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【自有技术大讲堂】结构光三维测量技术简介

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目前三维测量技术种类繁多,例如双目/多目视觉法、TOF法、散斑法、结构光等等,不同的方法有着各自不同的应用场景和范围。对于工业的产品测量、识别,检测来说,结构光方法是目前较为主流的方法。结构光法主要分为点、线、面三类测量结构,本文主要介绍面类测量结构中的投影条纹法。投影条纹法是将光栅投影于物体表面, 在其表面上形成受被测物体表面形状调制的变形光栅条纹图像,并使用摄像机拍摄该条纹图像。

 

 

被测物表面形状与投影系统及摄像机之间的相对姿态决定了采集图像中条纹的变形程度。直观上, 条纹在法线方向的偏移与物体表面深度成正比例, 条纹扭曲表示物体平面的变化,不连续表示物体表面的物理突变或间隙,通过分析变形的条纹图像可得到物体表面的三维形状数据。投影条纹法具有测量速度快、测量精度高、易自动化、柔性好、全场测量的特点,是国内外三维表面形状测量技术研究发展的重点。但也具有相应的不足之处:抗振动性能较差,无法准确的测量连续运动的物体;测量精度对投影仪、相机的环境变化敏感;实时性相对较差。

 

 

 

美国Cyber Optics公司推出的3D AOI检测设备,其原理就是采用光栅条纹投影进行3D检测。其检测方式是在PCB的正上方放置一个垂直投影的投影仪,并从前后左右四个方向获得被PCB调制后的结构光条纹。该种布局方式可以获取器件遮挡信息,能生成较为完整的三维测量模型。

 

Koh Young公司生产的Zenith UHS也是采用光栅投影进行3D检测的设备,能够以更快的速度测量各种元件缺陷,且不影响检测精度和可重复性。其检测视场为42 mm,检测最大高度为10 mm时,成像分辨率可达15 μm,检测速度为0.69 s/FOV。Zenith Alpha结合了人工智能技术,不仅提高了检测速度,也增大了PCB的检测高度,并且克服了超细间距和焊点多重反射带来的检测难题。

 

 

在这类测量方法中,产生光栅投影的方式有多种,DLP投影是被广泛采用的结构方式。DLP是一种数字投影结构器件,可以产生一组光强呈正旋分布的光栅图像。DLP的核心部件是DMD芯片。在DMD芯片中,微反射镜是其最小的工作单位,也是影响其性能的关键。微反射镜的体积非常小,但是依然拥有不同于液晶的复杂机械结构——每块微反射镜都有独立的支撑架,并围绕铰接斜轴进行+/-12°进行的偏转。通过控制每块反射镜的偏转角度,就可以投射出需要的光栅图案。

 

 

采集到多组光栅条纹后需要提取其相位继而得到待测物表面信息,根据不同的光栅条纹投射方案可以选择不同的相位解包方法。较为常用的投射方案是在水平方向采集12幅光栅条纹图像,3组不同频率的条纹,每组4幅不同相移的图像;竖直方向采集12幅光栅条纹图像,其中不同频率的有3组,每组4幅不同相移的图像。相机采集到的光栅图像灰度分布为:

 

其中,(u,v)表示投影面投影像素单元的坐标,I(u,v)为(u,v)点的灰度值,a和b分别为正弦光栅的光强背景值和调制光强值,θ(u,v)为I(u,v)对应的光栅相位,Ø为待求相位主值,a为相位位移。 分别通过12幅水平条纹光栅图像计算出3幅水平相位主值图像,12幅竖直条纹光栅图像计算出3幅竖直相位主值图像。使用相位解包方法将求解出的相位信息展开,就可以得到被测物体的三维信息。

 

参考文献

[1] 李中伟. 基于数字光栅投影的结构光三维测量技术与系统研究[D].华中科技大学,2009.

[2]三维成像技术的5种技术流派. 光电汇.

[3] Guerrouj. [数字条纹投影技术基础2]非接触光学三维测量技术综述.csdn.

2021年10月27日 09:42
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