures intrinsèquement tridimensionnelles qu'une caméra 2D ne peut pas réaliser.

Profilage de surface. Mesurer la planéité, la rugosité ou la géométrie de la surface. Des applications comme le contrôle des profils de cordons de soudure, la mesure de la hauteur de pâte à braser sur les cartes de circuit imprimé ou l'inspection des surfaces de roulement nécessitent des données de hauteur 3D sur toute la surface.

Bin picking et guidage de robot. Localiser des pièces dans un environnement non structuré (un bac, une palette, un convoyeur avec des pièces orientées au hasard) et fournir au robot les coordonnées et l'orientation 3D nécessaires pour les saisir. C'est l'une des applications 3D à la croissance la plus rapide, portée par le besoin d'une automatisation flexible capable de gérer des positions de pièce variables.

Mesure d'écart et d'affleurement (gap and flush). Mesurer l'alignement entre deux surfaces d'assemblage, comme l'écart entre une portière de voiture et le panneau de carrosserie, ou l'affleurement entre deux composants assemblés. Ce sont par définition des mesures 3D.

Dimensionnement volumétrique. Calculer le volume de colis, de cartons ou d'objets irréguliers pour l'optimisation des coûts logistiques et d'expédition.

Inspection de caractéristiques que l'éclairage ne peut pas révéler. Certaines caractéristiques sont véritablement invisibles en 2D quel que soit l'éclairage, comme un léger gauchissement sur une surface plane, une dépression peu profonde qui ne diffuse pas la lumière, ou une différence de hauteur entre deux surfaces qui paraissent identiques vues du dessus.

Les quatre principales technologies 3D

Toutes les caméras 3D ne fonctionnent pas de la même manière, et le choix de la technologie a un impact significatif sur le coût, la précision, la vitesse et ce que vous pouvez inspecter. Voici comment elles se comparent :

Le surcoût : qu'ajoute réellement la 3D ?

Un système 3D coûte plus cher qu'un système 2D, et le surcoût ne se limite pas à la caméra. La différence de coût total provient de trois domaines.

Coût de la caméra. Une caméra matricielle 2D pour l'inspection de production coûte généralement entre £500 et £2,000. L'option 3D la moins chère (temps de vol) démarre à environ £1,500. Les profileurs à triangulation laser démarrent à environ £5,000. Les systèmes à lumière structurée démarrent à environ £12,000. La caméra seule ajoute de £1,000 à £10,000+ au coût du système par rapport à la 2D.

Matériel de traitement. Les données 3D sont gourmandes en calcul. Une inspection 2D sur un PC industriel standard peut se contenter d'un CPU modeste. Une inspection 3D, en particulier une qui traite des nuages de points denses issus d'un système à lumière structurée ou à triangulation laser, peut nécessiter un CPU plus puissant, un GPU dédié, ou les deux. Cela peut ajouter de £1,000 à £3,000 au coût du matériel.

Complexité de développement. Travailler avec des nuages de points 3D est plus complexe que travailler avec des images 2D. Les algorithmes sont différents, les exigences de calibrage sont plus élevées, et le débogage d'un système 3D nécessite de comprendre la géométrie tridimensionnelle. Le temps de développement est généralement plus long, ce qui signifie des coûts d'ingénierie plus élevés. Des plateformes logicielles comme Zebra Aurora Design Assistant, Aurora Vision Studio et Aurora AIL prennent toutes en charge le traitement 3D, ce qui réduit la charge de développement par rapport à un développement à partir de zéro, mais le surcoût de complexité est réel.

À titre indicatif, attendez-vous à ce qu'un système 3D coûte de 2 à 5 fois le système 2D équivalent pour le même poste d'inspection, selon la technologie 3D choisie et la complexité de l'application. Pour les applications où la 3D résout véritablement un problème que la 2D ne peut pas résoudre, ce surcoût est justifié. Pour les applications où la 2D avec un bon éclairage aurait suffi, c'est de l'argent gaspillé.

L'erreur la plus fréquente : utiliser la 3D quand la 2D avec un meilleur éclairage suffirait

Nous le constatons régulièrement. Un ingénieur évalue une application d'inspection de défauts, constate que sa caméra 2D actuelle ne détecte pas le défaut de manière fiable, et en conclut qu'il a besoin de la 3D. Dans bien des cas, le problème n'est pas que l'inspection soit intrinsèquement tridimensionnelle. Le problème est que l'éclairage est mauvais.

Une caméra 2D avec un éclairage en champ sombre (éclairage à faible angle) révélera des caractéristiques de surface comme les rayures, les bosses, le gaufrage et la texture qui sont invisibles sous un éclairage en champ clair standard. La même pièce qui paraît sans relief sous un éclairage annulaire montrera chaque imperfection de surface sous un éclairage barre à faible angle. La solution coûte quelques centaines de livres en éclairage, pas plusieurs milliers en matériel 3D.

Avant de spécifier une caméra 3D pour l'inspection de surface, testez d'abord l'application avec la 2D et un éclairage en champ sombre. Si le défaut est visible sur l'image 2D en champ sombre, vous n'avez pas besoin de la 3D. Si ce n'est pas le cas, la 3D est probablement la bonne approche. Clearview's Insights Lab peut réaliser cette comparaison sur vos propres échantillons.

Quand la 3D a ses propres limites

La 3D n'est pas une solution universelle et présente des limites spécifiques selon la technologie.

Surfaces réfléchissantes et absorbantes. La triangulation laser et la lumière structurée projettent toutes deux de la lumière sur la surface de l'objet. Les surfaces très réfléchissantes (métal poli, miroirs) peuvent créer de faux pics dans les données de hauteur. Les surfaces très absorbantes (caoutchouc foncé, plastique noir) peuvent ne pas renvoyer assez de lumière pour une mesure fiable. La préparation de surface ou des longueurs d'onde d'éclairage alternatives peuvent parfois atténuer ce problème, mais c'est une contrainte réelle.

Transparence. La lumière laser traverse les objets transparents, ce qui rend leur profilage difficile ou impossible avec la triangulation laser. Le même problème de barquette transparente qui affecte les profileurs 2D affecte aussi les systèmes laser 3D.

Vibration. La mesure 3D de haute précision (en particulier la triangulation laser) est sensible aux vibrations. Nous avons évalué un projet nécessitant une détection 3D de fissures inférieure au millimètre sur des palettes, mais la vibration du convoyeur dépassait ce que le profileur pouvait tolérer. Une caméra 3D avec compensation de mouvement aurait pu résoudre cela, mais le coût était disproportionné. Parfois, l'environnement rend une solution 3D techniquement réalisable économiquement impraticable.

Compromis entre vitesse et précision. Les systèmes à lumière structurée offrent la plus haute précision mais fonctionnent à des dizaines de Hz, trop lent pour des lignes de production rapides. La triangulation laser est rapide (dizaines de kHz) mais fonctionne avec des champs de vision plus étroits. Le temps de vol est rapide et à champ large mais avec une précision millimétrique seulement. Aucune technologie 3D à elle seule ne vous offre simultanément haute vitesse, haute précision et champ large.

Un cadre de décision pratique

Passez ces questions en revue dans l'ordre :

1. L'inspection nécessite-t-elle de mesurer la hauteur, la profondeur, le volume ou la géométrie de surface ? Si non, restez en 2D. Si oui, passez à la question 2.

2. La caractéristique peut-elle être détectée en 2D avec le bon éclairage (en particulier le champ sombre) ? Si oui, testez-la d'abord en 2D. Ce sera moins cher et plus simple. Si non, la 3D est probablement la bonne approche. Passez à la question 3.

3. L'objet doit-il être immobile ou est-il en mouvement ? S'il est immobile, la lumière structurée offre la plus haute précision. S'il est en mouvement, choisissez entre la triangulation laser (précision de profondeur la plus élevée, nécessite un mouvement), le temps de vol (coût plus faible, précision plus faible) ou la vision stéréo (portée la plus longue, adaptée au guidage de robot).

4. De quelle résolution de profondeur avez-vous besoin ? Niveau micrométrique = triangulation laser ou lumière structurée. Niveau millimétrique = temps de vol ou stéréo. Ne surdimensionnez pas. Un système à lumière structurée à £12,000 pour une application qui ne nécessite qu'une précision millimétrique est de l'argent gaspillé.

5. Quel est le budget ? Si le système 3D coûte 5 fois le système 2D équivalent et que le ROI ne le justifie pas, reconsidérez si l'application a réellement besoin de la 3D ou si la spécification peut être ajustée.

Vous ne savez pas si vous avez besoin de la 2D ou de la 3D ?

C'est exactement le type de question à laquelle une conversation de 30 minutes avec un ingénieur peut répondre, ou qu'une étude de faisabilité dans notre Insights Lab peut résoudre définitivement. Envoyez-nous vos échantillons et nous testerons les deux approches dans des conditions réelles avant que vous n'investissiez dans le matériel.

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