工業(yè)檢測中3D檢測技術探討

郭禹璠

（太原科技大學，山西 太原 030024）

機器視覺是用機器代替人眼進行目標對象的識別、判斷和測量。相對于傳統(tǒng)檢測方法，基于機器視覺的工業(yè)檢測技術有著快速、準確、可靠和智能化等優(yōu)勢，是目前工業(yè)自動化中非常重要的一個組成部分。在工業(yè)檢測中，被檢測物一般包含二維平面圖像信息和深度信息。因此，如何高效準確地獲取被測物完整的三維面型信息，是急需解決的問題，在目前諸多技術當中如何選取最佳的檢測方法是解決此問題的關鍵。在三維檢測方法當中，相比于接觸式檢測，非接觸式檢測方法可直接避免與被測物接觸的同時又可有效保護被測物避免損傷，減小探頭本身損耗。文章主要介紹非接觸式檢測方法里目前比較常用且最具代表性的線激光掃描技術、面結構光投影技術和線白光共聚焦技術。以上幾種方法檢測原理和特點各不相同，故可檢測面型特征也不盡相同。

1 線激光掃描技術

線激光掃描技術是以激光測距為原理。如圖1所示，激光發(fā)射器、被測物、相機之間呈三角關系，因此也稱為激光三角檢測法。激光發(fā)射器將整形后的可見“一”字型線激光射向被測物體表面，經(jīng)物體表面漫反射后通過鏡頭被相機探測記錄。位于物體表面不同深度的檢測物點，其表面處激光光斑反射回相機時，在相機圖像中位置不同，即物體深度信息和相機圖像中激光光斑位置信息二者間存在一一對應關系。實際檢測時，線激光通過搭載機械移動裝置實現(xiàn)對整個被測物面型掃描，在掃描過程中，被測物表面每一個物點處對應激光光斑位置信息均被相機以圖像形式記錄下。由于激光發(fā)射器、被測物、相機三者間擺放相對位置確定，通過對其進行標定，據(jù)此便可得到被測點深度信息與其對應相機圖像中激光光斑位置之間具體映射關系，這樣只需通過數(shù)字信號處理器解析圖像即可計算出被測物和線激光傳感器之間的真實距離，即被測物面型信息。目前市面上較成熟的知名品牌線激光傳感器產(chǎn)品已經(jīng)能夠自動完成數(shù)據(jù)段的連續(xù)采集、測量、分析及處理，并構建三維模型，實現(xiàn)了真正意義上的一體化檢測，為工業(yè)自動化做出一定貢獻，而相關產(chǎn)品也已在工業(yè)檢測領域得到廣泛應用。

圖1 線激光掃描技術原理圖

線激光掃描技術采用的是非接觸式檢測方式來直接掃描獲取被測目標的空間數(shù)據(jù)，從而保證了三維數(shù)據(jù)的準確性和真實性。根據(jù)如圖1所示的線激光掃描技術原理，線激光傳感器單次可檢測范圍如圖1（b）所示，而目前市面上已有的線激光傳感器產(chǎn)品，隨著測量精度不同，其水平和縱向測量范圍均可達數(shù)百毫米，可滿足絕大多數(shù)物體的檢測需求。此外線激光傳感器是以激光輪廓線為單位對被測物進行掃描，相比于其他逐點掃描的檢測方式，利用線激光掃描技術進行工業(yè)檢測顯然具有更高的檢測效率，同時隨著掃描裝置不斷升級，也使其擁有了極高的采樣點速率，從而有效保證了工業(yè)檢測的時效性。

由于線激光掃描技術基于三角測量原理，當被測物面型較為復雜時，物體表面局部反射光線會由于被物體其他部位遮擋而無法被相機探測到，導致這一部分面型數(shù)據(jù)信息缺失，呈現(xiàn)在掃描出的完整點云數(shù)據(jù)分布狀態(tài)時即形成所謂的“陰影”區(qū)域。想要獲取完整的被測物面型信息，避免“陰影”區(qū)域出現(xiàn)，一般有兩種方案，方案一是采用多角度安裝線激光傳感器的方式，但很顯然此方案會嚴重增加檢測成本；方案二是通過設計一個機械旋轉掃描平臺，搭載線激光傳感器以實現(xiàn)對被測物的全方位無死角式掃描，達到獲取完整被測物面型信息的目標。其次，由于線激光掃描技術利用的是激光打到被測物表面時發(fā)生的漫反射，因此，對于部分不符合漫反射特征的物體表面，如鏡面、透明面等均無法有效地獲取其面型信息。另外，由于線激光掃描技術的檢測精度很大程度取決于相機采集圖像中激光光斑位置信息的準確性，而激光光斑位置信息的準確性一方面取決于線激光本身的均勻性，一方面取決于從相機圖像中提取激光光斑位置信息時算法的穩(wěn)定性和可靠性，除此之外，被測物本身材質或表面屬性等特征，很大程度上也會影響到激光光斑位置提取的準確性。綜上，線激光掃描技術對于不同被測物檢測精度差別較大，且影響其激光光斑位置信息提取準確度的因素較多，導致該方法檢測精度總體不是很高，對于一些精度要求高的檢測需求往往達不到要求。

2 面結構光投影技術

如圖2（a）所示，面結構光投影技術，其投影設備、被測物、相機之間呈三角關系。投影設備將預先利用計算機編輯好的具有一定結構的面光投射到被測物體表面，被物體高度調制后的面結構光經(jīng)物體表面漫反射被相機探測記錄，并傳送至計算機處理。如圖2（b）所示，計算機收到相機采集到的圖像后開始進行圖像處理，首先根據(jù)已知的生成面結構光時采用算法對圖像反向求解，從中求解出受物體高度調制的相位信息，利用圖像直接解算出的相位被截斷在（-π，π）范圍內(nèi)，稱為包裹相位，而包含物體面型信息的是將其展開后的連續(xù)相位，因此必須對其進行展開。由于投影設備、被測物、相機空間相對位置固定，對其進行標定便可得到展開相位和物體真實高度間準確的映射關系，代入展開相位，即可求解出被測物真實面型信息。

圖2 面結構光投影技術原理圖

面結構光投影技術屬于非接觸式檢測方式，因此獲取到的數(shù)據(jù)準確且真實。根據(jù)面結構光投影技術原理可知，該方法檢測精度很大程度取決于獲取相位準確度，而相位則是完全根據(jù)預先在計算機中設計好的投影結構光算法逐個像素點進行求解得到，因此準確性相對較高，從而保證了該方法具有較高的檢測精度，基本上可滿足絕大多數(shù)檢測需求。此外面結構光投影技術，單次投射到被測物表面的是一個面光，對于大小不超過其投影面積的待測物，無需掃描即可獲取完整的面型數(shù)據(jù)信息，檢測效率方面明顯高于其他逐線或逐點檢測方式。同時由于光源是通過投影設備投射到被測物表面，因此實際到達被測物表面的結構光面積大小可通過改變投影設備到被測物之間距離進行調整，距離越大投射到待測物的結構光面積越大，反之越小。對于檢測精度要求不高但檢測效率要求高的情形，便可通過此方法得以實現(xiàn)。

面結構光投影技術，投影設備、待測物、相機之間構成三角關系，因此存在遮擋問題。根據(jù)其檢測原理，該方法利用的是經(jīng)被測物表面漫反射回相機的圖像信息進行處理，對于部分不符合漫反射特征的物體表面，如鏡面、透明面同樣不適用。此外，面結構光投影技術的檢測精度除了取決于硬件和圖像處理算法等因素外，最重要的就是相機采集到的圖像，而圖像通常是一個綜合性結果，不僅容易受到環(huán)境光、系統(tǒng)噪聲等客觀因素影響，而且極易受被測物表面自身圖像信息干擾，如物體表面顏色、紋理等，均會不同程度對圖像造成影響，經(jīng)圖像處理后對應檢測結果精度下降，甚至無法檢測，具有一定局限性。

3 線白光共聚焦技術

白光共聚焦技術采用的是白光光源，白光是由不同波長單色光組成的復色光，經(jīng)過同一光學系統(tǒng)時會產(chǎn)生光譜色散，并在空間沿著物體深度方向按照波長順序形成一系列焦點，當某一波長單色光對應焦點剛好落在被測物體表面某一物點時，該物點處對應單色光將被探測器記錄下，據(jù)此建立起波長與被測物表面到探測器間距離二者之間一一映射關系。這樣，只要探測器檢測到波長值，便可據(jù)此計算出被測物點深度值。利用掃描裝置對被測物進行掃描，即可獲取其完整面型數(shù)據(jù)信息。

傳統(tǒng)點白光共聚焦技術采用的是點白光光源，如圖3所示，其光源和探測器位于同一方向，即從光源發(fā)出的光線經(jīng)被測物表面反射后再進入探測器，整個過程均沿著同一方向，屬于“直上直下”式測量，因此不存在三角測量法中的遮擋問題，可以實現(xiàn)全方位無死角式檢測。但由于是逐點檢測，而單次檢測面積只取決于點白光共聚焦傳感器不同波長單色光各自對應焦點處實際光斑大小，想要獲取被測物完整面型信息必須對其表面進行逐點掃描，因此該方法檢測效率不高。

圖3 點白光共聚焦技術原理圖

針對點白光共聚焦技術逐點檢測導致檢測效率不高的問題，線白光共聚焦技術將逐點升級成了逐線檢測，如圖4所示，從光源投射到待測物的不再是一系列焦點，而是一個垂直焦平面，檢測效率迅速提升。

圖4 線白光共聚焦技術原理圖

在結構方面，與點白光共聚焦技術的“直上直下”式不同，線白光共聚焦技術采用的是三角測量法，即光源和探測器、被測物構成一定角度三角區(qū)域。從光源發(fā)出的白光經(jīng)光學系統(tǒng)色散后形成由不同波長單色光組成的連續(xù)波長光譜，光譜中的不同波長單色光分別聚焦在距離探測器不同距離的待測物表面，構成一個垂直焦平面，當物體面型對應到某個單色波焦平面位置時，探測器將其對應信息傳送至數(shù)字信號處理器，經(jīng)處理后便可得到被測物體面型數(shù)據(jù)信息。

利用光譜來獲取高度的線白光共聚焦技術，檢測結果僅與波長有關，不易受環(huán)境等外在客觀因素及被測物本身等內(nèi)在因素影響，因此該技術抗干擾性強，檢測結果穩(wěn)定且可靠。

此外，由于光譜中單色波波長均為亞微米量級，對于利用光譜中不同波長單色光對應焦點位置來映射高度信息的線白光共聚焦技術，其縱向分辨率通常也可達到亞微米量級，檢測精度很高。而對于其他技術不易檢測的物體，如曲面玻璃屏、醫(yī)用塑料、透明涂層和氣隙以及高反光電子零件甚至鏡面等，由其原理可知，線白光共聚焦技術均可實現(xiàn)檢測，且精度不易受影響。值得一提的是，對于一些透明分層物體，采用線白光共聚焦技術可同時獲取上下多層三維輪廓信息，進一步說明了線共焦技術對于透明材料檢測的重要性。

線白光共聚焦技術，光源、探測器、被測物構成三角關系，因此存在遮擋問題，對于一些面型復雜的被測物同樣存在部分數(shù)據(jù)缺失。由其原理可知，線白光共聚焦技術縱向檢測范圍取決于圖4中色散光譜范圍，因此其對應縱向檢測范圍一般只有毫米量級，檢測范圍較小，同時其水平方向單次檢測范圍通常也只有毫米量級，因此檢測效率不是很高。

4 結語

對于以上闡述的幾種常用三維檢測技術，沒有一種技術能夠同時滿足所有檢測需求，但每一種技術均有其適用場景。在實際選擇檢測方案時，應根據(jù)實際檢測物特點和檢測要求，綜合考慮進行選擇。