3D激光轮廓仪知识整理

3D激光轮廓仪知识整理原理和应用场景相机原理测量原理相机激光器沙姆镜头相机标定中心线提取应用场景测量相关应用缺陷检测相关应用相机参数介绍及选型介绍成像原理原始图成像生成轮廓图相机规格参数单轮廓点数参考距离Z轴测量范围X轴测量范围Z轴分辨率Z轴重复精度Z轴线性度(±% of MR)轮廓数据间隔数据输出类型激光波长触发模式扫描帧率激光等级相机选型评估精度评估视场评估速度评估条件效率评估材质评估成像质量(噪点、空洞多相机拼接相机上下对射场景双相机左右并列拼接双相机对向扫描拼接3D项目需求与评估规范应用类型使用环境项目信息相机图像格式和坐标系原始图轮廓图深度图亮度图宽度图点云图轮廓传感器内部数据流向成像过程系统标定直线标定静态标定动态标定旋转标定原理和应用场景相机原理3D激光 轮廓传感器是基于激光三角测量法来重建三维场景。向被测物表面投射激光通过使用2D相机接收其反射光的变化可以非接触式测量物体表面轮廓截面形状。通过被测物和轮廓仪间的相对运动对连续获取的一组剖面轮廓高度数据来近似地重构出被测物的3D形状实现高精度测量及检测。测量原理相机激光器激光器由传统的柱面镜改为鲍威尔棱镜将通过准直透镜的光线产生亮度均匀的直线。沙姆镜头沙姆定律定义当被摄体平面、影像平面、镜头平面这三个面的延长面相交于一直线时即可得到全面清晰的影像。相机标定中心线提取应用场景测量相关应用检测电池仓平整度、A级面共面度以及螺钉孔位浮高缺陷检测相关应用需要对Pin针歪斜、缺针、高度异常等情况进行检出。相机参数介绍及选型介绍成像原理3D激光轮廓仪是基于激光三角测量法(laser triangulation)来重建三维场景。向被测物表面投射激光平面(光片sheet of light) 通过使用CMOS相机接收其反射光的变化可以非接触方式测量高度、高度差、宽度等轮廓截面形状。通过被测物和轮廓仪之间的相对运动对连续获取的轮廓数据进行图像处理重构获得被测物的3D形状实现高精度测量及检测。原始图成像不同于常规相机焦平面、镜头平面和像平面三个平面平行轮廓仪的三者相交于同一条直线。通过沙姆角设计扩展了测量景深使得全测量范围清晰成像。普通成像如下沙姆成像如下生成轮廓图对于线激光三角测量来说核心算法在于轮廓线中心点的提取高鲁棒性的提取算法可以使传感器轻松应对各种复杂场景对一张原始图遍历每列搜索每列得到一个轮廓点这些轮廓点构成一条轮廓线。相机规格参数单轮廓点数指相机Sensor横向分辨率。2K系列单轮廓点数为2048个点 。3K系列单轮廓点数为3200个点。4K系列单轮廓点数为4096个点。参考距离推荐相机的架设高度(相机下端面到目标物表面的距离Z轴测量范围Z轴(高度)方向上可测量的范围X轴测量范围即横向视场X轴宽度方向上可测量的范围。Z轴分辨率相机在高度方向上的最高分辨能力为亚像素分辨率。标注的近端到远端下的分辨率范围在测量范围内越靠近近端Z方向分辨率越高。Z轴重复精度相机在参考距离高度下架设激光线打在陶瓷平面重复采集4096条原始轮廓数据不进行滤波处理每条轮廓都有一个平均z值。这些平均z值的最大值减去最小值得到重复精度Z轴线性度(±% of MR)Z方向线性度是在整个测量范围内被测物的实际距离和测量距离之间的差值。该差值与测量范围的比例即称为直线性。 Z方向线性度指示传感器的绝对测量能力。轮廓数据间隔沿X轴激光线方向轮廓点的水平间隔轮廓数据间隔测量处视场宽度÷单轮廓点数。数据输出类型原始图由轮廓仪内集成的2D相机拍摄激光线的原始成像轮廓数据原始成像经过中心线提取算法所得到的单条点云数据。点云数据三维数据点的集合其中每个数据点包含空间X,Y,Z信息。深度图包含深度信息的一张二维图像深度图中每个像素的灰度值代表深度信息。亮度图包含激光线亮度信息的一张二维图像亮度图中每个像素的灰度值代表亮度信息。激光波长激光是“电磁波”的一种“电磁波”存在波长这一标准。激光波长一般为405nm和650nm两种波长肉眼判断分别为蓝光和红光。触发模式触发模式分为软触发和硬件触发。软触发通过软件代码命令来触发相机拍照硬触发通过外部硬件的控制信号触发相机拍照扫描帧率扫描行频相机每秒最高采集多少条剖面轮廓标注全画幅下最大测量范围下的行频和通过缩小感兴趣区域(ROI)后可达的最高行频。激光等级激光 直射眼睛会对眼睛造成严重损害通常表现为灼伤和对视网膜的直接损害。波长范围在4001400 nm的激光会直接穿过眼睛的晶状体、角膜和房水到达视网膜。当激光能量被视网膜吸收时可能导致视网膜烧伤甚至可能导致永久性的视力损伤。当视网膜有足够大的部分受损或激光直接照射视神经时视力会明显下降甚至丧失。根据激光产品对人体组织的危害机理以及造成的伤害程度按照IEC 60825-12014 激光产品安全标准进行分类将激光产品进行分类。相机选型评估精度评估Z轴系统重复精度判断Z方向绝对误差一般为Z方向分辨率*(3-8)倍以海康DP-2060-01H为例绝对误差为7.5-24微米。最终乘以3-8倍主要取决与机构精度以及环境震动导致。X/Y精度判断X方向绝对误差一般为轮廓间隔4-5倍以DP-2120-01H远视场为例绝对误差为188-236微米受环境影响。视场评估视场位置选择视场足够的条件下使用中间视场即参考距离高度精度要求高选择上1/3视场视野要求大选择下1/3视场切忌不要将激光线太贴近上下视场边缘线性度差视场大小选择首先选取满足客户精度要求的相机此时若视场不满足即选择拼接。若客户对于精度无要求那么选取对应视野满足的相机即可。速度评估条件相机可达的最大帧率在保证ROI可以包含被测物高度的前提下查看相机可达到的上限帧率一般取可达上限帧率的90%作为当前最高帧率为防止编码器波动或者速度波动造成的误差客户要求的Y方向图像分辨率根据客户精度要求确定Y方向分辨率Yscale一般为客户绝对误差的1/3stepdistance步进间距一般等于YscaleY轴采样间距根据精度和可达的最大帧率确定最快速度V当前可达最大帧率*stepdistance效率评估检测效率≠V/被测物料长度检测效率V/周期长度周期长度物料长度物料间隔CT时间周期长度/V材质评估红光蓝光选择蓝光相比红光精度更高.。红色激光传统机型)传统机型使用红色激光成像激光光束较粗轮廓结果跳动较大重复性较差。蓝色激光蓝色激光成像更精细轮廓结果更稳定精度更高。激光对比如下针对某些黑色吸光材料时合适的选择激光可以使成像效果更好。红色波长量子效率高提高黑色物体响应率下图为相同曝光参数下成像成像质量(噪点、空洞重点关注扫描出来的图像与实际物体的还原程度对比当还原程度较高时成像较好还原程度较低时成像较差。多相机拼接相机上下对射场景主要用来测量产品厚度双相机左右并列拼接适用条件样品需要测试的面积过大节拍要求高单相机扫描拼接节拍无法达到要求,需要扩大X方向的视野。双相机对向扫描拼接适用条件单相机扫描出图盲区过大使有效区域无法显示。各个拼接的结构布局都是在进行相对位移要么相机静止样品移动要么样品静止相机运动。3D项目需求与评估规范应用类型检测类型缺陷检测、特征有无的判断等测量类型物体的长宽高、特征、体积等OCR类型数字、字符、文字识别等识别类型特征分类等定位类型特征位置、边缘位置等使用环境使用环境对评估方案精度有重要意义如有特殊使用环境请客户补充说明例如设备空间、隔离拍摄等。项目信息有明确的项目需求描述明确公差范围、重复精度、绝对精度、检测效率等信息确定是设备需求还是解决方案需求提供必要的当前方案信息和痛点相机图像格式和坐标系3D轮廓传感器支持原始图、轮廓图、深度图、亮度图点云图等数据的输出其中深度图是由轮廓图拼接转换而来点云图是由深度图转换而来。原始图用途原始图一般用于成像调试不直接用于测量。原始图是高速相机拍摄激光线所形成的2D图像图像格式为mono8。像素灰度代表激光线照射的亮度。轮廓图用途轮廓图一般用于轮廓测量或确认原始图提点正确性。轮廓图属于点云图它是物体表面点云某一截面轮廓点的集合。轮廓图的单个点由X\Y\Z三个数据组成当轮廓传感器只输出轮廓图时Y0X\Z则为实际物理空间坐标单位为微米。轮廓仪输出的仅为上表面轮廓。轮廓图是由原始图的中心点经过内参查找表映射出的三维物理坐标故其形态和原始图基本保持对应深度图用途用于测量、缺陷检测是最常用的图像模式深度图是由像素值代表高度的2D图像和深度图属性组成格式为有符号mono16像素值区间为-32768-32767。传统的2D图像灰度值越大表示物体越亮深度图则灰度值越大表示物体空间位置越高针对轮廓仪。在轮廓仪中深度图是由轮廓图转换拼接而来。深度图一般有如下属性单位μmXoffset图像0点相对于物理0点的X偏移Yoffset图像0点相对于物理0点的Y偏移Zoffset图像0点相对于物理0点的Z偏移XscaleX方向一个像素代表的物理距离YscaleY方向一个像素代表的物理距离Zscale1个灰度值变化代表的物理距离Height图像在Y方向上有多少像素Width图像在X方向上有多少像素像素坐标转空间坐标公式轮廓仪Xx*XscaleXoffsetYy*YscaleYoffsetZz*ZscaleZoffset亮度图用途默认伴随深度图输出一般用于亮度特征定位模板匹配等。亮度图是像素值代表物体亮度的2D图像素格式为mono8。亮度图即可理解为传统的2D图片像素值代表物体表面的亮度信息灰度值越大表征该位置反射回相机的激光越强烈。亮度图是由原始图中心点所在的列有效像素取均值而生成的。亮度图和深度图是像素对齐的注意由于亮度图的亮度信息是均值平滑得到且激光光源不如2D光源照射均匀故在亮度还原度上与2D相机拍的图相比质量较差。仅能用于粗定位、粗略判断亮度信息等。不能完全代替2D相机宽度图用途可选伴随深度图输出一般用于特征识别定位等。宽度图是像素值代表激光线宽度信息的2D图像像素格式为mono8。宽度图像素值代表该像素对应中心点所在列的线宽信息灰度值越大表征该中心点所在的该列激光线线宽越宽。像素值和所对应的线宽是正比例关系。宽度图和深度图是像素对齐的。一般情况下物体表面激光反射率越大亮度越亮线宽越宽。所以一般线宽图像素与亮度图像素呈正相关用的也比较少。但对于某些特殊的材质线宽图能够更明显的表征物体边界。点云图点云图是由深度图转换而来。轮廓传感器内部数据流向数据流流向图如下Sensor高速感光芯片接收漫反射激光将光信号转换为图像FPGA可编辑逻辑控制器特点并行处理、用于数据运算ARM嵌入式嵌入式系统特点串行处理用于资源调配SDK软件开发包解析数据获取图像控制相机客户端展示图像集成工具初步图像处理成像过程系统标定安装设备时难以确保安装后设备的X/Y方向所在平面与载物台平面平行设备的Y方向也难以确保和运动扫描方向一致。设备的安装误差会影响测量的绝对精度可通过系统标定矫正安装误差得到系统坐标系下的点云数据提高测量的绝对精度。经过系统标定后可以将倾斜的平面矫正为水平的平面方便后续图像数据处理比如通过高度阈值分割去除背景噪声。直线标定只能矫正X方向横向的安装误差提升X方向的测量绝对精度。静态标定可以矫正X方向横向和Z方向高度方向的安装误差提升X方向和Z方向的测量绝对精度。动态标定可以矫正X方向横向和Z方向高度方向以及Y方向运动扫描方向的安装误差提升X\Y\Z三个方向上的测量绝对精度该标定方式下需标定块或设备其中一个处于运动状态两者产生相对运动。旋转标定适用于转盘旋转的场景。参考3D激光轮廓仪知识整理