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視覺檢測激光三角測量法

2021-03-26 09:40:00 0

激光三角測量法,是視覺檢測領域較為常用也是比較容易理解的一種3D視覺檢測算法。

本文主要從應用層次來闡述,包括相機和激光選型、搭接方式的優劣點分析、軟件開發過程中的注意事項等。

一、原理及演示

將一條單線細激光光線投射到物體表面,由于物體表面高度發生變化,使得激光線發生了彎曲,根據這個線的變形,可以計算出精確的物體表面三維輪廓。

如下圖所示,基本組成結構有:1)2D/3D相機 2)線激光 3)鏡頭 4)固定架和安裝方法



二、特點

 1)可以同時獲得X,Z向坐標

 2)相機與被測物之間必須有相對運行

 3)主要用于在線3D測量

 4)適合近距離、高精度、高速測量     

三、關鍵參數

3.1 相機的選擇

相機可以選擇普通面陣相機或3D相機,均可以得到3D圖像或者點云數據。使用普通面陣相機,需要自己提取輪廓線,并通過標定來重建深度圖像,Halcon里面有現成的例程進行實現。如果對行頻要求不高、Z向精度要求不高的場合,完全可以使用高速面陣相機來實現。

我近期所做項目,對行頻和精度要求偏高,所以還是選取的3D相機的方案。德國的SICK、AT相機是工業檢測應用中用的比較多的兩款3D相機了,最高行頻都可以做到幾十KHZ,以AT相機為例,具體參數如下:

行頻的大小除了和行數有關,也跟設置的ROI的寬度(像素點數)、曝光時間均有直接的關系。

3.2 線激光的選擇

線激光的評價參數有很多,如均勻性、點穩定性、準直度、瞄準線、功率穩定性。激光器自身的參數有:扇角、功率、景深等。實際項目選型中,最常用的參數有:

  • 扇角:扇角越大,同樣工作距離對應的激光線越長。

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

  • 均勻性:不好的均勻性會降低分辨率和精度

經過對多個不同品牌激光的測試,德國的ZLaser激光是性價比較高的一款激光,多種型號可以滿足不同場合的應用。

3.3 搭接方式的選擇

1)標準安裝:激光垂直材料平面,相機與激光呈α角度

適應場合:大多數場合均適用

優點:輪廓上的點都有相同的Y坐標,標定簡單

缺點:存在盲區

2)反向安裝:相機垂直材料平面,激光與相機呈α角度

適用場合:平面物體

優點:可增加高度分辨率

缺點:輪廓上的點的Y坐標不相同,標定復雜

3)發射式安裝或明場安裝方式

適用場合:適用于返光不強的平面物體。由于直接反射,可增加物體的返光亮度(對于某些材質,可能是缺點)。

優點:大大增加高度分辨率

缺點:標定復雜

4)暗場安裝方式

適用場合:返光較強的平面物體。

優點:可減少直接光的反射

缺點:會降低高度分辨率,標定復雜

3.4 測量角的選擇

較大的測量角,可以帶來更高的Z方向分辨率,同時也會導致更大的盲區。所以需要根據實際項目情況進行權衡。

例如:5mm高物體,,盲區為4.2mm

四、實際應用

4.1 應用舉例

需要已知如下信息:

  • 物體大?。ㄩL、寬、高)

  • X,Y,Z方向精度要求

  • 掃描速度

  • 應用類型

  • 材質

舉個例子,需要測量的物體大小為80*50*5(長*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。

  • 相機選擇

需要選擇的像素點數不低于80/0.1=800;對應的行頻不低于2000/0.1=20KHZ。

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

2)鏡頭選擇

這個跟2D一致。主要取決于現場安裝的工作距離,焦距越大工作距離越遠

3)搭接方式

如上所述,各有利弊,可以從標定的難易程度、檢測精度、平面物體的材質等多個因素考慮選擇哪種方式

4.2 采圖

當相機和激光角度固定時,相機安裝方向的不同會導致灰度極性的不同(即高度越高的物體,對應的灰度值越亮還是越暗)。簡單總結:相機自身安裝是有方向的,若激光在相機的正方向的上面,則高度越高的物體,對應的灰度值越低;否則對應的灰度值越高。

基于此,如果想改變灰度極性,在不更改相機安裝方向的情況下,可以通過設置ReverseY參數來更改。


4.3 標定

標定的目的:獲得相機內外參數、以及激光光平面的方向。進而可以計算出物體X和Z向的物理單位大小。3D相機一般集成了現成的標定模塊,所以標定起來比較容易,經常用的標定方法為:鋸齒形標定板

通過在運動方向上移動標定塊,調用相機自身的標定算法,來實現對3D相機的標定。

總結:激光三角測量法,是視覺檢測領域已經非常成熟的算法,目前可運用在各個領域實現視覺3d檢測,瑞科更是視覺檢測領域的佼佼者。

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