激光三角法测量原理解析
3D相机顾名思义就是得到三维空间中图像的相关信息。传统的2D相机只能得到平面相关的信息，无法得到物体深度方向的信息，比如物体距离相机多远。在工业质检中很多时候我们需要知道物体的高度，通过2D无法测量的时候，就需要3D相机出场了。那么常见的3D相机有哪些类型？3D相机的成像原理又是什么？他们有什么区别？激光三角法与其他的3D成像技术相比有什么优势？带着这几个疑问，我们逐步介绍。
1、 激光三角法成像原理
激光三角测法相比其他成像原理，可获得高精度图像，目前在工业质检方面有着广泛的应用。激光三角法基本原理如下所示，激光器发射的光经物体反射，由视觉传感器接收，当被测物体沿激光方向发生移动时，传感器上的光斑将产生移动，，因此可通过算法设计，由光斑位移距离计算出被测物体与基线的距离值。由于入射光和反射光构成一个三角形，对光斑位移的计算运用了几何三角定理，故该测量法被称为激光三角测距法。
3D传感器自动检测示意图
激光三角法几何原理示意图
传感器内部刨面图显示如下，半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD阵列4上;信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被内部的CCD线性相机接受，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度即知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。
2、 基于激光三角法的3D视觉传感器
SmartRay ECCO系列3D视觉传感器，使用激光三角法的视觉传感器，在工业质检方面大大提高了生产效率，对于生产过程一些关键质量进行严格准确的把关。除了硬件方面，同时针对不用的应用场景开发专门的算法，从而可以采集到很好的3D图像，方便后续的处理。
SmartX工具完成各种复杂的应用挑战:
SMARTXTRACT
• 扫描光亮金属镜面表面
• 采集并提取正确的数据
• 功能强大的反光过滤算法• 精准且可靠的结果
SMARTXPRESS
• 提高扫描速度
• 维持高水平的准确性
• 选择需要扫描的关键感兴趣区域• 获取准确且可靠的扫描结果
SMARTXACT
• 扫描光亮金属镜面表面
• 采集并提取正确的数据
• 功能强大的反光过滤算法
• 精准且可靠的结果
另外，针对激光三角法成像存在死角，无法成像，SmartRay更是推出了双头ECCO 95+系列3D视觉传感器，一次成像得到完整3D图像数据。
单头3D传感器：因为有阴影，传感器无法识别目标区域
双头3D传感器：利用另一台相机，可识别目标区域
3、其他3D成像技术
3D成像技术原理有很多种，除了常用的激光三角法之外，还有结构光、飞行时间法、双目视觉。针对不同的领域和需求，每个都有其优点与缺点，下面做一些简要介绍。
结构光(Structured-light)
结构光是从已知的角度将特定的图案（如：点、平面、网格等）投影到物体上，
在表面上形成由被测物体表面形状轮廓所调制的光条弯曲图像，通过相关算法计算返回的编码图案的畸变来得到物体的位置和深度信息，从而得到3D图像。
结构光投影成像示意图
双目视觉(Stereo)
双目视觉类似于人的眼睛，使用两个2D相机间隔一定距离观察同一个物体，利用视差建立特征之间的关系，从而得到深度信息。
双目视觉成像视野示意图
光飞行时间法(TOF)
Time of Flight直译过来就是飞行时间，简称TOF。原理是通过不间断的发射光脉冲（一般为不可见光）到物体上，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行（往返）时间来得到目标物距离。在汽车应用中，ToF可以被用于自动驾驶技术。
4、 3D成像技术优缺点比较
激光三角法相比于其他技术的3D成像原理，有其明显的优势，比如精度高，SmartRay ECCO 95.010+可以做到亚微米级别的精度，在测量范围方面也可以满足绝大部分的需求。由于自带线激光，所以环境适应能力相对较强。近些年技术也逐渐成熟，应用领域也较为广泛。
对于双目视觉，其也有相应的优点，硬件要求低，成本也低。但是双目视觉对环境光照非常敏感，光线变化导致图像偏差大，影响精度。而且对于较高精度的要求，无法达到三角测量法的精度。
结构光的成像技术资源消耗较低，单帧图就可计算出深度图，被测物和相机不需要有相对移动。由于跟线激光一样自带光源，环境适应能力较强，但是精度会比激光三角法低。
ToF深度相机对时间测量的精度要求较高，即使采用最高精度的电子元器件，也很难达到毫米级的精度。因此，在近距离测量领域，尤其是1m范围内，ToF深度相机的精度与其他深度相机相比还具有较大的差距，这限制它在近距离高精度领域的应用。TOF深度相机可以通过调节发射脉冲的频率改变相机测量距离；ToF深度相机与基于特征匹配原理的深度相机不同，其测量精度不会随着测量距离的增大而降低，其测量误差在整个测量范围内基本上是固定的；ToF深度相机抗干扰能力也较强。因此，在测量距离要求比较远的场合（如无人驾驶），ToF深度相机具有非常明显的优势。
各种3D成像技术比较
2022-03-07 21:10:07