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作者丨飛鳶逐浪@知乎

來源丨h(huán)ttps://zhuanlan.zhihu.com/p/486516636

編輯丨3D視覺工坊

1 3D 視覺

常見的三維視覺技術(shù)，包含雙目、ToF、激光三角、結(jié)構(gòu)光等，如下圖：

1）毫米級

雙目、ToF、結(jié)構(gòu)光(散斑)的精度為 mm 級，多見于消費領(lǐng)域，如：導(dǎo)航避障，VR/AR，刷臉支付等

2）微米級

線激光、結(jié)構(gòu)光(編碼)的精度是 um 級，主要應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，如：表面缺陷檢測、三維測量等

3）納米級

另外，還有 nm 級精度的光譜共焦技術(shù)，可用于透明材質(zhì)物體的三維測量

2 激光三角法

按照激光投射的不同模式，激光三角法有點激光、線激光、多線激光、激光網(wǎng)格等

2.1 測量原理

為了直觀的了解激光三角法，用點激光位移傳感器，演示其測量原理如下：

2.2 精度范圍

在3D視覺技術(shù)中，從被測物的大小和縱向精度來考慮，廣義三角法 (包含激光三角法) 處于中間的位置，如下：

- 被測物體的大小范圍 1mm ~ 8m，對應(yīng)精度 1um ~ 0.4mm

3 線激光3D相機

線激光3D相機，是一種基于三角測量原理，通過圖像傳感器，捕獲激光發(fā)生器投射在物體表面的激光線信息，重構(gòu)物體表面輪廓信息的三維相機

其結(jié)構(gòu)示意圖，如下：

3.1 深度測量范圍

3.1.1 鏡頭景深

實際應(yīng)用中，光圈的減小是有一定限度的：

1) 如果光圈太小，則會產(chǎn)生衍射，使得較小的細節(jié)信息變的模糊(即在最佳焦點下可解析的特征尺寸會變大)

2) 隨著光圈的減小，進入圖像傳感器的光線也會越少，相應(yīng)地，就要增大(激光器)功率或(相機)曝光時間

3.1.2 沙姆定律

在光圈調(diào)節(jié)受限的情況下，如果仍有部分成像不清晰，則可采用沙姆結(jié)構(gòu)，將鏡頭逐漸傾斜，從而使整個物體表面都可以清晰成像，如下圖：

線激光3D相機，為了增大深度測量范圍，通常采用沙姆結(jié)構(gòu)，如下：

- 被攝物平面 (激光平面)、鏡頭平面、膠片平面 (像平面) 交于一條直線，即沙姆定律(Scheimpflug principle)

3.2 結(jié)構(gòu)形式

線激光3D相機，基本的結(jié)構(gòu)形式有四種：直射式、斜射式、反射式、同側(cè)式。其它的結(jié)構(gòu)，多是在此基礎(chǔ)上的發(fā)展演變

直射式，布置安裝簡單，計算結(jié)果的應(yīng)用非常直觀，是目前最常用，也是一種通用的結(jié)構(gòu)形式；

斜射式，布置安裝簡單，計算結(jié)果的應(yīng)用不夠直觀，多用于對精度要求高的平面物體的特征測量；

反射式，布置安裝復(fù)雜，計算結(jié)果的應(yīng)用不夠直觀，多用于反射特性較弱的深色物體的表面測量；

同側(cè)式，多用于高反光件，比較少見 (因為直射式和斜射式，通過俯仰一定的角度，也可達到類似的效果)

3.2.1 分辨率

線激光3D相機的分辨率，可分為三個方向：

3.2.2 光學(xué)遮擋

雖然增大相機光軸和激光平面之間的夾角，可以提高 z 軸分辨率，但隨著夾角 θ 的增大，光學(xué)遮擋現(xiàn)象也會愈發(fā)明顯

尤其是物體表面有凹凸起伏時，四種結(jié)構(gòu)均存在一定的遮擋：激光線照不到的區(qū)域稱為陰影，相機接收不著反射光線的區(qū)域稱為盲區(qū)

因為激光發(fā)射線正對被測物，所以直射式的陰影最小；同理，因為相機正對被測物，所以反射式的盲區(qū)最小

實際中，大部分被測物的表面，通常都是凹凸起伏的。因此，θ 角的設(shè)計，要充分考慮精度(z軸) 和遮擋(陰影和盲區(qū)) 的平衡

此外，也可增加激光器數(shù)量，從不同方向投射，來減少陰影；或者增加相機數(shù)量，從不同角度拍攝，將多幅圖像進行融合，來降低盲區(qū)

3.3 散射特性

當激光束打在不同的被測物上時，考慮物體表面的散射特性，可分為四種情況：

a）激光打在鏡面上時，發(fā)生鏡面反射，反射方向取決于激光和表面的相對方向，反射光一般不會進入相機，表現(xiàn)為無信號

b）激光打在朗伯體上，發(fā)生均勻散射，散射的強度正比于觀察方向和表面法向量夾角的余弦，是一種最理想的情況

c）激光打在普通物體上，通常發(fā)生定向散射，即最大散射強度出現(xiàn)在一個理想的反射方向上，散射分布的角半寬，取決于表面粗糙度

d）激光打在半透明物體上(塑料、玻璃等)，光線會進入物體內(nèi)部，發(fā)生體散射 (volume scattering)

實際中，物體表面的散射特性是 a) b) c) d) 的混合，其中占主導(dǎo)地位的散射特征，主要取決于表面粗糙度，如下圖：

- 隨著表面粗糙度的增加，物體的散射特性，由鏡面散射占主導(dǎo)地位，逐漸演變?yōu)槁⑸湔贾鲗?dǎo)

如果物體表面的顆粒大小和入射光的波長相近時，激光容易發(fā)生相長和相消干涉，產(chǎn)生散斑噪聲，如下：

此外，激光散斑噪聲，也與成像系統(tǒng)的放大率有關(guān)，放大率 β 越大，散斑噪聲愈發(fā)明顯。

保持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變，更換焦距為之前 1/2 的鏡頭，對于同樣的激光條，新拍攝的圖像，如下：

對于線激光3D相機，如果出現(xiàn)比較明顯的散斑噪聲，會影響光條中心點的提取精度，如下：

3.4 多重反射

如果被測物體的表面不均勻，則除了光學(xué)遮擋外，還有可能出現(xiàn)多重反射，如下圖：

- 光線1是入射光在物體表面發(fā)生的第一次反射，光線2是入射光在物體表面發(fā)生的第二次反射，這兩條光線在探測器上的成像位置不同

二次或多次反射的光線，與一次反射的光線相比，在光條圖像上會看到明顯變粗的傾向，因此，可將寬度超過一定閾值的光條剔除掉

但是，對于二次反射的光線，如果其反射的強度大于一次反射的強度，則可能會形成假像，影響測量精度

這種二次反射形成的假像，在物體材質(zhì)為金屬且表面存在小孔洞時，出現(xiàn)的概率較大，目前暫無有效的方法 (潛在可能解決的一個方向是線偏振)

4 行業(yè)淺析

從線激光3D相機到3D視覺產(chǎn)業(yè)，再到整個機器視覺的產(chǎn)業(yè)鏈圖譜，如下：

1）上游是基礎(chǔ)器件的生產(chǎn)商，如鏡頭、圖像傳感器、算法平臺等；

2）中游為視覺系統(tǒng)制造商，如 ToF相機、線激光3D相機、結(jié)構(gòu)光相機等；

3）下游則是圍繞中游提供的視覺系統(tǒng)，深入到各個行業(yè)的系統(tǒng)集成商，如3C行業(yè)的缺陷檢測、汽車制造的質(zhì)量控制等

隨著國家智能制造大戰(zhàn)略的推進，整個行業(yè)將迎來快速增長期，尤其是國產(chǎn)化替代的進程會大大加快，替代過程會先從產(chǎn)業(yè)鏈的下游，再到中游，最后擴展到上游

以線激光3D相機為例，在 2015年以前，第一梯隊主要是Keyence、LMI、Cognex等國外品牌，第二梯隊有SICK、米銥、SmartRay等眾多國外廠家，國內(nèi)鮮有成規(guī)模的企業(yè)與之競爭

然而，到了 2020年左右，國內(nèi)涌現(xiàn)出了深視智能、中科行智等一批國產(chǎn)廠商，雖然暫時不能完全替代第一梯隊，但已經(jīng)對第二梯隊形成了較大的沖擊

由此，預(yù)測在未來的 5-8年內(nèi)，機器視覺行業(yè)內(nèi)將會出現(xiàn)不止一家獨角獸企業(yè)，完成產(chǎn)業(yè)鏈上-中-下游的全面整合，對當前第一二梯隊的國外品牌形成全面的沖擊，至少完成50%以上的國產(chǎn)化替代

未來機器視覺行業(yè)內(nèi)，獨角獸企業(yè)的形成有兩種可能：

一種可能是，做某行業(yè)系統(tǒng)集成的下游企業(yè)，在業(yè)務(wù)拓展到一定規(guī)模后，反過來向上收購中游的3D視覺企業(yè)，最后把觸手伸向上游的基礎(chǔ)器件廠家，完成全產(chǎn)業(yè)鏈的整合

另一種則是，中游的視覺系統(tǒng)企業(yè)，在給下游企業(yè)提供視覺設(shè)備時，逐漸積累了具體行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用經(jīng)驗，從而引入新的業(yè)務(wù)，形成對原來下游企業(yè)的成本優(yōu)勢，從而完成產(chǎn)業(yè)鏈的整合

參考資料

1、景深與焦深：https://www.edmundoptics.cn/knowledge-center/application-notes/imaging/depth-of-field-and-depth-of-focus/

2、分辨率與對比的限制：艾里斑https://www.edmundoptics.cn/knowledge-center/application-notes/imaging/limitations-on-resolution-and-contrast-the-airy-disk/

3、Scheimpflung principle：https://www.optowiki.info/glossary/scheimpflug-principle/

4、LMI 3D Line Confocal Sensors：https://lmi3d.com/focalspec-line-confocal-sensors/

5、GOM High Precision 3D Metrology：https://www.gom.com/en/products/high-precision-3d-metrology

6、Teledyne e2v How does laser triangulation work：https://imaging.teledyne-e2v.com/products/applications/3d-imaging/laser-triangulation/

7、Understanding laser-based 3D triangulation methods：https://content.coherent.com/legacy-assets/pdf/3DMachineVision.pdf

8、《Laser Measurement Technology》ch10

9、《3D Imaging, Analysis and Applications》2nd, ch5

10、《Machine Vision: Automated Visual Inspection:Theory, Practice and Applications》

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—THE END—

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