激光三角测量法在工业视觉检测上的应用

激光三⾓测量法，是⼯业视觉领域较为常⽤也是⽐较容易理解的⼀种3D检测算法。本⽂主要从应⽤层次来阐述，包括相机和激光选型、搭接⽅式的优劣点分析、软件开发过程中的注意事项等。

1、原理及演⽰

将⼀条单线细激光光线投射到物体表⾯，由于物体表⾯⾼度发⽣变化，使得激光线发⽣了弯曲，根据这个线的变形，可以计算出精确的物体表⾯三维轮廓。如下图所⽰，基本组成结构有：1） 2D/3D相机 2）线激光 3）镜头 4）固定架和安装⽅法。

2、特点

1）可以同时获得X，Z向坐标 2）相机与被测物之间必须有相对运⾏ 3）主要⽤于在线3D测量

4）适合近距离、⾼精度、⾼速测量

3、关键参数

3.1相机的选择

相机可以选择普通⾯阵相机或3D相机，均可以得到3D图像或者点云数据。使⽤普通⾯阵相机，需要⾃⼰提取轮廓线，并通过标定来重建深度图像，Halcon⾥⾯有现成的例程进⾏实现。如果对⾏频要求不⾼、Z向精度要求不⾼的场合，完全可以使⽤⾼速⾯阵相机来实现。我近期所做项⽬，对⾏频和精度要求偏⾼，所以还是选取的3D相机的⽅案。德国的SICK、AT相机是⼯业检测应⽤中⽤的⽐较多的两款3D相机了，最⾼⾏频都可以做到⼏⼗KHZ，以AT相机为例，具体参数如下：

⾏频的⼤⼩除了和⾏数有关，也跟设置的ROI的宽度（像素点数）、曝光时间均有直接的关系。

3.2线激光的选择

线激光的评价参数有很多，如均匀性、点稳定性、准直度、瞄准线、功率稳定性。激光器⾃⾝的参数有：扇⾓、功率、景深等。实际项⽬选型中，最常⽤的参数有：

扇⾓：扇⾓越⼤，同样⼯作距离对应的激光线越长。

功率：功率越⾼，激光的强度越⼤（⾁眼看越亮）。对于⿊⾊不反光材质，要选择功率⼤⼀点的激光。功率的稳定性也会影响测量的灵敏性，较差的功率稳定性，将不能使⽤固定的阈值⽅法，对于较低对⽐度的物体测量变得困难均匀性：不好的均匀性会降低分辨率和精度

经过对多个不同品牌激光的测试，德国的ZLaser激光是性价⽐较⾼的⼀款激光，多种型号可以满⾜不同场合的应⽤。

3.3搭接⽅式的选择

1）标准安装：激光垂直材料平⾯，相机与激光呈α⾓度

适应场合：⼤多数场合均适⽤

优点：轮廓上的点都有相同的Y坐标，标定简单缺点：存在盲区

2）反向安装：相机垂直材料平⾯，激光与相机呈α⾓度

适⽤场合：平⾯物体优点：可增加⾼度分辨率

缺点：轮廓上的点的Y坐标不相同，标定复杂3）发射式安装或明场安装⽅式

适⽤场合：适⽤于返光不强的平⾯物体。由于直接反射，可增加物体的返光亮度（对于某些材质，可能是缺点）。 优点：⼤⼤增加⾼度分辨率 缺点：标定复杂 4）暗场安装⽅式

适⽤场合：返光较强的平⾯物体。 优点：可减少直接光的反射缺点：会降低⾼度分辨率，标定复杂

3.4测量⾓的选择

较⼤的测量⾓，可以带来更⾼的Z⽅向分辨率，同时也会导致更⼤的盲区。所以需要根据实际项⽬情况进⾏权衡。

例如：5mm⾼物体，，盲区为4.2mm

4、实际应⽤

4.1应⽤举例

需要已知如下信息：

物体⼤⼩（长、宽、⾼）X，Y，Z⽅向精度要求扫描速度应⽤类型材质

举个例⼦，需要测量的物体⼤⼩为80*50*5（长*宽*⾼），X向精度0.3mm，Y向精度0.3mm， 扫描速度为2m/s，那么需要的X向分辨率不⾼于0.1mm/pixel，Y向分辨率不⾼于0.1mm/pixel。1) 相机选择

需要选择的像素点数不低于80/0.1=800；对应的⾏频不低于2000/0.1=20KHZ。

相机能达到的最⼤⾏频，取决于ROI有效区域的⼤⼩、曝光时间和轮廓提取算法等。⽽ROI有效区域的⼤⼩⼜取决于材料的厚度范围，曝光时间⼀部分取决于材料的材质（有的材料⽐如橡胶轮胎为⿊⾊吸光的材质，在同等光源亮度情况下，需要的曝光时间要⾼⼀些）2）镜头选择

这个跟2D⼀致。主要取决于现场安装的⼯作距离，焦距越⼤⼯作距离越远3）搭接⽅式

如上所述，各有利弊，可以从标定的难易程度、检测精度、平⾯物体的材质等多个因素考虑选择哪种⽅式

4.2采图

当相机和激光⾓度固定时，相机安装⽅向的不同会导致灰度极性的不同（即⾼度越⾼的物体，对应的灰度值越亮还是越暗）。简单总结：相机⾃⾝安装是有⽅向的，若激光在相机的正⽅向的上⾯，则⾼度越⾼的物体，对应的灰度值越低；否则对应的灰度值越⾼。 基于此，如果想改变灰度极性，在不更改相机安装⽅向的情况下，可以通过设置ReverseY参数来更改。

4.3标定

标定的⽬的：获得相机内外参数、以及激光光平⾯的⽅向。进⽽可以计算出物体X和Z向的物理单位⼤⼩。3D相机⼀般集成了现成的标定模块，所以标定起来⽐较容易，经常⽤的标定⽅法为：锯齿形标定板

通过在运动⽅向上移动标定块，调⽤相机⾃⾝的标定算法，来实现对3D相机的标定。