如何配置基于激光的3D三角測量系統(tǒng)以及如何設(shè)置激光線參數(shù)

從汽車和電子制造到木材加工，許多行業(yè)都會采用基于3D三角測量法的機(jī)器視覺系統(tǒng)。雖然使用三角法進(jìn)行測量的概念并不復(fù)雜，但在系統(tǒng)實(shí)施的過程中，有許多關(guān)鍵的細(xì)節(jié)必須解決，包括如何配置基于激光的3D三角測量系統(tǒng)以及如何設(shè)置激光線參數(shù)。

在基于激光的三角測量系統(tǒng)中，將一條狹窄的光帶投影到3D表面，在非投影器的觀察視角將會看到一條呈現(xiàn)扭曲的光線 (圖1)。分析這些光線圖像的形狀，其結(jié)果可被用來進(jìn)行物體表面形狀的精確幾何重構(gòu)。

圖1：從投射器以外的視角看到出現(xiàn)扭曲的激光線。這種失真被用來推導(dǎo)被測物的尺寸。

在一個(gè)3D三角測量系統(tǒng)中有4個(gè)重要的組成部分：攝像機(jī)、結(jié)構(gòu)激光器、在整個(gè)拍攝視場中移動被測物或攝像機(jī)/激光器系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、以及一款能夠處理圖像并能精確將像素位移轉(zhuǎn)換成高度差異的圖像軟件。

三角測量結(jié)構(gòu)

激光線投影系統(tǒng)有許多種不同的實(shí)現(xiàn)方式，每一種都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。圖2展示了4種最常見的幾何結(jié)構(gòu)。

圖2：4種常見的基于3D三角測量法的機(jī)器視覺系統(tǒng)配置。

在最常用的標(biāo)準(zhǔn)幾何結(jié)構(gòu)中 (Standard Geometry)，激光線被垂直投射在名義上的測量 (X,Y) 平面內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)最重要的特點(diǎn)就是被測物上沿投射光線的高度變化不會改變光線的Y軸坐標(biāo)值。這將簡化后續(xù)推導(dǎo)被測物形狀所需的計(jì)算，從而更加快速準(zhǔn)確的搭建系統(tǒng)并簡化安裝過程中的標(biāo)定。

標(biāo)準(zhǔn)幾何結(jié)構(gòu)的一個(gè)缺點(diǎn)是攝像機(jī)從某個(gè)非垂直的角度拍攝被測物，這增加了對景深的要求，即使被測物的高度發(fā)生變化也必須保持聚焦。這也意味著隨著高度 (從鏡頭到被測物的距離) 的變化，鏡頭要具備更大的放大倍率。因此，必須對被測物進(jìn)行標(biāo)定才能使系統(tǒng)推導(dǎo)出精確的測量結(jié)果。

這種方法會出現(xiàn)兩個(gè)問題。首先，只要亮度被整條光束的長度平均掉，它就無法體現(xiàn)光束最大的絕對功率變化。其次，它忽略的恰好是通常表現(xiàn)最糟糕的光束邊緣部分。

為了避免這些缺陷，相干公司為光束均勻度制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，基本上囊括了整條光束。具體而言，光束邊緣被定義為光束功率下降至功率歸一化峰值的80%的位置。光束亮度的平均值必須保證覆蓋整個(gè)區(qū)域且在此區(qū)域內(nèi)絕對功率值不能降低到低于峰值的75% (見圖3)。和定義為光束指定區(qū)域內(nèi)的平均值相比，這是更為嚴(yán)格的均勻性要求。

圖 3：亮度積分vs.激光線的位置 ，標(biāo)識峰值亮度 (Imax)、最小亮度 (IMin)、平均亮度 (IAvg) 及80%峰值功率。

這種更為嚴(yán)格的定義為系統(tǒng)開發(fā)者提供了兩個(gè)重要的優(yōu)勢。第一，對于現(xiàn)有的設(shè)備和放射健康中心 (CDRH) 安全分類來說，其生成的投射光線的功率更高，這將在采集的圖像中直接轉(zhuǎn)化為更好的信噪比 (SNR)，從而產(chǎn)生一個(gè)更快速更精確的視覺系統(tǒng)。這是因?yàn)镃DRH分類僅僅基于峰值功率，而不考慮峰值出現(xiàn)在光束的哪個(gè)位置。因此，如果功率峰值出現(xiàn)在光束邊緣 (這種情況經(jīng)常發(fā)生)，而光束中間部分的功率值相對非常低，則安全分類將會基于較高的值。

其次，符合這個(gè)規(guī)范將提高單元間的均勻性，對于系統(tǒng)集成商來說這將使產(chǎn)品的標(biāo)定和維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性變得更加容易。這是因?yàn)樵谝?guī)范中有對絕對亮度下限的定義，相比于簡單的依賴于平均值，這更加嚴(yán)格的限制了光束內(nèi)可出現(xiàn)的差異總量。

激光線寬度

即使不存在制造誤差，在實(shí)際工作中，隨著激光和被測物之間距離的變化，激光線聚焦處的光線寬度和長度也會發(fā)生變化。此外，這種變化的幅度很大程度上取決于如何使用激光光源生成光線，因此采用何種投射器光學(xué)部件對系統(tǒng)性能有著顯著的影響。

大部分光線投射器都基于二極管激光器，二極管激光器具有較大的光源尺寸，且在某一方向 (慢軸) 比垂直方向 (快軸) 的發(fā)散更低。這是二極管激光器的固有屬性，正是由于這一事實(shí)，其發(fā)光面在某個(gè)維度比另一維度更長。激光線投射光學(xué)部件可被配置成沿快軸或慢軸的方向延展成激光線，且基于這一選擇產(chǎn)生的衍射效應(yīng)將在3個(gè)重要方面影響激光線的性能 (見圖4)。

圖4：變換二極管激光器輸出的慢軸做為聚焦的激光線寬度方向?qū)@得更寬的光束，但是其景深較大而“領(lǐng)結(jié)”效應(yīng)不明顯。

首先，焦點(diǎn)處較小的線寬可以通過定向輸入激光束實(shí)現(xiàn)，使得快軸成為光束的寬度，而慢軸成為其長度。因?yàn)楦墓饩€寬度能夠提供更高的分辨率和功率密度，從而能夠測量被測物表面更細(xì)微的高度變化。

但是衍射效應(yīng)也會使高度聚焦的狹窄光線比較寬的光線更加快速的擴(kuò)散到焦點(diǎn)之外。因此，獲得較窄的聚焦線寬 (和更高的分辨率) 必然會犧牲一部分系統(tǒng)景深 (即超過該距離線寬將擴(kuò)大到不可接受的水平)。

最后，還有一種頗為特殊的效果，即當(dāng)一個(gè)平面被測物垂直于激光光束的光路，光束的邊緣必須比光束中心更遠(yuǎn)到達(dá)被測物。這是因?yàn)樵谶@段額外的距離上光束是發(fā)散的，光線寬度會出現(xiàn)邊緣比中心略寬 (假設(shè)焦點(diǎn)為光線的中心位置)。這通常被稱為“領(lǐng)結(jié)”效應(yīng)。同樣的，對于快速擴(kuò)散的光束這種效應(yīng)更為明顯。

光線平直度

最后一個(gè)值得一提的激光線參數(shù)是平直度。在現(xiàn)實(shí)世界中投射的激光線很少是完全筆直的。最常見的是弓型，有時(shí)會出現(xiàn)輕微的“S”型。弓型通常是由于入射激光束以非正常入射角度進(jìn)入光束整形光學(xué)器件而引起的。

因?yàn)楣饩€平直度依賴于光學(xué)對準(zhǔn)，因此在已有系統(tǒng)中，它可能會因?yàn)楣鈱W(xué)單元間的傳輸以及隨時(shí)間發(fā)生變化。因此，必須將光線的平直度考慮在內(nèi)才能對系統(tǒng)進(jìn)行正確標(biāo)定，從而獲得精確的測量結(jié)果。

雖然使用激光三角測量系統(tǒng)采用激光線投射器能夠提供比其他3D視覺技術(shù)更高的速度和精度，但是系統(tǒng)簡化容易讓人產(chǎn)生誤解。結(jié)果主要取決于幾個(gè)系統(tǒng)參數(shù)。此外，一些廠商會采用模糊或混淆的方式處理這些參數(shù)。因此，了解如何定義系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)非常重要，從而使最終的激光三角測量系統(tǒng)達(dá)到最佳的性價(jià)比。

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