3D激光三角測量技術為機器視覺提供深度

Inder Kohli

Teledyne Dalsa

導讀：技術的進步和成本的降低使3D視覺成為一種可以用于半導體和電子、電動車電池制造、汽車制造、食品生產和藥品包裝等多種應用和行業的技術。如今，在生產制造自動化、機器人引導和質量控制領域中3D傳感器和輪廓儀越來越多地被應用。Z-Trak2 3D輪廓傳感器通過穩定的5GigE接口提供了高速的線上檢測手段。

0 前言

技術的進步和成本的降低使3D視覺成為一種可以用于半導體和電子、電動車電池制造、汽車制造、食品生產和藥品包裝等多種應用和行業的技術。如今，在生產制造自動化、機器人引導和質量控制領域中3D傳感器和輪廓儀越來越多地被應用。

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

傳感器質量和速度、嵌入式視覺、FPGA、激光、光學和智能系統的同步發展，使3D成像成為當今更加可行的選擇。現在的3D成像技術具有成本低、可靠、可重復、易于實施的優勢，并在各種要求嚴苛的應用中得到驗證。雖然1D和2D技術仍在廣泛使用，但現在3D技術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圖像傳感器技術打造的3D輪廓傳感器系列。Z-Trak2 3D輪廓傳感器通過穩定的5GigE接口提供了高速的線上檢測手段。

1 3D激光三角測量技術

3D成像技術之一是3D激光三角測量。該技術已經存在了很長一段時間，但直到近年才取得進展，由于校準的復雜性、有限的掃描速率、所需的計算能力和現場維護成本，使它在線上應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三角測量產生的橫向（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輪廓之間的距離構成第三軸（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）。

憑借高速CMOS圖像傳感器的科技進步和現代FPGA的強大功能，快速可靠的嵌入式系統允許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的速度的高動態范圍成像效果（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5GigE這樣的高速數據傳輸接口，3D輪廓傳感器能夠更好地應對當今在線3D機器視覺應用帶來的挑戰。這些傳感器具有廣泛的光學布置，使用可擴展的處理架構，并提供低至幾微米的高度和寬度分辨力。

2 可用性和集成性

集成式激光三角測量輪廓儀使用和設置更方便，并且不需要特殊的照明布置。通過巧妙平衡輪廓儀設計的各種構成模塊（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確的測量結果。

隨著輪廓儀變得更加可靠且技術不斷成熟，用戶可能會更加愿意選擇它作為首選技術。例如，激光三角測量技術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生的整體噪聲。

巧妙的架構設計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）來進一步提高系統的功能。

3 面向更廣泛應用領域的系統設計

如今，激光輪廓儀將HDR功能和反射消除算法相結合來測量物體特征，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對紅色激光不可見的物體。

現代電子科技和人工智能（AI）技術的發展使系統變得更加強大，而且將成本控制在合理范圍內。對于單個3D輪廓傳感器的視野無法滿足要求的應用，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。

此類應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方式進行配置，使得生成的3D圖像能夠以真實方式呈現物體。要實現這一點，所有傳感器需要精確同步以生成組合圖像，方便測量。

4 局限性和其他需要考慮的問題

盡管3D激光三角測量技術在性能、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成功的系統集成。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的整體速度和性能。激光散斑也是一個挑戰，它是激光本身產生的固有噪聲，會降低系統的分辨率。

5 主要市場和應用

盡管如此，基于3D激光三角測量技術的系統仍然適用于種類繁多的應用，包括電子和半導體生產、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。

工業：

在線檢測、體積測量、機器人引導、 間隙和段差測量、表面檢測。

電子：

芯片導線檢測、BGA和微型BGA檢測、錫膏檢測、PCB裸板和裝配板檢測。

機器視覺：

零件檢測、零件識別、壓印OCR、壓印條形碼、胎圈檢測、抓取-貼裝、木材和木料檢測、角度測量。