3D 传感技术参数解读

Tomas Kovacovsky

（Photoneo 首席技术官 ）

机器视觉是工业自动化的驱动力之一。在很长一段时间里， 人们

主要通过改进 2D 图像传感技术来推动自动化，并且对 于一些应

用来说，2D 传感仍然是解决问题的最佳工具。但 如今机器视觉

面临的大多数难题都具有 3D 特性。从完善的 计量学到智能机器

人的新应用，3D 传感器是数据的主要来 源。在 3D 传感器的基

础上，我们了解到一个传感器能够捕 捉到检查面的 3D 特征。当

我们谈到机器视觉时，我们将不 考虑此范畴内的非光学系统因素。

如今，市场上提供有各种各样的 3D 感应解决方案，它们中

的大多数都声称比它们的竞争对手更具优越性。虽然很多这样的说

法都是基于理性推理，但我们需要了解应用的差异和 需求。对于

读取二维码，2D 智能照相机可能是市场上最好的解决方案。但

是它不能指导物流机器人从一个设施到另一个设施。在这一领域，

其无法与当前主导市场基于激光雷达 (LIDAR)的解决方案匹敌。

不考虑干涉测量和纳米范围的情况下，我们列出了目前工业 内使

用的最常见的典型技术：

● 激光三角测量（或轮廓测定法）

● 摄影测量法

● 立体视觉（被动式和主动式）

● 结构光法（一帧，多帧）

● 飞 行 时 间 （ 区 域 扫 描 或 LIDAR ）

在本论文的最后可以找到基于我们所选择的参数，通过主要 的使

用案例和分类做出的更详细的说明。

重要的是明白创造一个满足所有需求的最佳解决方案是不可 能的。

我们来集中关注最重要的参数以及无法轻松扩展这些 参数的原因，

或对一些参数相对高一些的状况要做出哪些权 衡取舍。我们将为

每个类别确定 5 个级别，这将有助于我们 对它们提供的独特技术

和可能性进行比较。

参 数

工作容积

用 于 计 量 应 用 的 系 统 的 典 型 工 作 容 积 大 约 为 100mm x 100mm x

20mm，而一个箱柜取放解决方案的标准需求大约为 1 m 3。这 看 起 来 只

是一个简 单的 参数变化，但实际上，不同的工作 容积，有不同的技 术 擅 长

。

当XY 方向的范围增加，则与该系统的视场角 (FOV) 的关系 更为

密切，并且可以通过使用广角角度更大的镜 头进行扩 展，那么

延伸 Z 方向范围的问题将为如何保持聚焦该目标物 体。这就是所

谓的景深。需要景深越深，照相机 （或投影 仪）的光圈就必须

越小。这将严重限制到达传感器的光子数 量，从而导致限制某些

技术在更高的景深范围内的使用。

我们根据其景深范围定义了五个类别：

1. 非常小：最高 50 mm

2. 较小： 最高 500 mm

3. 中等： 最高 1500 mm

4. 较大： 最高 4 m

5. 非常大：最高 100 m

在通过缩小光圈对照相机的深度范围进行扩展的同时，将限 制捕

捉 到 的 光 的 数 量 （ 包 括 来 自 主 动 式 系 统 中 的 光 源 和 环 境

Photoneo 中国代理商: www.topsolution.com.cn 电话: 021-50276656

照明的光源）。更复杂的问题在于扩展主动式投影系统的深 度范

围，在该系统中缩小光圈只限制信号，而不限制环境照 明。此点

是基于激光的投影系统（如在 Photoneo 的 3D 传感 器中的使用）

所擅长的，利用他们的能力获得几乎没有限制 的景深。

数据采集和处理时间

光是 3D 扫描中最有价值的资源之一。为了获得良好的测量 信噪

比，尽可能多地使来自正确光源的光子进入像素至关重 要。对于

数据采集时间有限的应用来说，这可能 是一个难 题。另一个会

造成时间上有所不同的参数是捕捉运动中（传 送带上，运动的机

器人的传感器等）的目标物体 的技术能 力。在考虑运动的应用

时，只有“单次对焦”方法才具备竞争 实力（在我们的数据采集

时间参数中标记获得 5 分）。在确 定您需要实现的循环时间时，

最后需要考虑且同样重要的一 点是，您的应用是反应性的且需要

得到即时结果（例如，智 能机器人技术、分类整理……），还是稍

后交付结果也不受 影响（例如，线下计量、工厂平面图改造、

犯罪 现场数字 化……）。

如果您的应用受时间限制，结 构光法 能够很好地平衡速度

（采集和处理两个方面）和分辨率。

数据采集时间：

1. 非常长：数分钟或以上

2. 较长：~5s

3. 中等：~2s

4. 较短：~500 ms

5. 非常短：~50 ms

数据处理时间：

1. 非常长：数小时或以上

2. 较长：~5s

3. 中等：~2s

4. 较短：~500 ms

5. 非常短：~50 ms

分辨率

分辨率是指系统捕捉细节的能力。对于在大工作容积中拥有 小 3D

特征的应用来说，高分辨率是必需的。在所有基于成 像的系统中

增加分辨率的最大难题是到达单个像素光的数量 的降低。

想象在传送带上分拣苹果的应用。开始时，分拣参数只有苹 果的

大小这一个参数。但是客户要求检查是否存在叶梗。该 分析显示，

为了必要的数据，我们需要将目标物体的采样分 辨率扩展两倍。

为了将目标物体的采样分辨率提高两倍，该图像传感器的分 辨率

必须增加四倍。这是众所周知的，也会四倍限制光的数 量（同一

束光流将分隔到四个像素）。但是，棘手的是我们 需要确保原始

系统的景深。要做到这一点，我们需要缩小光 圈，这将可以再次

四倍限制光的数量。这意味着为了捕捉相 同质量的目标物体，我

们的曝光时间需延长至 16 倍，或者

我们需要 16 倍强的光源。这会极大限制实时系统获得最大 可能

的分辨率。

一条重要原则是，为了能够快速捕捉扫描的目标物体，需要 使用

正确的分辨率。由于处理时间较短，您还可以节省一些 时间。作

为一种变通的方法，有些设备（例如 Photoneo 的 3D 扫描仪）

可以在中等和较高分辨率之间进行切换以满足 应用的需要。

为了对系统进行分类，我们将根据每次测量的平均 3D 点数 或 XY

分辨率确定这 5 个类别。

1. 非常低：~100k 点

2. 较低：~300k 点 (VGA)

3. 中等：~1M 点

4. 较高：~4M 点

5. 扩展：~100M 点

分辨率的另一方面是检索深度信息的能力。虽然有些可伸缩 的技

术可以满足精确测量的需要（大多数的三角测量系 统），但还

有一些系统由于物理限制无法按比例缩小（如飞 行时间系统）。

我们将此称为 Z 分辨率：

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1. 非常低：>10 cm

2. 较低：~2 cm

3. 中等：~2 mm

4. 较高：~250 um

5. 非常高：~50 um

健壮性

虽然大多数系统可以提供合理使用寿命的组件，并且在必要 情况

下采用具有足够保护等级或散热功能的外箱封装，但是 我们还是

要提醒您注意一些不可避免的困难。例如，一些系 统依赖于外部

光线（如太阳光线或室内照明），或者只能在 有限的环境光线级

别下运行（光不属于系统运行 的组成部 分）。

环境光线会增加内部传感器报告的强度值，以及增加测量的 噪声。

很多方法都试图使用数学（如黑电平减法）来达到更 高的电阻率，

但这些技术效果相当有限。这些问题在于一种 被称为“散粒噪声”

或“量子噪声”的特定噪声。一般情况下， 据说如果平均有一万

个光子到达像素，那么这个数字的平方 根一百就是不确定性的标

准偏差。因此，有时感知的光子数 较多，有时又会较少。

该问题在于环境照明的水平。如果由其引起的散粒噪声与来 自系

统主动式照明的信号电平相似，则噪声电平上升。我们 来确定一

下设备可以运行的地方的外部条件：

1. 室内、暗房

2. 室内、屏蔽的工作容积

3. 室内、强烈的卤素灯光和打开的窗户

4. 户外、非直接照射的太阳光

5. 户外、直接照射的太阳光

当我们谈论扫描不同材料中的健壮性时，决定性因素是在相 互反

射作用下工作的能力。

1. 漫射、纹理稳定的材料（岩石等）

2. 漫射材料（典型的白色墙面）

3. 半高光材料（阳极电镀铝）

4. 高光材料（表面抛光的钢材）

5. 镜面表面（铬）

重量

设备的重量和大小会限制某些应用的使用。轻巧紧凑且功能 强大

的解决方案将允许您在任何地方进行安装。这就是为什 么我们选

择碳纤维主体的原因。除了其温度稳定性之外，甚 至可以为更长

的基线系统提供照明。

1. 非常重：>20 kg

2. 较重：~ 10kg

3. 中等：~ 3kg

4. 较轻：~ 1 kg

5. 非常轻：~ 300 g

预算

到了最后，您所研究的应用需要为客户带来价值。可以是解 决一个

关键问题（可能是一个大预算问题），也可以是使一 个流程中的某

个步骤更经济（预算敏感）。价格的某些方面 与特定的技术有关，

而另一些方面则是由典型的生产量、服 务和所提供的支持确定。近

年来，消费者市场已经有能力利 用大规模生产引进价格低廉的

3D 传感技术。 但在另一方 面，这些技术存在一些缺点：缺乏定制

和升级的可能性、健 壮性欠缺、产品线实用性欠缺以及支持有限。

让我们根据以下的价格对 3D 视觉技术进行分类：

1. 非常高：~100k 欧元

2. 较高：~25k 欧元

3. 中等：~10k 欧元

4. 较低：~1000 欧元

5. 非常低：~200 欧元

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