深入瞭解3D鐳射三角測量(1)——鐳射成像系統的配置方法

隨著隨著智慧製造時代的逐步邁進,機器視覺產業逐漸被大家所重視,機器視覺產品以其高精度、高效率、資料互聯與替代人工的優勢,持續的在為整個社會提供著巨大價值。

基於3D三角測量技術的機器視覺系統就是其中一個分支,其中包括線鐳射輪廓感測器,焊縫跟蹤感測器等等,它們被廣泛的應用於汽車生產、電子製造等各個領域中的產品尺寸檢測、焊縫跟蹤、工件輪廓測量、機器人軌跡引導等諸多使用場景當中。

雖然使用三角測量的基本概念很簡單,但在設計此類系統時仍需要解決諸多問題。其中就包括如何配置基於鐳射的3D三角測量系統以及如何指定鐳射線引數。

深入瞭解3D鐳射三角測量(1)——鐳射成像系統的配置方法

圖 1: 當從線光源以外的其他角度觀看時,投影的鐳射線看起來會失真。 這種失真用於推匯出被測物體的尺寸。

在一套鐳射三角測量系統中,投射到物體表面上的線鐳射會產生一條明亮的投影線,從鐳射源以外的觀察角度來看,這條亮線會根據物體輪廓形成一定失真(圖 1)。 然後我們便可以透過對這些線條的形狀分析來實現物件表面形狀的精確幾何重建。

3D三角測量系統一般由四個主要部件構成,他們分別是相機、基於鐳射的線結構光、能夠在視場中對物體或者成像系統實現位移的平臺或導軌,以及處理影象並將畫素偏移轉換為高度差的軟體系統。

鐳射成像系統的配置

3D三角測量中的鐳射成像系統在實際應用中可以通過幾種不同的方式來實現,每種方式都有其獨特的特點和優劣。 比較常見的四種配置方式如圖 2 所示。

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圖 2:基於 3D 三角測量的機器視覺系統的四種常見配置。

一、最常用的標準配置是,鐳射線垂直於標稱測量 (x, y) 平面投影。 這種配置最重要的特性是物體沿投影線的高度變化不會導致線的 y 座標值發生變化。 這簡化了匯出物體形狀所需的後續計算,從而使系統在設定期間更快、更準確且更易於校準。這種方法的一個缺點是相機必須要以一個角度去觀察物件,這使得它必須增大自身的景深以便於在物體高度變化時保持對焦。

這也意味著隨著物體高度(以及與鏡頭的物體距離)的變化,鏡頭會經歷更大的放大倍數,因此,必須校準測試物件才能從系統中獲得準確的測量結果。 除此之外,這種配置也有一些其他的弊端,比如可能存在的遮擋:當相機以非垂直角度觀察物體,由於沒有物體本身完全平坦,所以投影線的某些部分會被擋在相機的視野之外,這導致在設計上必須進行權衡,因為隨著相機角度的增加,測量解析度和可能的遮擋都會隨之增加。

二、如果我們切換鐳射源和相機的位置,則能夠提供比上述標準配置更高的高度解析度,因為鐳射照明的斜角意味著物體高度的變化會導致鐳射線位置的更大偏移。 由於相機垂直於測量平面,因此在此配置中物件不會被遮擋。 但是與之相對的,零件高度的變化缺會導致投影線的 y 座標發生變化,從而使結果變得更加複雜。 因此,此設定通常被設計用來測量平面物件。

三、第三種配置是:鐳射和相機都與表面成相似的非法線角度(接近鏡面反射角)。 這種配置能夠提供更高的解析度。 然而,在這種佈置中,相機可能會看到來自鐳射的鏡面反射或近鏡面反射,如果這些反射在檢測器中產生飽和或光暈,就可能會導致測量錯誤。 當然,這一特點也可以被反向利用,如果需要測量的物件是深色物體且表面光滑,我們可以透過這種配置來提高反射率,以彌補在其他配置中深色物體因為反射率不足導致不容易被測量的問題。

四、最後一種配置目前也被廣泛使用:相機和線鐳射都放置在物體表面法線的同一側。 這給了人們將相機跟線鐳射實現整合的機會,常見的3D鐳射輪廓感測器,以及焊縫跟蹤感測器都是採用這一方法。同時,這種配置也極大地減少了鏡面反射的機會,除非物件具有高度紋理。 當然,這一定程度也降低了解析度,因為相機與投影儀的角度太過接近,而且這也有可能導致一些遮擋。

當然,還有其他可能的方法來配置基於鐳射的 3D三角測量視覺系統,但這些都是剛剛描述的四種基本典型配置的變體,替代方法通常會繼承這些配置的基本特徵,相當於它們的一種派生。

深入瞭解3D鐳射三角測量(1)——鐳射成像系統的配置方法

新產業鐳射用於3D三角測量的線鐳射器

長春新產業鐳射致力於為3D三角測量系統提供專業且質量穩定的線鐳射源,能夠為系統搭建商提供最適合的成像系統配置建議,並提供與之貼合的線鐳射方案,目前新產業鐳射的線鐳射產品已經在3D鐳射輪廓感測器,焊縫跟蹤感測器以及其他3D三角測量系統中被廣泛使用。

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