1.原理和應用場景

1.1 相機原理

3D激光輪廓傳感器是基于激光三角測量法來重建三維場景。向被測物表面投射激光，通過使用2D相機接收其反射光的變化，可以非接觸式測量物體表面輪廓（截面形狀）。通過被測物和輪廓儀間的相對運動，對連續獲取的一組剖面輪廓高度數據來近似地重構出被測物的3D形狀，實現高精度測量及檢測。

1.1.1 測量原理

1.1.2 相機激光器

激光器由傳統的柱面鏡改為鮑威爾棱鏡，將通過準直透鏡的光線，產生亮度均勻的直線。

1.1.3 沙姆鏡頭

沙姆定律定義：當被攝體平面、影像平面、鏡頭平面這三個面的延長面相交于一直線時，即可得到全面清晰的影像。

1.1.4 相機標定

1.1.5 中心線提取

1.2 應用場景

1.2.1 測量相關應用

檢測電池倉平整度、A級面共面度以及螺釘孔位浮高

1.2.2 缺陷檢測相關應用

需要對Pin針歪斜、缺針、高度異常等情況進行檢出。

2.相機參數介紹及選型介紹

2.1 成像原理

3D激光輪廓儀是基于激光三角測量法(laser triangulation)來重建三維場景。向被測物表面投射激光平面(光片，sheet of light) ，通過使用CMOS相機接收其反射光的變化，可以非接觸方式測量高度、高度差、寬度等輪廓（截面形狀）。
通過被測物和輪廓儀之間的相對運動，對連續獲取的輪廓數據進行圖像處理重構獲得被測物的3D形狀，實現高精度測量及檢測。

2.2 原始圖成像

不同于常規相機焦平面、鏡頭平面和像平面三個平面平行，輪廓儀的三者相交于同一條直線。通過沙姆角設計，擴展了測量景深，使得全測量范圍清晰成像。

普通成像

沙姆成像

2.3 生成輪廓圖

對于線激光三角測量來說，核心算法在于輪廓線中心點的提取，高魯棒性的提取算法可以使傳感器輕松應對各種復雜場景；
對一張原始圖，遍歷每列搜索，每列得到一個輪廓點，這些輪廓點構成一條輪廓線。

2.4 相機規格參數

2.4.1 單輪廓點數

指相機Sensor橫向分辨率。
2K系列，單輪廓點數為2048個點 。
3K系列，單輪廓點數為3200個點。
4K系列，單輪廓點數為4096個點。

2.4.2 參考距離

推薦相機的架設高度(相機下端面到目標物表面的距離）

2.4.3 Z軸測量范圍

Z軸(高度)方向上可測量的范圍

2.4.4 X軸測量范圍

即橫向視場，X軸（寬度）方向上可測量的范圍。

2.4.5 Z軸分辨率

相機在高度方向上的最高分辨能力，為亞像素分辨率。標注的近端到遠端下的分辨率范圍；在測量范圍內，越靠近近端，Z方向分辨率越高。

2.4.6 Z軸重復精度

相機在參考距離高度下架設，激光線打在陶瓷平面，重復采集4096條原始輪廓數據（不進行濾波處理），每條輪廓都有一個平均z值。這些平均z值的最大值減去最小值得到重復精度；

2.4.7 Z軸線性度(±% of MR)

Z方向線性度是在整個測量范圍內被測物的實際距離和測量距離之間的差值。該差值與測量范圍的比例即稱為直線性。 Z方向線性度指示傳感器的絕對測量能力.

2.4.8 輪廓數據間隔

沿X軸激光線方向輪廓點的水平間隔，
輪廓數據間隔=測量處視場寬度÷單輪廓點數。

2.4.9 數據輸出類型

原始圖：由輪廓儀內集成的2D相機拍攝激光線的原始成像

輪廓數據：原始成像經過中心線提取算法所得到的單條點云數據。

點云數據：三維數據點的集合，其中每個數據點包含空間X,Y,Z信息。

深度圖：包含深度信息的一張二維圖像，深度圖中每個像素的灰度值代表深度信息。

亮度圖：包含激光線亮度信息的一張二維圖像，亮度圖中每個像素的灰度值代表亮度信息。

2.4.10 激光波長

激光是“電磁波”的一種，“電磁波”存在波長這一標準。激光波長一般為405nm和650nm兩種波長，肉眼判斷分別為藍光和紅光。

2.4.11 觸發模式

觸發模式分為軟觸發和硬件觸發。
軟觸發：通過軟件代碼命令來觸發相機拍照
硬觸發：通過外部硬件的控制信號觸發相機拍照

2.4.12 掃描幀率

掃描行頻，相機每秒最高采集多少條剖面輪廓；標注全畫幅下（最大測量范圍下）的行頻和通過縮小感興趣區域(ROI)后可達的最高行頻。

2.4.13 激光等級

根據激光產品對人體組織的危害機理以及造成的傷害程度，按照IEC 60825-1：2014 激光產品安全標準進行分類：將激光產品進行分類。

2.5 相機選型評估

2.5.1 精度評估

Z軸系統重復精度判斷:
Z方向絕對誤差一般為Z方向分辨率*(3-8)倍，以海康DP-2060-01H為例，絕對誤差為7.5-24微米。最終乘以3-8倍，主要取決與機構精度，以及環境震動導致。

X/Y精度判斷:
X方向絕對誤差一般為輪廓間隔4-5倍，以DP-2120-01H遠視場為例，絕對誤差為188-236微米（受環境影響）。

2.5.2 視場評估

視場位置選擇：
1、視場足夠的條件下使用中間視場，即參考距離高度
2、精度要求高選擇上1/3視場
3、視野要求大選擇下1/3視場
4、切忌不要將激光線太貼近上下視場邊緣（線性度差）

視場大小選擇：
1、首先選取滿足客戶精度要求的相機，此時若視場不滿足，即選擇拼接。
2、若客戶對于精度無要求，那么選取對應視野滿足的相機即可。

2.5.3 速度評估條件

1、相機可達的最大幀率：在保證ROI可以包含被測物高度的前提下，查看相機可達到的上限幀率，一般取可達上限
幀率的90%作為當前最高幀率（為防止編碼器波動或者速度波動造成的誤差）
2、客戶要求的Y方向圖像分辨率：根據客戶精度要求，確定Y方向分辨率Yscale，一般為客戶絕對誤差的1/3，
stepdistance（步進間距）一般等于Yscale（Y軸采樣間距）
3、根據精度和可達的最大幀率確定最快速度：V=當前可達最大幀率*stepdistance

2.5.4 效率評估

檢測效率≠V/被測物料長度，檢測效率=V/周期長度，
周期長度=物料長度+物料間隔，CT時間=周期長度/V

2.5.5 材質評估

紅光藍光選擇：藍光相比紅光精度更高.。
紅色激光（傳統機型): 傳統機型使用紅色激光，成像激光光束較粗，輪廓結果跳動較大，重復性較差。
藍色激光： 藍色激光成像更精細，輪廓結果更穩定，精度更高。

激光對比

針對某些黑色吸光材料時，合適的選擇激光可以使成像效果更好。紅色波長量子效率高，提高黑色物體響應率；下圖為相同曝光參數下成像

2.5.6 成像質量(噪點、空洞）

重點關注掃描出來的圖像與實際物體的還原程度對比，當還原程度較高時，成像較好，還原程度較低時，成像較差。

2.6 多相機拼接

2.6.1 相機上下對射場景

主要用來測量產品厚度

2.6.2 雙相機左右并列拼接

適用條件：樣品需要測試的面積過大，節拍要求高，單相機掃描拼接節拍無法達到要求,需要擴大X方向的視野。

2.6.3 雙相機對向掃描拼接

適用條件：單相機掃描出圖盲區過大，使有效區域無法顯示。

各個拼接的結構布局都是在進行相對位移，要么相機靜止，樣品移動；要么樣品靜止，相機運動。

3.3D項目需求與評估規范

3.1 應用類型

檢測類型：缺陷檢測、特征有無的判斷等
測量類型：物體的長寬高、特征、體積等
OCR類型：數字、字符、文字識別等
識別類型：特征分類等
定位類型：特征位置、邊緣位置等

3.2 使用環境

使用環境對評估方案精度有重要意義，如有特殊使用環境，請客戶補充說明：
例如設備空間、隔離拍攝等。

3.3 項目信息

有明確的項目需求描述，明確公差范圍、重復精度、絕對精度、檢測效率等信息，確定是設備需求還是解決方案需求，提供必要的當前方案信息和痛點

4.相機圖像格式和坐標系

4.1 原始圖

4.2 輪廓圖

4.3 深度圖

深度圖是由輪廓圖拼接轉換而來

4.4 亮度圖

4.5 點云圖

點云圖是由深度圖轉換而來

4.6 坐標系介紹

5.系統標定

安裝設備時，難以確保安裝后設備的X/Y方向所在平面與載物臺平面平行，設備的Y方向也難以確保和運動掃描方向一致。
設備的安裝誤差會影響測量的絕對精度，可通過系統標定矯正安裝誤差，得到系統坐標系下的點云數據，提高測量的絕對精度。
經過系統標定后，可以將傾斜的平面矯正為水平的平面，方便后續圖像數據處理，比如通過高度閾值分割去除背景噪聲。

5.1 直線標定

只能矯正X方向（橫向）的安裝誤差，提升X方向的測量絕對精度。

5.2 靜態標定

可以矯正X方向（橫向）和Z方向（高度方向）的安裝誤差；提升X方向和Z方向的測量絕對精度。

5.3 動態標定

可以矯正X方向（橫向）和Z方向（高度方向）以及Y方向（運動掃描方向）的安裝誤差；提升X\Y\Z三個方向上的測量絕對精度；
該標定方式下，需標定塊或設備其中一個處于運動狀態，兩者產生相對運動。

5.4 旋轉標定

適用于轉盤旋轉的場景。