作者&＃xff1a;白杨

来源&＃xff1a;公众号&＃64;3D视觉工坊

激光三角测量法&＃xff0c;是工业视觉领域较为常用也是比较容易理解的一种3D检测算法。本文主要从应用层次来阐述&＃xff0c;包括相机和激光选型、搭接方式的优劣点分析、软件开发过程中的注意事项等。

1.原理及演示

将一条单线细激光光线投射到物体表面&＃xff0c;由于物体表面高度发生变化&＃xff0c;使得激光线发生了弯曲&＃xff0c;根据这个线的变形&＃xff0c;可以计算出精确的物体表面三维轮廓。如下图所示&＃xff0c;基本组成结构有&＃xff1a;1) 2D/3D相机 2)线激光 3)镜头 4)固定架和安装方法

2.特点

1)可以同时获得X&＃xff0c;Z向坐标

2)相机与被测物之间必须有相对运行

3)主要用于在线3D测量

4)适合近距离、高精度、高速测量

3.关键参数

3.1相机的选择

相机可以选择普通面阵相机或3D相机&＃xff0c;均可以得到3D图像或者点云数据。使用普通面阵相机&＃xff0c;需要自己提取轮廓线&＃xff0c;并通过标定来重建深度图像&＃xff0c;Halcon里面有现成的例程进行实现。如果对行频要求不高、Z向精度要求不高的场合&＃xff0c;完全可以使用高速面阵相机来实现。

我近期所做项目&＃xff0c;对行频和精度要求偏高&＃xff0c;所以还是选取的3D相机的方案。德国的SICK、AT相机是工业检测应用中用的比较多的两款3D相机了&＃xff0c;最高行频都可以做到几十KHZ&＃xff0c;以AT相机为例&＃xff0c;具体参数如下&＃xff1a;

行频的大小除了和行数有关&＃xff0c;也跟设置的ROI的宽度(像素点数)、曝光时间均有直接的关系。

3.2线激光的选择

线激光的评价参数有很多&＃xff0c;如均匀性、点稳定性、准直度、瞄准线、功率稳定性。激光器自身的参数有&＃xff1a;扇角、功率、景深等。实际项目选型中&＃xff0c;最常用的参数有&＃xff1a;

• 扇角&＃xff1a;扇角越大&＃xff0c;同样工作距离对应的激光线越长。

• 功率&＃xff1a;功率越高&＃xff0c;激光的强度越大(肉眼看越亮)。对于黑色不反光材质&＃xff0c;要选择功率大一点的激光。功率的稳定性也会影响测量的灵敏性&＃xff0c;较差的功率稳定性&＃xff0c;将不能使用固定的阈值方法&＃xff0c;对于较低对比度的物体测量变得困难
• 均匀性&＃xff1a;不好的均匀性会降低分辨率和精度

经过对多个不同品牌激光的测试&＃xff0c;德国的ZLaser激光是性价比较高的一款激光&＃xff0c;多种型号可以满足不同场合的应用。

3.3搭接方式的选择

1)标准安装&＃xff1a;激光垂直材料平面&＃xff0c;相机与激光呈α角度

适应场合&＃xff1a;大多数场合均适用

优点&＃xff1a;轮廓上的点都有相同的Y坐标&＃xff0c;标定简单

缺点&＃xff1a;存在盲区

2)反向安装&＃xff1a;相机垂直材料平面&＃xff0c;激光与相机呈α角度

适用场合&＃xff1a;平面物体

优点&＃xff1a;可增加高度分辨率

缺点&＃xff1a;轮廓上的点的Y坐标不相同&＃xff0c;标定复杂

3)发射式安装或明场安装方式

适用场合&＃xff1a;适用于返光不强的平面物体。由于直接反射&＃xff0c;可增加物体的返光亮度(对于某些材质&＃xff0c;可能是缺点)。

优点&＃xff1a;大大增加高度分辨率

缺点&＃xff1a;标定复杂

4)暗场安装方式

适用场合&＃xff1a;返光较强的平面物体。

优点&＃xff1a;可减少直接光的反射

缺点&＃xff1a;会降低高度分辨率&＃xff0c;标定复杂

3.4测量角的选择

较大的测量角&＃xff0c;可以带来更高的Z方向分辨率&＃xff0c;同时也会导致更大的盲区。所以需要根据实际项目情况进行权衡。

例如&＃xff1a;5mm高物体&＃xff0c;&＃xff0c;盲区为4.2mm

4.实际应用

4.1应用举例

需要已知如下信息&＃xff1a;

• 物体大小(长、宽、高)
• X&＃xff0c;Y&＃xff0c;Z方向精度要求
• 扫描速度
• 应用类型
• 材质

举个例子&＃xff0c;需要测量的物体大小为80*50*5(长*宽*高)&＃xff0c;X向精度0.3mm&＃xff0c;Y向精度0.3mm&＃xff0c;扫描速度为2m/s&＃xff0c;那么需要的X向分辨率不高于0.1mm/pixel&＃xff0c;Y向分辨率不高于0.1mm/pixel。

• 相机选择

需要选择的像素点数不低于80/0.1&＃61;800&＃xff1b;对应的行频不低于2000/0.1&＃61;20KHZ。

相机能达到的最大行频&＃xff0c;取决于ROI有效区域的大小、曝光时间和轮廓提取算法等。而ROI有效区域的大小又取决于材料的厚度范围&＃xff0c;曝光时间一部分取决于材料的材质(有的材料比如橡胶轮胎为黑色吸光的材质&＃xff0c;在同等光源亮度情况下&＃xff0c;需要的曝光时间要高一些)

2)镜头选择

这个跟2D一致。主要取决于现场安装的工作距离&＃xff0c;焦距越大工作距离越远

3)搭接方式

如上所述&＃xff0c;各有利弊&＃xff0c;可以从标定的难易程度、检测精度、平面物体的材质等多个因素考虑选择哪种方式

4.2采图

当相机和激光角度固定时&＃xff0c;相机安装方向的不同会导致灰度极性的不同(即高度越高的物体&＃xff0c;对应的灰度值越亮还是越暗)。简单总结&＃xff1a;相机自身安装是有方向的&＃xff0c;若激光在相机的正方向的上面&＃xff0c;则高度越高的物体&＃xff0c;对应的灰度值越低&＃xff1b;否则对应的灰度值越高。

基于此&＃xff0c;如果想改变灰度极性&＃xff0c;在不更改相机安装方向的情况下&＃xff0c;可以通过设置ReverseY参数来更改。

4.3标定

标定的目的&＃xff1a;获得相机内外参数、以及激光光平面的方向。进而可以计算出物体X和Z向的物理单位大小。3D相机一般集成了现成的标定模块&＃xff0c;所以标定起来比较容易&＃xff0c;经常用的标定方法为&＃xff1a;锯齿形标定板

通过在运动方向上移动标定块&＃xff0c;调用相机自身的标定算法&＃xff0c;来实现对3D相机的标定。

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