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使用 3D 飛時測距感測器的先進技術，測量生產期間的峰值高度和填充高度

作者： Bill Schweber 2023-11-16

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人工智慧／機器學習

影音處理

造影

人們普遍認為，技術的進步是一個清晰的線性過程，而在展望未來五至十年的前景後，半導體產業所發佈的製程技術「路徑圖」和節點縮減也推廣了這種觀念，聽上去似乎能從過往發展準確預測和推論未來情形。

當然實際上，所謂「進步」在許多情況下是迥然不同的。在 1947 年，任何探究真空管技術，並預測其近期和中期未來發展的人，都沒料到電晶體技術等徹底顛覆產業的事件。1950 年代初期，探究電晶體和電路的預測家也沒料到 50 年代末會出現積體電路這種技術。

技術的進步不僅僅是這種顛覆性、革命性 (而且往往是意料之外的) 事件的結果，在許多情況下，這些進步還能歸功於某一個領域的從業人員。他們看見其他非相關學科的發展，加以利用後才有這樣的成果。例如，固態製程技術之所以能在許多方面取得進展，是因為高度精細、純化基本元素和化合物的問世，以及太空望遠鏡的光學進展。

除此以外，我們也在飛時測距 (ToF) 系統和感測器方面，看到這種 1+1 > 2 的跨學科進步範例。對於進階機器學習 (ML) 和電腦視覺 (CV) 系統來說，這些技術越來越不可或缺。

在過去十年中，ToF 系統持續普及。儘管業界早就瞭解這些系統的基本原理，但在實際採用時，卻是困難重重且不切實際。如今，多虧有快速強大的運算系統，而且基本光學產品 (如 Photomicrosensor 和可控雷射) 有所進步，ToF 已蔚為主流。

什麼是 ToF？

所有 ToF 感測器都使用光學訊號 (光子)，從感測器的發射器發射到目標，然後再返回感測器的接收器，計算光子在這兩個點之間往返所需的時間來測量距離。這就像是雷達的原理，會用到 RF 能量傳輸和回傳反射。ToF 在自駕車，以及智慧型視覺機器人方面有所應用，因此在技術和實用性上正飛快進步。

ToF 有兩種形式：直接和間接型 (圖 1)。直接型 ToF 感測器會發出持續幾奈秒的短脈衝光，然後測量一些發射光回傳所需的時間。相較之下，間接型 ToF 感測器則會發出連續的調變光，並測量反射光的相位，以計算與物體之間的距離。至於要選用哪一種，則取決於應用。

圖 1：直接型 ToF 感測器使用短脈衝光和精確時間測量 (左)；間接型則使用連續調變輸出和相對相位測量 (右)。(圖片來源：Terabee/Switzerland)

傳統的非 ToF 攝影機只會映射出色彩導向的二維圖像，且將個別像素繪製在網格上。但高精度的 ToF 感測器卻能在接近 1:1 的像素比下，在傳統照片上增添第三個維度。

這種感測器能建立「點雲」，以視覺方式呈現攝影機視野的 X、Y 和 Z 座標中的單一像素，進而達到這些效果。ToF 感測器甚至能在影片上增添第三個維度，因為影本基本上就是圖像的集合。如此一來，就能建立動態的三維點雲，以及即時的深度映射視訊串流。

不限於車輛

ToF 的可用性不限於自駕車，Banner Engineering 的 ZMX 系列 3D ToF 感測器就是一個例子 (圖 2)。憑藉本身的 850 nm 紅外線 (IR) 光源，ZMX-3DE2500HF 單元可以測量並監測 3D 區域內的物體，並針對生產線上的填充應用，提供單一感測器解決方案。此單元可以偵測峰值高度和平均填充高度。

圖 2：ZMX 系列 3D ToF 感測器可以測量、監測並偵測生產線上的峰值高度和平均填充高度。(圖片來源：Banner Engineering)

ZMX 系列具有 60°×45° 的大視野 (FOV)，解析度為 272×208 像素，測距範圍為 200 至 2,500 mm。由於感測器可以偵測任何尺寸、形狀或方向的物件，因此是自動化工業和生產應用的理想工具，因為在這些應用中，材料、產品或包裝會堆積在指定區域內。另一個有意思的地方是感測器完全自給自足，無需搭配其他控制器或 PC。只需定義幾個設定值，幾分鐘內即可完成部署。實體連接也很簡單；只需要一條電源線和一條乙太網路線即可。

ZMX 系列感測器的用途：

在自動化系統中，對滑道或輸送帶送來的容器，監測其內容物。結合數位成像和數千個雷射量測點，便能偵測三維區域內的物體。

例如，若放置一個容器來收集一定數量的小型矩形盒時，內容物會堆積，形成一堆不可預測的形狀。為了準確判定容器何時已滿，感測器解決方案須能偵測出容器所佔總區域的填充高度變化。

無論最高點位於該感應區域的何處，都能識別出物體的最大高度。另外，感測器也有助於計算填充容積。使用單一 3D 感測器是確保容器填充一致、避免過度填充、追蹤填充率，並微調製程速度的絕佳方法。
可簡化需要多個單點感測器的應用。單一 3D 感測器更容易安裝及追蹤，並提供更可靠的效能。在測量堆積物形狀時，傳統的單點技術可能不可靠。

例如，單一雷射可能會藉由感知兩個物體的間隙來指出低量填充；或超音波感測器可能因為訊號被角度或形狀奇怪的物體反射，導致沒有讀數 (圖 3)。相較之下，一個置於中央的 ZMX 感測器就可在全部三個維度上提供完整的區域覆蓋率。

圖 3：超音波感測器可能被目標物間隙或奇怪的反射 (左) 所誤導；反之，ToF 系統則能提供完整的 3D 區域覆蓋率 (右)。(圖片來源：Banner Engineering)

別忘了設置也相當簡易

由於這些裝置只有兩個連接器，加上一些實用的 LED 指示燈，因此實體的互連非常簡單。一個是乙太網路的 M8 母接頭，另一個是 M8 圓形公接頭，此接頭可傳送 DC 電源 (12 至 30 VDC)，並提供兩個數位 I/O 通道 (圖 4)。

圖 4：ZMX 系列感測器單元提供使用簡便的 LED 指示燈，並可透過兩個 M8 圓形接頭，完成簡單的接線互連。(圖片來源：Banner Engineering)

儘管電氣連接已經夠簡單了，位置和區域感測器仍有其他挑戰，其中之一就是如何設置感測器，才能看到該看到的東西 (不多也不少)。

幸好 ZMX 系列的設置作業相對簡單。Banner 3D Configuration 軟體能顯示您需要設定並微調的感測器參數，以及須配置的所有連線和 I/O 設定等資訊 (圖 5)。

圖 5：ZMX 系列的設定和配置可透過功能強大的 Banner 3D Configuration 視覺化軟體套件來簡化。(圖片來源：Banner Engineering)

此軟體可將工作區分成幾個窗格：

1.「Image Pane Parameters」(圖像窗格參數) 包括縮放功能；x、y、z 座標；圖像顏色；視圖選擇。

2.「Image」(圖像) 窗格能顯示感測器擷取到的當前圖像。還能呈現先前已儲存的檔案 (以便與感測器斷開連線後查看)、儲存圖像檔案，並在觸發模式設定為「外部」(External) 或「軟體」(Software) 時手動觸發感測器。

3.「Connection」(連線) 窗格則能啟用與感測器之間的連線。

4.「Sensor Controls」(感測器控制) 窗格可控制觸發模式和照明輸出。

5.「Fill Level」(填充高度) 窗格包含了感興趣區域和感測器控制的選項，以及即時填充和峰值高度等資料。

6.「Communications」(通信) 窗格可設定感測器的通訊協定和 DHCP 選項。

7.「Sensor Maintenance」(感測器維護) 窗格包含了用於更新韌體、恢復預設值或先前設定值，以及備份目前感測器設定值的感測器資訊和選項。

結論

要對三維區域內的物體進行準確一致的感測、測量和監測，進而偵測實際生產環境中的峰值高度和平均填充高度，通常並不容易。Banner Engineering 的 ZMX 系列 3D ToF 感測器運用光學型 ToF 硬體技術和軟體演算法等最新的創新技術，可以克服這些問題，能更輕鬆提供一致且可靠的結果。這款感測器有圖形化配置工具的支援，可大幅簡化設置、安裝和實際的使用。