激光三角測量法，是視覺檢測領(lǐng)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(yīng)用層次來闡述，包括相機和激光選型、搭接方式的優(yōu)劣點分析、軟件開發(fā)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(fā)生變化，使得激光線發(fā)生了彎曲，根據(jù)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(jié)構(gòu)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(biāo)

 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(guān)鍵參數(shù)

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(shù)據(jù)。使用普通面陣相機，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)成的例程進行實現(xiàn)。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(xiàn)。

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(yè)檢測應(yīng)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SICK相機為例，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（像素點數(shù)）、曝光時間均有直接的關(guān)系。

3.2線激光的選擇

線激光的評價參數(shù)有很多，如均勻性、點穩(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。實際項目選型中，最常用的參數(shù)有：

• 扇角：扇角越大，同樣工作距離對應(yīng)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(zhì)，要選擇功率大一點的激光。功率的穩(wěn)定性也會影響測量的靈敏性，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(jīng)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(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，相機與激光呈α角度

適應(yīng)場合：大多數(shù)場合均適用

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

缺點：存在盲區(qū)

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(yōu)點：可增加高度分辨率

缺點：輪廓上的點的Y坐標(biāo)不相同，標(biāo)定復(fù)雜

3）發(fā)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(zhì)，可能是缺點）。

優(yōu)點：大大增加高度分辨率

缺點：標(biāo)定復(fù)雜

4）暗場安裝方式

適用場合：返光較強的平面物體。

優(yōu)點：可減少直接光的反射

缺點：會降低高度分辨率，標(biāo)定復(fù)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(dǎo)致更大的盲區(qū)。所以需要根據(jù)實際項目情況進行權(quán)衡。

例如：5mm高物體，，盲區(qū)為4.2mm

四、實際應(yīng)用

4.1應(yīng)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(yīng)用類型

• 材質(zhì)

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(shù)不低于80/0.1=800；對應(yīng)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(qū)域的大小、曝光時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，需要的曝光時間要高一些）

2）鏡頭選擇

這個跟2D一致。主要取決于現(xiàn)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(biāo)定的難易程度、檢測精度、平面物體的材質(zhì)等多個因素考慮選擇哪種方式

4.2采圖

當(dāng)相機和激光角度固定時，相機安裝方向的不同會導(dǎo)致灰度極性的不同（即高度越高的物體，對應(yīng)的灰度值越亮還是越暗）。簡單總結(jié)：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(yīng)的灰度值越低；否則對應(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：獲得相機內(nèi)外參數(shù)、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(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

通過在運動方向上移動標(biāo)定塊，調(diào)用相機自身的標(biāo)定算法，來實現(xiàn)對3D相機的標(biāo)定。

總結(jié)：激光三角測量法，是視覺檢測領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟的算法，目前可運用在各個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)視覺3d檢測.精馳技術(shù)更是視覺檢測領(lǐng)域的佼佼者。 

東莞市精馳技術(shù)有限公司的企業(yè)創(chuàng)始團隊來自華南理工大學(xué)等國內(nèi)知名工科院校和行業(yè)龍頭企業(yè)的核心骨干，團隊擁有13年以上的行業(yè)經(jīng)驗。公司立足自主研發(fā)，具有優(yōu)秀的軟件生產(chǎn)能力。在視覺檢測領(lǐng)域上深研，不斷取得佳績。視覺檢測你永遠可以相信精馳。