Industrielle 3D-Vision eröffnet neue Horizonte für die intelligente Fertigung

Im Jahr 1969 wurde bei Bell Labs in den USA der erste CCD-Bildsensor entwickelt, der der industriellen Bildverarbeitungsbranche die Tür zur digitalen Bildverarbeitung öffnete. Seitdem sind alle Lebens- und Produktionsbereiche mit Bildern und Visionen verknüpft.

Auch der Bereich der maschinellen Bildverarbeitung begann sich zu entwickeln und zu wachsen: von Schwarzweiß zu Farbe, von niedriger zu hoher Auflösung und von statischen zu dynamischen Bildern. Heute ist es Maschinen möglich, den realen dreidimensionalen Raum zu verstehen und stereoskopische Bilder vor unseren Augen darzustellen. Branchenkenner sprechen hier von der vierten visuellen Revolution. Der Schlüssel zur visuellen Verbesserung der vierten visuellen Revolution ist die rasante Entwicklung der 3D-Sensorbranche.

Das maschinelle Sehen hat sich von der früheren zweidimensionalen Ebene zu einer stereoskopischen dreidimensionalen „Sehweise“ entwickelt. Die Schlüsseltechnologie hinter häufig verwendeten Produkten und Technologien wie Zahlungen per Gesichtsscan, Face ID, VR, unbemannten Convenience Stores und intelligenten Robotern ist die 3D-Vision-Technologie. Die Kombination aus der vierten visuellen Revolution und dem industriellen Internet hat zudem den Wert der Realwirtschaft und Technologie maximiert und hat allmählich begonnen, sich in Richtung realer Industrieszenarien, Produktionseffizienz und industrieller Machbarkeit zu bewegen.

Wenn wir die Beziehung zwischen dem industriellen Internet und der 3D-Maschinensicht in einem Satz beschreiben möchten, ist dieser Satz die treffendste Beschreibung: „Die Zukunft des industriellen Internets basiert auf der Steuerung der 3D-Maschinensicht und der Verarbeitung kognitiver KI-Systeme.“ Die Anwendung der Bildverarbeitung im industriellen Bereich ist nichts Neues. Es hat eine Geschichte von mehr als 30 Jahren. Mit dem Aufstieg der industriellen 3D-Vision-Technologie gewinnt ihre Bedeutung im Bereich der industriellen Fertigung zunehmend an Bedeutung.

Von einem einzelnen Szenario bis zur Stärkung der gesamten Produktionslinie

Die industrielle Bildverarbeitungstechnologie wurde erstmals in der automatisierten Produktion als 2D-Bildverarbeitungstechnologie eingesetzt. Da mit der 2D-Vision jedoch normalerweise nur Probleme auf zwei Ebenen gelöst werden können, ist es schwierig, mit der 2D-Vision bei Objekten mit umfangreichen Informationen zu arbeiten, wie etwa bei Produkten mit gekrümmten Oberflächen oder Krümmungen. Dies hat den Aufstieg des 3D-Sehens gefördert. Im Vergleich zur 2D-Vision ist die 3D-Vision unempfindlich gegenüber Änderungen des Umgebungslichts und weist eine höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit auf. Es kann sich schnell bewegende Ziele in der Produktionslinie erkennen und Informationen wie Form, Farbkontrast und räumliche Koordinaten erfassen. 3D-Vision kann mehr industrielle Szenenanwendungen abdecken, die bisher mit 2D-Vision nur schwer zu bewältigen waren, und kann 2D-Vision ergänzen. Darüber hinaus hat sich die hochpräzise 3D-Vision-Technologie aufgrund der in den letzten Jahren gestiegenen Präzisionsanforderungen in der Präzisionsfertigungsbranche, beispielsweise in der Unterhaltungselektronik-, Automobil- und Halbleiterindustrie, zu einem Hotspot auf dem Markt entwickelt.

Die industrielle 3D-Vision konzentriert sich hauptsächlich auf drei Anwendungskategorien: Größen- und Defekterkennung, intelligente Fertigung und autonome Navigation. Die größte Veränderung beim Einsatz industrieller 3D-Vision-Technologie im industriellen Bereich in den letzten zwei Jahren besteht darin, dass sie sich von einzelnen Szenarien wie der Qualitätsprüfung hin zur Stärkung der gesamten Produktionslinie entwickelt hat.

Vor der Einführung der industriellen 3D-Vision wurde sie in der Produktionslinie nur in Einzelszenarien eingesetzt, beispielsweise bei der am häufigsten verwendeten Qualitätsprüfung. Am Beispiel des Produktionsprozesses von Smartphones sind für die Größen- und Fehlererkennung hauptsächlich drei Teile relevant: Hauptplatine, Teilemontage sowie Verpackung und Versand. Das industrielle 3D-Vision-System zur Qualitätsprüfung ist hauptsächlich an diesen drei Prozessen beteiligt. Mit den integrierten Änderungen industrieller 3D-Vision-Systeme kann nun die gesamte Produktionslinie vom Materialladen bis zur Verpackung und Inspektion über Links und Szenarien hinweg angewendet werden. Beispielsweise können industrielle 3D-Bildverarbeitungssysteme zum Be- und Entladen von Materialien in Produktionslinien sowie zum Schweißen, Sprühen und Zusammenbauen von Teilen eingesetzt werden.

Was die heute weit verbreitete Nachfrage nach flexibler Fertigung betrifft, ist die Produktionsumgebung komplexer und die Nachfrage nach intelligenten Abläufen höher. Im Rahmen des flexiblen Produktionsmodells müssen sich Industrieroboter und automatisierte Geräte flexibel an die Produktionsanforderungen anpassen, um eine Vielzahl von Produktmodellen herzustellen. Beim Be- und Entladen, Sortieren und Transportieren müssen sie die Arbeitsaufgaben entsprechend der unterschiedlichen Produkttypen in Echtzeit planen und erledigen. Herkömmliche Industrieroboter oder automatisierte Anlagen können dies überhaupt nicht leisten. Die Einführung industrieller 3D-Vision-Systeme macht das flexible Produktionsmodell reibungsloser. Nur durch die Abkehr vom traditionellen kleinen Satz an Automatisierungslösungen und die Realisierung wirklich vollständig kompatibler intelligenter Vorgänge kann dieser Nutzungsbedarf erfüllt werden. Dies ist eine typische Anforderung der flexiblen Produktion an intelligente Bildverarbeitungssysteme.

Beispielsweise kann in der intelligenten Logistik durch die durch 3D-Vision-Algorithmen erzielte Flexibilitätsverbesserung mittels „KI+3D-Vision“ eine genaue Identifizierung und Sortierung großer Warenmengen erreicht werden. Insbesondere die Interaktion zwischen visueller Erkennung und der Bahnplanung des Roboters sowie dem Greifen, Bewegen und anderen Steuerungen kann den Engpass beim Wachstum intelligenter Logistik überwinden und die Grenzen der Kundenabdeckung erheblich erweitern.

Natürlich ist die Anwendung der 2D-Vision-Systemtechnologie im Bereich der industriellen Fertigung nicht völlig verschwunden. Die 3D-Vision-Systemtechnologie wird auch als Ergänzung zur 2D-Technologie dienen. Auch bei der Vermessung von Bauteilen, wie beispielsweise der Überprüfung der Größe und Einbaulage von SIM-Kartenslot, Akkumodul und Kameramodul am Mobiltelefon, kommt diese Hybridlösung zum Einsatz. Die meisten Hersteller bieten 2D/3D-Hybridlösungen an.

Ob Einzelszenario-Anwendung oder übergreifender bzw. multitechnischer Lösungsmix: 3D-Maschinelle Bildverarbeitung spielt im Bereich der industriellen Fertigung eine wichtige Rolle. Allerdings besteht bei der Forschung und Entwicklung von Kernkomponenten, die im Bereich der hochpräzisen Detektion erforderlich sind, im Vergleich zum Ausland noch immer eine große technologische Lücke, die in kurzer Zeit nur schwer zu überwinden ist.

Hindernisse durch „unscharfes“ industrielles 3D-Sichtfeld

Tatsächlich begann etwa im Jahr 2014 die Entwicklung industrieller 3D-Vision-Technologie im In- und Ausland. Mit der kontinuierlichen Migration und Modernisierung der inländischen Industriekette haben inländische F&E-Unternehmen ihre Investitionen in 3D-Vision-Technologie schrittweise erhöht. Wenn es jedoch um die Implementierung im industriellen Bereich geht, kommen die meisten Hersteller aufgrund der großen Branchenvielfalt, der unterschiedlichen technischen Barrieren und Szenarien grundsätzlich aus einem bestimmten vertikalen Bereich. Die technischen Möglichkeiten der 3D-Vision-Hardware sind begrenzt, doch die zunehmende Leistungsfähigkeit der KI-Algorithmen kann einige Anforderungen an die hochpräzise Erkennung erfüllen und die Mängel der Hardware bis zu einem gewissen Grad ausgleichen. Auf dem Weg zur Entwicklung der industriellen 3D-Vision müssen jedoch noch viele Probleme gelöst werden.

1. Technologie und Produkte müssen kontinuierlich verbessert werden. Die industrielle 3D-Bildverarbeitungstechnologie entwickelt sich ständig weiter, doch die unvermeidlichen Engpasstechnologien bei der zugrundeliegenden visuellen Hardware sind Chips und optische Linsen, und dieser Bereich wird noch immer von ausländischen Herstellern dominiert. Allerdings fehlt es derzeit für die integrierte 3D-Bildverarbeitung noch an einem 3D-Sensor, der die Vorteile einer starken Resistenz gegen Umgebungslichtstörungen, einer hohen Entfernungsgenauigkeit, einer hohen Auflösung und niedriger Kosten bietet. Derzeit werden bei der Anwendung der 3D-Vision Kameras noch auf Grundlage bestimmter Nutzungsszenarien und Budgets ausgewählt und anschließend Algorithmen basierend auf den Bildergebnissen der Kamera angepasst und entwickelt. Dieses kostenintensive und langwierige Anwendungsmodell schränkt die Nutzung der 3D-Vision in tatsächlichen Szenarien stark ein.

2. Die Schwierigkeit, Kosten und Marktbearbeitung in Einklang zu bringen. Auf dem 3D-Vision-Markt liefern sich alle beteiligten Hersteller einen Preiskampf, sei es um attraktive Daten für die zukünftige Finanzierung zu erhalten oder um den Markt zu erobern. Obwohl Preiskämpfe den Markt indirekt kultivieren, schädigen sie auch die Marktordnung, und das Benutzererlebnis kann bei niedrigen Preisen nicht garantiert werden. Für potenzielle Seed-Benutzer sind Kostenüberlegungen jedoch eine der Schwierigkeiten, die ihre Automatisierungsumstellung beeinträchtigen. Übersteigen die Kosten das Budget, kann keine Marktbearbeitung durchgeführt werden. Derzeit ist die Marktdurchdringung der industriellen 3D-Vision nicht hoch.

3. Die Unreife und Unvollkommenheit des Marktes und der Lieferkette. Bei einigen Herstellern, die 3D-Vision-Produkte kaufen müssen, ist die anfängliche Produktnachfrage relativ gering. In diesem Fall können Hersteller industrieller 3D-Vision-Lösungen ihre Produktkosten nicht durch Skaleneffekte verteilen und eine große Zahl potenzieller Nutzer auf dem Markt reagiert empfindlich auf Preise und Lieferketten. Für industrielle 3D-Vision-Produkte in der frühen Entwicklungsphase ist es schwierig, sich auf dem Markt durchzusetzen.

4. Die Anpassung und der Zyklus der Produktionslinie sind lang. Aufgrund der individuellen Anforderungen an Produktionslinien in Tausenden von Branchen sind die Geräte nicht standardisiert und weisen eine geringe Vielseitigkeit auf. Bei Fabriken sind unterschiedliche Geschäftsszenarien, Produktionsverbindungen und sogar die Anforderungen zwischen verschiedenen Fabriken nicht gleich. Die große Vielfalt und die kleinen Chargen im Herstellungsprozess erschweren die Unternehmensumwandlung. Nach der Lieferung der Ausrüstung ist noch eine Zeit der Fehlerbehebung erforderlich, bevor sie an die Produktionslinie angepasst werden kann. Es gibt einen bestimmten Zeitraum, der die Begeisterung der Unternehmen für die Automatisierungstransformation beeinflusst.

Aus der Sicht von Kunden, die industrielle 3D-Vision-Produkte auswählen, hängen die Auswahlkriterien des Benutzers von den Eigenschaften und dem Budget der Fabrik ab. Dies bedeutet, dass Hersteller industrieller 3D-Vision-Lösungen attraktive Preise anbieten und gleichzeitig die Möglichkeit zur Produktanpassung bieten müssen. Die Kosten und Budgets beider Parteien müssen in ein angemessenes Gleichgewicht gebracht werden.

Diese Anforderungen schränken die flächendeckende Implementierung der 3D-Vision-Technologie im Bereich der industriellen Fertigung ein. Die groß angelegten kommerziellen Szenarien industrieller 3D-Vision-Systeme, die sich noch in der frühen Entwicklungsphase befinden, sind noch nicht ausgereift und die Produkte sind stark kundenspezifisch. Der Gesamtmarkt ist verstreut und fragmentiert. Die Technologie für 3D-Vision-Systeme muss in diesem Markt weiterhin erforscht und weiterentwickelt werden, in jedem Segmentszenario erforscht und weiterentwickelt werden, um Differenzierungsmöglichkeiten zu finden, Produkte zu verbessern und die Fähigkeit zur Bedienung des Marktes zu steigern, um die zukünftige Weiterentwicklung des industriellen Internets zu ermöglichen.

Die Zukunft der industriellen 3D-Vision

Als wichtiger Sensorbestandteil industrieller Produktionsmaschinen und -ausrüstungen hat die industrielle 3D-Bildverarbeitungstechnologie als eine der zentralen Technologieeinheiten in den letzten Jahren im Rahmen der Modernisierung und Transformation von Industrie 4.0 schnelle Fortschritte bei der Industrialisierung gemacht. Derzeit beschleunigt sich die Durchdringung zahlreicher Fertigungsindustrien und auch die gesamte industrielle Kette verzeichnet eine beschleunigte Expansion.

GGII-Daten zeigen, dass mit der weitverbreiteten Anwendung der Bildverarbeitungstechnologie im industriellen Bereich der Markt für Bildverarbeitung in meinem Land bis 2023 voraussichtlich ein Volumen von 20,86 Milliarden Yuan erreichen wird, wovon das Marktvolumen für 3D-Bildverarbeitung 3,428 Milliarden Yuan erreichen wird; Es wird erwartet, dass der 3D-Vision-Markt meines Landes bis 2025 ein Volumen von über 10 Milliarden Yuan erreichen wird.

Da intelligente Fertigung und Präzisionsbearbeitung höhere Anforderungen an Produktionsprozesse und Prüfnormen stellen, entwickeln sich auch 3D-Bildverarbeitungssysteme hin zu einem breiteren Feld der maschinellen „Bildverarbeitung“. Diese Änderungen und Anforderungen haben 3D-Vision-Anwendungen ermöglicht und die flächendeckende Implementierung der 3D-Maschinensicht in der Fertigungsindustrie beschleunigt. Diese Trendänderungen werden sich auch im nächsten Schritt der tiefen Integration von Industrie und Geheimdiensten zeigen.

1. Der Entwicklungstrend der industriellen 3D-Vision-Technologie tendiert zu hoher Leistung und vielfältigen Szenarien. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der 3D-Bildgebungstechnologie wird auch die Leistung der Bildverarbeitungstechnologie steigen und sich in Richtung Höchstleistung entwickeln. Dies zeigt sich vor allem in der kontinuierlichen Verbesserung der Bildauflösung von Industriekameras sowie der kontinuierlichen Steigerung der Bildaufnahmegeschwindigkeit und der Übertragungszuverlässigkeit. Gleichzeitig erweitert sich die Lichtquelle vom sichtbaren zum nicht sichtbaren Licht und die Kamera erweitert sich vom Einzelspektrum zum Mehrfach- und Hochspektrum, wodurch die Anwendungsszenarien der maschinellen Bildverarbeitung erweitert werden.

2. Entwickeln Sie sich in Richtung Intelligenz und Echtzeitleistung. Intelligenz basiert hauptsächlich auf neuen Technologien wie Cloud Computing, Big Data und künstlicher Intelligenz und nutzt Technologien wie Deep Learning, um die Verarbeitungs- und Analysefunktionen der industriellen 3D-Vision-Technologie zu verbessern. Intelligenz wird eines der wichtigsten Verkaufsargumente zukünftiger industrieller 3D-Vision-Systeme sein und die Produktionseffizienz von Unternehmen sowie die Konsistenz der Produktqualität kontinuierlich verbessern. Die 5G-Technologie, die die Kernentwicklung der digitalen Infrastruktur darstellt, wird mit industrieller 3D-Vision-Technologie kombiniert. Basierend auf der großen Bandbreite, der geringen Latenz und der hohen Zuverlässigkeit von 5G wird es Echtzeit-Computing und hohe Datensicherheit für die industrielle 3D-Vision bieten und gleichzeitig die durch Netzwerkunterbrechungen bedingten Risiken reduzieren.

3. Industrielle 3D-Vision-Systeme entwickeln sich in Richtung Integration und Miniaturisierung. Mit der kontinuierlichen Verbesserung des Herstellungsprozesses und der optischen Leistung der Kernkomponenten industrieller 3D-Vision-Systeme werden sich industrielle 3D-Vision-Systeme in Zukunft schrittweise in Richtung Miniaturisierung und Integration entwickeln. Optische Module, Kommunikationsmodule und Rechenmodule werden weiterhin in einem einzigen Gerät integriert. Integrierte Geräte erweitern zudem die Anwendungsbereiche der industriellen Bildverarbeitung.

Die Innovation der Vision-Technologie der vierten Generation hat gerade erst begonnen. In den Bereichen der ultrapräzisen Messung haben inländische Unternehmen schrittweise Fortschritte gemacht und es besteht auch in Zukunft noch viel Raum für Wachstum. Die vierte visuelle Revolution hat die Geräte in industriellen Produktionslinien mit einem Paar intelligenter, dreidimensionaler Augen ausgestattet. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Hardware-Gerätetechnologie und die kontinuierliche Optimierung von Algorithmen und Software können Maschinen die dreidimensionale Welt nicht nur klar sehen, sondern auch besser „verstehen“.

Hersteller industrieller 3D-Vision-Systeme werden ihre Technologiesysteme auf dem Weg zur Modernisierung und Bekämpfung von Monstern weiter verbessern, damit sie schneller und klarer sehen können. Sowohl die Industrie als auch die Investment-Community werten das positive Feedback zu visuellen Informationen in industriellen 3D-Vision-Systemen in diesem schnell wachsenden Markt auf. Noch wichtiger ist, dass sich die industrielle 3D-Vision im globalen Wettbewerbsumfeld ständig weiterentwickelt und so den Weg für eine Verbesserung der chinesischen Wettbewerbsfähigkeit ebnet. In dieser rasanten visuellen Revolution wird die kostengünstige, leistungsstarke industrielle 3D-Vision-Systemtechnologie als Kern der intelligenten Hardwareausrüstung zukünftiger Fabriken dienen, die schnelle Entwicklung intelligenter AIOT-Hardware unterstützen und die Vernetzung aller Dinge im industriellen Internet fördern.