有一个快速增长的兴趣,利用三维机器视觉处理的自动化需求,包括新类型的检查。 存在许多截然不同的技术来获得三维扫描的一个场景或对象进行后续分析。 流行的技术工业应用涉及成像光束投射到一个对象作为跨梁的物体,反之亦然。

不同供应商提供的设备集成激光和图像传感器来简化启动——但这种简单性为代价的灵活性。 对于那些想要保持灵活性,下列因素时必须考虑组建基于离散的三维扫描系统组件:组件的选择、组件安装及其对测量分辨率的影响和范围、系统校准,梁提取和基本的三维分析。 多个这样的系统也可以使用共同处理遮挡,提高测量密度和减少位移需求。

生成梁

三维分析的核心是一张的投影光,这被视为梁交叉扫描的对象。 点时要考虑选择这种光源是其权力,风扇角度或视野,工作距离、厚度和波长。 力量决定了生产能力bright-enough光束扫描对象和环境照明条件。 视野是一片而不是体积,并依赖光源和相机的相对位置(图1),以及相关的光学光源。 工作距离是最优的操作范围内的光源,这还取决于所使用的镜头聚焦光束。 长工作距离的结果在一个更宽、更厚,强度降低。 更薄的光束有助于从图像中提取光束的准确性。 来自光源波长的选择是相机的传感器响应的函数(通常在near-IR最好),环境光的波长和数量,和对象的颜色。 光的波长通常使用因此near-IR范围。


图1所示。 一个三维的几何分析系统。
由激光光束产生特别的现象称为散斑,实质上是静态噪声引入激光干扰本身,而与物体表面的交互结构。 斑纹产生不利影响的过程中准确地定位图像中的梁。 一个方法来缓解这一现象是扫描对象时搬到模糊的形象。 然而,这可能是难以实现更高的扫描速率。 类似的解决方案是把相机镜头略的焦点再次模糊的形象。 消除这一现象的另一种方法是应用软件中值滤波器的图像梁在后者的方向。 然而抵消这一现象的另一种方法是通过将一个活跃的扩散器的激光随机噪声。

散斑的问题完全可以避免通过使用一个非相干光源(即。 ,LED或DLP-based投影仪)产生光的单,但后来一个滤光片或外壳,保护系统不受环境光的影响变得越来越重要。 在任何情况下,一个滤光片或外壳强烈建议当扫描反射部分因为环境光反射可以混淆梁提取过程。

成像光束

与光源一样,相机及其相关的镜头也会影响视野,目前关于体积,和工作距离。 相机传感器的动态范围,取决于其full-well能力,决定了图像的能力很低,非常高的对比梁,可以发生在相同的扫描顺序,考虑到对象的扫描。 使用相机的高动态范围传感器可能因此是至关重要的,使用相机的传感器有一个对数响应可能更是如此。 这些特征是重要的处理的情况下可以有高度的对象(即内不同的对比。 表面哑光黑色与反光的白色区域)。 他们不太亚光表面(如用软的关键对象。 鸡胸肉)。

安装的组件

三维分析是基于三角测量原理;一个特定点的三维位置或距离物体表面的来源于光源和相机的角度这一点和固定光源和摄像机之间的距离。 典型的独家使用硬装入约束光的光源是表生产必须正交扫描方向。 大约50%的系统的高度在30º角分辨率实现光源与摄像机之间的(图2)。超出这个角度显著增加了闭塞而略微增加的高分辨率的影响。 闭塞的最大高度分辨率和磁化率达到90º角,适合基本上只检查一个平面的表面。 增加这个角度增加了高分辨率,而且比例降低了高度范围。


图2。 光源的影响相机角度(θ)决议。
系统的分辨率是异构的。 也就是说,它是不同的每个主轴。 系统的X分辨率主要取决于相机传感器的X决议。 或Z分辨率,它的高度是依赖于传感器的Y决议;光源和相机之间的角度,后两者之间的角度和飞机的对象(如休息。 传送带上)。 Y决议,或沿扫描方向(即该决议。 垂直于扫描片),依赖于运动速度、编码器分辨率和相机的最大帧率。

相机的帧率越高,越低的光线被相机的传感器,又需要一个明亮的光源。 一个典型的追求最高的帧速率最大化片密度。 更高的帧率意味着更短的曝光时间,这降低了梁的对比,但这可以弥补使用明亮的光源。 增加镜头光圈会减少景深效果或聚焦的图像范围,但这通常不是一个大问题。 用户必须考虑到提高帧速率减少运动模糊的影响,这是不可取的,如果后者是选择处理激光散斑的方法。

减少相机传感器的垂直感兴趣的地区往往是一个可接受的方式实现更高的帧率,因为一个对象的高度变化往往远低于它的宽度和长度变化(如 ,当执行表面检验)。 位置编码器是最常用于触发图像捕获,但阅读也可以获得一次捕捉图像。

另一个依靠一个位置编码器是使用机动阶段由步进电机控制。 实现所需的系统分辨率通常是通过试验和错误。 有很多相关的参数设置,影响系统的分辨率和测量范围。 一些视觉供应商提供一个计算器,帮助建立所需的镜头,镜头和几何关系来实现所需的分辨率和测量范围。

校准系统

补偿系统校准是必要的组件缺陷(从理论理想),解决应对变化的事实对象的高度非线性,通过一个真实单位和生产测量和坐标系统。

校准的首要目标是纠正任何可能的光学畸变产生的相机镜头和相机的传感器的偏差。 第二个目标是学习光源和相机之间的关系。 注意这些前两个目标是自动照顾当使用precalibrated设备集成了激光、摄像头和一套。 校准的第三个目标是找出扫描运动的方向和速度。 这是可选的,取决于光源和相机是机械与飞机的对象(如移动。 输送机)。 校准的最终目的是找出光源和相机之间的关系,和飞机的对象是休息。 后者是可选的,也经常通过装配约束来给规避:激光必须严格垂直于飞机的对象是休息。 总是依赖一个视觉工具,为系统校准提供了一个全面的解决方案。

提取梁

束萃取是一种检测光束,定位精确度高的,能够处理不同宽度和强度。 后者表面反射率有相当大的影响——对象的三维几何一样,但程度不一样。 都在同一扫描上可以有很大的不同。

提取方法是一种鲁棒性和速度之间的权衡。 最常见的方法是提取一个光峰值/相机传感器列。 这是有时不足;反射的光束的一部分对象到另一个可以引入一个虚假的光峰值;光源或照相机的角度也可以导致两个或两个以上的光peaks-per-camera-sensor列(图3)。然而,如何解释和处理多个光峰值是特定于应用程序的。


图3。 角度介绍了另一个高峰。
注意,一些基本的镜头和帧的吸引力可以执行梁提取(而不是依靠计算机)上运行的软件。 这减少了带宽需要计算机的内存,因此可以增加率最大可实现的概要文件。

分析了三维数据

三维分析产生一个点云,采样点在三维空间的集合。 这个点云可以转换成深度地图,这是一个二维图像的强度信息高度所取代。 这种转换是通过点云投射到一个虚拟的平面划分为网格,这成为深度地图。

有很多方面可以考虑投影:网格密度,该做什么当多个分项目到相同的网格单元(即。 ,以最小,最大或平均高度)和该做什么当没有指向项目到一个给定的网格单元。 后者可以通过分配来解决一个特定的常量值。 也可以从邻近细胞或由分配值插值值基于邻近细胞取决于差距是被视为一个不连续或平稳过渡。 点云也可以纠正,投影平面垂直于所需的参考。

由此产生的深度图可以使用经典的二维视觉工具处理和分析。 深度地图可以受到高度阈值,然后计算对象的数量或使用blob分析特性。 模式识别地图上的深度可以执行,这样做的优点就是它不会容易变化场景照明或对象的表面纹理。 光学字符识别的情况下可以执行字符串阅读突出于底层表面,但相同的颜色,这表面(如。 ,轮胎编码要求美国交通部)。 深度地图也可以用来计算对象体积;确定对象的三维取向使用其主平面,并找出最大、最小或从参考面面积的平均偏差。

多个光源、摄像机

阻塞可能是一个关键问题在开发3 d分析系统(图4)。闭塞光源的结果不能达到一定的一部分对象或相机无法看到的某一部分对象梁出现的地方。 两个或两个以上的光源可以用来克服阻塞问题。 然而,必须注意确保梁互不交叉,因为这将导致一个不确定的情况。 这可以解决通过光的床单彼此相交的最大预期对象高度,从而限制光束图像中的特定区域。 但是这样做将进一步限制了测量精度和范围。


图4。 光源的闭塞和/或相机。 注意,light-source-to-camera角度突出强调阻塞的效果。
类似地,两个或两个以上的摄像头也可以用来处理阻塞。 与梁跨越这里没有问题,相机的完整的垂直分辨率测量高度可用。 是否要使用多个光源、摄像机或两者的结合来处理阻塞是特定于应用程序的。

除了处理阻塞,使用多个光源或摄像机将增加生成的点云的密度。 运动需要扫描对象可以减少甚至消除来自多个光源的光通过将多个表或一个结构化的光源——只要梁不互相交叉。 结果测量是稀少的,但是这是可以接受的在应用程序包括gap和冲洗控制车身总成。 两个光源和相机对也可以用来测量物体的全部体积,同时扫描从上方和下方的对象(如。 、管、香肠或矿石)。

校准每个光源和相机组合作为单独的系统会增加整体误差随着时间的推移,每个人固有的错误系统将倾向于疏远和积累。 因此重要的是要使用视觉工具从一个供应商,使个人的校准系统作为一个整体。