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3D激光三角測量技術(shù)：為機器視覺提供深度

發(fā)布時間：2021-06-28 來源：Inder Kohli 責(zé)任編輯：lina

【導(dǎo)讀】3D視覺技術(shù)正在成為主流--這是件好事。技術(shù)的進步和成本的降低使得3D視覺成為一種可以用于半導(dǎo)體和電子、電動車電池制造、汽車制造、食品生產(chǎn)和藥品包裝等多種應(yīng)用和行業(yè)的技術(shù)。人們會在生產(chǎn)制造自動化、機器人引導(dǎo)和質(zhì)量控制領(lǐng)域中看到3D傳感器和輪廓儀。

3D視覺技術(shù)正在成為主流--這是件好事。技術(shù)的進步和成本的降低使得3D視覺成為一種可以用于半導(dǎo)體和電子、電動車電池制造、汽車制造、食品生產(chǎn)和藥品包裝等多種應(yīng)用和行業(yè)的技術(shù)。人們會在生產(chǎn)制造自動化、機器人引導(dǎo)和質(zhì)量控制領(lǐng)域中看到3D傳感器和輪廓儀。

過去，3D系統(tǒng)處理速度太慢，無法跟上生產(chǎn)，價格過于昂貴，配置難度高，且不易維護。相反的，系統(tǒng)設(shè)計人員依靠（1D）和（2D）掃描成像技術(shù)復(fù)雜的相機和照明配置中執(zhí)行檢測，使用軟件計算深度信息。

傳感器質(zhì)量和速度、嵌入式視覺、FPGA、激光、光學(xué)和智能系統(tǒng)的同步發(fā)展使得3D成像成為當(dāng)今更加可行的選擇。現(xiàn)在的3D成像技術(shù)具有成本低、可靠、可重復(fù)、易于實施的優(yōu)勢，并在各種要求嚴苛的應(yīng)用中得到驗證。雖然1D和2D技術(shù)仍在廣泛使用，但現(xiàn)在3D技術(shù)幾乎在所有情況下都提供了可靠的替代方案。

Z-Trak2 是基于Teledyne Imaging的3D圖像傳感器技術(shù)打造的3D輪廓傳感器系列。Z-Trak2 3D輪廓傳感器通過穩(wěn)定的5GigE接口提供了高速的線上檢測手段。

3D激光三角測量技術(shù)

使之成為可能的3D成像技術(shù)之一是3D激光三角測量。該技術(shù)已經(jīng)存在了很長一段時間，但直到最近才取得進展，由于校準(zhǔn)的復(fù)雜性、有限的掃描速率、所需的計算能力和現(xiàn)場維護成本，它在線上應(yīng)用中的使用受到了限制。

在典型的激光線輪廓儀中，激光線條被投射到物體上，并使用一個2D（區(qū)域/矩陣）圖像傳感器進行成像。在確定激光條紋在圖像傳感器上的位置后，輪廓儀會提供由激光條紋的光學(xué)三角測量產(chǎn)生的橫向（X軸）和深度（Z軸）信息。沿著激光線生成的XZ對集稱為輪廓。沿運動方向的兩個連續(xù)輪廓之間的距離構(gòu)成第三軸（Y）。通過這種方式掃描物體，我們獲得了物體的表面掃描信息（X，Y，Z）。

實現(xiàn)性能

憑借高速CMOS圖像傳感器的科技進步和現(xiàn)代FPGA的強大功能，快速可靠的嵌入式系統(tǒng)允許3D輪廓傳感器（針對給定的測量范圍）提供更大的視野以及前所未有速度的高動態(tài)范圍成像效果（HDR）。通過整合各種功能，如支持漫反射和鏡面反射配置的功能，以及5-GigE這樣的高速數(shù)據(jù)傳輸接口，3D輪廓傳感器能夠更好地應(yīng)對當(dāng)今在線3D機器視覺應(yīng)用帶來的挑戰(zhàn)。這些傳感器具有廣泛的光學(xué)布置，使用可擴展的處理架構(gòu)，并提供低至幾微米的高度和寬度分辨力。

更好的可用性和集成性

集成式激光三角測量輪廓儀使用和設(shè)置更方便，并且不需要特殊的照明布置。通過巧妙平衡輪廓儀設(shè)計的各種構(gòu)成模塊（圖像傳感器、激光能力、光路、機械和電子部件），可以以相對較低的成本獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

隨著輪廓儀變得更加可靠且技術(shù)不斷成熟，用戶可能會更加愿意選擇它作為首選技術(shù)。例如，激光三角測量技術(shù)對振動有很好的容忍度。通過掃描，小幅振動可以幫助減少激光散斑所產(chǎn)生的整體噪聲。

巧妙的架構(gòu)設(shè)計讓您可以通過增添處理模塊（例如人工智能、像素處理和智能傳感器等）來進一步提高系統(tǒng)的功能。

面向更廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計

如今，激光輪廓儀將HDR功能和反射消除算法相結(jié)合來測量物體特征，盡管表面反射程度不同。除了對人眼安全的紅色激光外，還提供藍色激光配置的機型，適用于掃描表面反射性較強或?qū)t色激光不可見的物體。

現(xiàn)代電子科技和人工智能（AI）技術(shù)的發(fā)展使系統(tǒng)變得更加強大，而且將成本控制在合理范圍內(nèi)。對于單個3D輪廓傳感器的視野無法滿足要求的應(yīng)用，用戶可以組合多個3D輪廓儀進行同步檢測，或者在物體需要進行360°檢測的情況下使用多個3D輪廓儀。

多傳感器裝置示例

此類應(yīng)用的示例包括大型木板、金屬、石膏板、塑料和各類沖壓件的檢查。每側(cè)具有不對稱特征的沖壓件需要在物體周圍使用多個傳感器。這要求所有傳感器都以適當(dāng)方式進行配置，使得生成的3D圖像能夠以真實方式呈現(xiàn)物體。要實現(xiàn)這一點，所有傳感器需要精確同步以生成組合圖像，方便測量。

汽車輪胎的3D檢測是使用3D輪廓傳感器的一個典型應(yīng)用。

局限性和其他需要考慮的問題

盡管3D激光三角測量技術(shù)在性能、成本和可用性方面有了很大的進步，但仍然需要考慮一些問題才能實現(xiàn)成功的系統(tǒng)集成。由于激光三角測量需要觀察角度，因此遮擋通常是一個問題。遮擋是由幾何三角測量引起的輪廓儀定位角度產(chǎn)生的陰影。一種解決方案是使用一個或兩個激光器和多個相機。傳感器還可能限制系統(tǒng)的整體速度和性能。激光散斑也是一個挑戰(zhàn)，它是激光本身產(chǎn)生的固有噪聲，會降低系統(tǒng)的分辨率。

主要市場和應(yīng)用

盡管如此，基于3D激光三角測量技術(shù)的系統(tǒng)仍然適用于種類繁多的應(yīng)用，包括電子和半導(dǎo)體生產(chǎn)、機器人、汽車制造和一般工廠自動化等眾多細分市場中的線上高度測量。