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3D激光三角測量技術:為機器視覺提供深度

2021-06-28 來源:EEWORLD

3D視覺技術正在成為主流--這是件好事。技術的進步和成本的降低使得3D視覺成為一種可以用于半導體和電子、電動車電池制造、汽車制造、食品生產和藥品包裝等多種應用和行業的技術。人們會在生產制造自動化、機器人引導和質量控制領域中看到3D傳感器和輪廓儀。


過去,3D系統處理速度太慢,無法跟上生產,價格過于昂貴,配置難度高,且不易維護。相反的,系統設計人員依靠(1D)和(2D)掃描成像技術復雜的相機和照明配置中執行檢測,使用軟件計算深度信息。


傳感器質量和速度、嵌入式視覺、FPGA、激光、光學和智能系統的同步發展使得3D成像成為當今更加可行的選擇。現在的3D成像技術具有成本低、可靠、可重復、易于實施的優勢,并在各種要求嚴苛的應用中得到驗證。雖然1D和2D技術仍在廣泛使用,但現在3D技術幾乎在所有情況下都提供了可靠的替代方案。


Z-Trak2 是基于Teledyne Imaging的3D圖像傳感器技術打造的3D輪廓傳感器系列。Z-Trak2 3D輪廓傳感器通過穩定的5GigE接口提供了高速的線上檢測手段。


3D激光三角測量技術


使之成為可能的3D成像技術之一是3D激光三角測量。該技術已經存在了很長一段時間,但直到最近才取得進展,由于校準的復雜性、有限的掃描速率、所需的計算能力和現場維護成本,它在線上應用中的使用受到了限制。


在典型的激光線輪廓儀中,激光線條被投射到物體上,并使用一個2D(區域/矩陣)圖像傳感器進行成像。在確定激光條紋在圖像傳感器上的位置后,輪廓儀會提供由激光條紋的光學三角測量產生的橫向(X軸)和深度(Z軸)信息。沿著激光線生成的XZ對集稱為輪廓。沿運動方向的兩個連續輪廓之間的距離構成第三軸(Y)。通過這種方式掃描物體,我們獲得了物體的表面掃描信息(X,Y,Z)。

 

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實現性能


憑借高速CMOS圖像傳感器的科技進步和現代FPGA的強大功能,快速可靠的嵌入式系統允許3D輪廓傳感器(針對給定的測量范圍)提供更大的視野以及前所未有速度的高動態范圍成像效果(HDR)。通過整合各種功能,如支持漫反射和鏡面反射配置的功能,以及5-GigE這樣的高速數據傳輸接口,3D輪廓傳感器能夠更好地應對當今在線3D機器視覺應用帶來的挑戰。這些傳感器具有廣泛的光學布置,使用可擴展的處理架構,并提供低至幾微米的高度和寬度分辨力。


更好的可用性和集成性


集成式激光三角測量輪廓儀使用和設置更方便,并且不需要特殊的照明布置。通過巧妙平衡輪廓儀設計的各種構成模塊(圖像傳感器、激光能力、光路、機械和電子部件),可以以相對較低的成本獲得準確的測量結果。


隨著輪廓儀變得更加可靠且技術不斷成熟,用戶可能會更加愿意選擇它作為首選技術。例如,激光三角測量技術對振動有很好的容忍度。通過掃描,小幅振動可以幫助減少激光散斑所產生的整體噪聲。


巧妙的架構設計讓您可以通過增添處理模塊(例如人工智能、像素處理和智能傳感器等)來進一步提高系統的功能。


面向更廣泛應用領域的系統設計


如今,激光輪廓儀將HDR功能和反射消除算法相結合來測量物體特征,盡管表面反射程度不同。除了對人眼安全的紅色激光外,還提供藍色激光配置的機型,適用于掃描表面反射性較強或對紅色激光不可見的物體。


現代電子科技和人工智能(AI)技術的發展使系統變得更加強大,而且將成本控制在合理范圍內。對于單個3D輪廓傳感器的視野無法滿足要求的應用,用戶可以組合多個3D輪廓儀進行同步檢測,或者在物體需要進行360°檢測的情況下使用多個3D輪廓儀。


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 多傳感器裝置示例


此類應用的示例包括大型木板、金屬、石膏板、塑料和各類沖壓件的檢查。每側具有不對稱特征的沖壓件需要在物體周圍使用多個傳感器。這要求所有傳感器都以適當方式進行配置,使得生成的3D圖像能夠以真實方式呈現物體。要實現這一點,所有傳感器需要精確同步以生成組合圖像,方便測量。


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 汽車輪胎的3D檢測是使用3D輪廓傳感器的一個典型應用。


局限性和其他需要考慮的問題


盡管3D激光三角測量技術在性能、成本和可用性方面有了很大的進步,但仍然需要考慮一些問題才能實現成功的系統集成。由于激光三角測量需要觀察角度,因此遮擋通常是一個問題。遮擋是由幾何三角測量引起的輪廓儀定位角度產生的陰影。一種解決方案是使用一個或兩個激光器和多個相機。傳感器還可能限制系統的整體速度和性能。激光散斑也是一個挑戰,它是激光本身產生的固有噪聲,會降低系統的分辨率。


主要市場和應用


盡管如此,基于3D激光三角測量技術的系統仍然適用于種類繁多的應用,包括電子和半導體生產、機器人、汽車制造和一般工廠自動化等眾多細分市場中的線上高度測量。

 

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工業


?在線檢測

?體積測量

?機器人引導

?間隙和段差測量

?表面檢測


電子


?芯片導線檢測

?BGA和微型BGA檢測

?錫膏檢測

?PCB裸板和裝配板檢測


機器視覺


?零件檢測

?零件識別

?壓印OCR

?壓印條形碼

?胎圈檢測

?抓取-貼裝

?木材和木料檢測

?角度測量


查看更多:3D成像、3d映射、3D視覺、人工智能、自動光學檢測、GigE、圖像處理、機器學習、機器視覺


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