激光三角測(cè)量法，是視覺檢測(cè)領(lǐng)域較為常用也是比較容易理解的一種3D視覺檢測(cè)算法。

本文主要從應(yīng)用層次來闡述，包括相機(jī)和激光選型、搭接方式的優(yōu)劣點(diǎn)分析、軟件開發(fā)過程中的注意事項(xiàng)等。

一、原理及演示

將一條單線細(xì)激光光線投射到物體表面，由于物體表面高度發(fā)生變化，使得激光線發(fā)生了彎曲，根據(jù)這個(gè)線的變形，可以計(jì)算出精確的物體表面三維輪廓。

如下圖所示，基本組成結(jié)構(gòu)有：1）2D/3D相機(jī) 2）線激光 3）鏡頭 4）固定架和安裝方法

二、特點(diǎn)

 1）可以同時(shí)獲得X，Z向坐標(biāo)

 2）相機(jī)與被測(cè)物之間必須有相對(duì)運(yùn)行

 3）主要用于在線3D測(cè)量

 4）適合近距離、高精度、高速測(cè)量     

三、關(guān)鍵參數(shù)

3.1 相機(jī)的選擇

相機(jī)可以選擇普通面陣相機(jī)或3D相機(jī)，均可以得到3D圖像或者點(diǎn)云數(shù)據(jù)。使用普通面陣相機(jī)，需要自己提取輪廓線，并通過標(biāo)定來重建深度圖像，Halcon里面有現(xiàn)成的例程進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。如果對(duì)行頻要求不高、Z向精度要求不高的場(chǎng)合，完全可以使用高速面陣相機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

我近期所做項(xiàng)目，對(duì)行頻和精度要求偏高，所以還是選取的3D相機(jī)的方案。德國(guó)的SICK、AT相機(jī)是工業(yè)檢測(cè)應(yīng)用中用的比較多的兩款3D相機(jī)了，最高行頻都可以做到幾十KHZ，以AT相機(jī)為例，具體參數(shù)如下：

行頻的大小除了和行數(shù)有關(guān)，也跟設(shè)置的ROI的寬度（像素點(diǎn)數(shù)）、曝光時(shí)間均有直接的關(guān)系。

3.2 線激光的選擇

線激光的評(píng)價(jià)參數(shù)有很多，如均勻性、點(diǎn)穩(wěn)定性、準(zhǔn)直度、瞄準(zhǔn)線、功率穩(wěn)定性。激光器自身的參數(shù)有：扇角、功率、景深等。實(shí)際項(xiàng)目選型中，最常用的參數(shù)有：

• 扇角：扇角越大，同樣工作距離對(duì)應(yīng)的激光線越長(zhǎng)。

• 功率：功率越高，激光的強(qiáng)度越大（肉眼看越亮）。對(duì)于黑色不反光材質(zhì)，要選擇功率大一點(diǎn)的激光。功率的穩(wěn)定性也會(huì)影響測(cè)量的靈敏性，較差的功率穩(wěn)定性，將不能使用固定的閾值方法，對(duì)于較低對(duì)比度的物體測(cè)量變得困難

• 均勻性：不好的均勻性會(huì)降低分辨率和精度

經(jīng)過對(duì)多個(gè)不同品牌激光的測(cè)試，德國(guó)的ZLaser激光是性價(jià)比較高的一款激光，多種型號(hào)可以滿足不同場(chǎng)合的應(yīng)用。

3.3 搭接方式的選擇

1）標(biāo)準(zhǔn)安裝：激光垂直材料平面，相機(jī)與激光呈α角度

適應(yīng)場(chǎng)合：大多數(shù)場(chǎng)合均適用

優(yōu)點(diǎn)：輪廓上的點(diǎn)都有相同的Y坐標(biāo)，標(biāo)定簡(jiǎn)單

缺點(diǎn)：存在盲區(qū)

2）反向安裝：相機(jī)垂直材料平面，激光與相機(jī)呈α角度

適用場(chǎng)合：平面物體

優(yōu)點(diǎn)：可增加高度分辨率

缺點(diǎn)：輪廓上的點(diǎn)的Y坐標(biāo)不相同，標(biāo)定復(fù)雜

3）發(fā)射式安裝或明場(chǎng)安裝方式

適用場(chǎng)合：適用于返光不強(qiáng)的平面物體。由于直接反射，可增加物體的返光亮度（對(duì)于某些材質(zhì)，可能是缺點(diǎn)）。

優(yōu)點(diǎn)：大大增加高度分辨率

缺點(diǎn)：標(biāo)定復(fù)雜

4）暗場(chǎng)安裝方式

適用場(chǎng)合：返光較強(qiáng)的平面物體。

優(yōu)點(diǎn)：可減少直接光的反射

缺點(diǎn)：會(huì)降低高度分辨率，標(biāo)定復(fù)雜

3.4 測(cè)量角的選擇

較大的測(cè)量角，可以帶來更高的Z方向分辨率，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致更大的盲區(qū)。所以需要根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目情況進(jìn)行權(quán)衡。

例如：5mm高物體，，盲區(qū)為4.2mm

四、實(shí)際應(yīng)用

4.1 應(yīng)用舉例

需要已知如下信息：

• 物體大小（長(zhǎng)、寬、高）

• X，Y，Z方向精度要求

• 掃描速度

• 應(yīng)用類型

• 材質(zhì)

舉個(gè)例子，需要測(cè)量的物體大小為80*50*5（長(zhǎng)*寬*高），X向精度0.3mm，Y向精度0.3mm，掃描速度為2m/s，那么需要的X向分辨率不高于0.1mm/pixel，Y向分辨率不高于0.1mm/pixel。

• 相機(jī)選擇

需要選擇的像素點(diǎn)數(shù)不低于80/0.1=800；對(duì)應(yīng)的行頻不低于2000/0.1=20KHZ。

相機(jī)能達(dá)到的最大行頻，取決于ROI有效區(qū)域的大小、曝光時(shí)間和輪廓提取算法等。而ROI有效區(qū)域的大小又取決于材料的厚度范圍，曝光時(shí)間一部分取決于材料的材質(zhì)（有的材料比如橡膠輪胎為黑色吸光的材質(zhì)，在同等光源亮度情況下，需要的曝光時(shí)間要高一些）

2）鏡頭選擇

這個(gè)跟2D一致。主要取決于現(xiàn)場(chǎng)安裝的工作距離，焦距越大工作距離越遠(yuǎn)

3）搭接方式

如上所述，各有利弊，可以從標(biāo)定的難易程度、檢測(cè)精度、平面物體的材質(zhì)等多個(gè)因素考慮選擇哪種方式

4.2 采圖

當(dāng)相機(jī)和激光角度固定時(shí)，相機(jī)安裝方向的不同會(huì)導(dǎo)致灰度極性的不同（即高度越高的物體，對(duì)應(yīng)的灰度值越亮還是越暗）。簡(jiǎn)單總結(jié)：相機(jī)自身安裝是有方向的，若激光在相機(jī)的正方向的上面，則高度越高的物體，對(duì)應(yīng)的灰度值越低；否則對(duì)應(yīng)的灰度值越高。

基于此，如果想改變灰度極性，在不更改相機(jī)安裝方向的情況下，可以通過設(shè)置ReverseY參數(shù)來更改。

4.3 標(biāo)定

標(biāo)定的目的：獲得相機(jī)內(nèi)外參數(shù)、以及激光光平面的方向。進(jìn)而可以計(jì)算出物體X和Z向的物理單位大小。3D相機(jī)一般集成了現(xiàn)成的標(biāo)定模塊，所以標(biāo)定起來比較容易，經(jīng)常用的標(biāo)定方法為：鋸齒形標(biāo)定板

通過在運(yùn)動(dòng)方向上移動(dòng)標(biāo)定塊，調(diào)用相機(jī)自身的標(biāo)定算法，來實(shí)現(xiàn)對(duì)3D相機(jī)的標(biāo)定。

總結(jié)：激光三角測(cè)量法，是視覺檢測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟的算法，目前可運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)視覺3d檢測(cè)，瑞科更是視覺檢測(cè)領(lǐng)域的佼佼者。