工业检测中3D检测技术探讨

郭禹璠

（太原科技大学，山西 太原 030024）

机器视觉是用机器代替人眼进行目标对象的识别、判断和测量。相对于传统检测方法，基于机器视觉的工业检测技术有着快速、准确、可靠和智能化等优势，是目前工业自动化中非常重要的一个组成部分。在工业检测中，被检测物一般包含二维平面图像信息和深度信息。因此，如何高效准确地获取被测物完整的三维面型信息，是急需解决的问题，在目前诸多技术当中如何选取最佳的检测方法是解决此问题的关键。在三维检测方法当中，相比于接触式检测，非接触式检测方法可直接避免与被测物接触的同时又可有效保护被测物避免损伤，减小探头本身损耗。文章主要介绍非接触式检测方法里目前比较常用且最具代表性的线激光扫描技术、面结构光投影技术和线白光共聚焦技术。以上几种方法检测原理和特点各不相同，故可检测面型特征也不尽相同。

1 线激光扫描技术

线激光扫描技术是以激光测距为原理。如图1所示，激光发射器、被测物、相机之间呈三角关系，因此也称为激光三角检测法。激光发射器将整形后的可见“一”字型线激光射向被测物体表面，经物体表面漫反射后通过镜头被相机探测记录。位于物体表面不同深度的检测物点，其表面处激光光斑反射回相机时，在相机图像中位置不同，即物体深度信息和相机图像中激光光斑位置信息二者间存在一一对应关系。实际检测时，线激光通过搭载机械移动装置实现对整个被测物面型扫描，在扫描过程中，被测物表面每一个物点处对应激光光斑位置信息均被相机以图像形式记录下。由于激光发射器、被测物、相机三者间摆放相对位置确定，通过对其进行标定，据此便可得到被测点深度信息与其对应相机图像中激光光斑位置之间具体映射关系，这样只需通过数字信号处理器解析图像即可计算出被测物和线激光传感器之间的真实距离，即被测物面型信息。目前市面上较成熟的知名品牌线激光传感器产品已经能够自动完成数据段的连续采集、测量、分析及处理，并构建三维模型，实现了真正意义上的一体化检测，为工业自动化做出一定贡献，而相关产品也已在工业检测领域得到广泛应用。

图1 线激光扫描技术原理图

线激光扫描技术采用的是非接触式检测方式来直接扫描获取被测目标的空间数据，从而保证了三维数据的准确性和真实性。根据如图1所示的线激光扫描技术原理，线激光传感器单次可检测范围如图1（b）所示，而目前市面上已有的线激光传感器产品，随着测量精度不同，其水平和纵向测量范围均可达数百毫米，可满足绝大多数物体的检测需求。此外线激光传感器是以激光轮廓线为单位对被测物进行扫描，相比于其他逐点扫描的检测方式，利用线激光扫描技术进行工业检测显然具有更高的检测效率，同时随着扫描装置不断升级，也使其拥有了极高的采样点速率，从而有效保证了工业检测的时效性。

由于线激光扫描技术基于三角测量原理，当被测物面型较为复杂时，物体表面局部反射光线会由于被物体其他部位遮挡而无法被相机探测到，导致这一部分面型数据信息缺失，呈现在扫描出的完整点云数据分布状态时即形成所谓的“阴影”区域。想要获取完整的被测物面型信息，避免“阴影”区域出现，一般有两种方案，方案一是采用多角度安装线激光传感器的方式，但很显然此方案会严重增加检测成本；方案二是通过设计一个机械旋转扫描平台，搭载线激光传感器以实现对被测物的全方位无死角式扫描，达到获取完整被测物面型信息的目标。其次，由于线激光扫描技术利用的是激光打到被测物表面时发生的漫反射，因此，对于部分不符合漫反射特征的物体表面，如镜面、透明面等均无法有效地获取其面型信息。另外，由于线激光扫描技术的检测精度很大程度取决于相机采集图像中激光光斑位置信息的准确性，而激光光斑位置信息的准确性一方面取决于线激光本身的均匀性，一方面取决于从相机图像中提取激光光斑位置信息时算法的稳定性和可靠性，除此之外，被测物本身材质或表面属性等特征，很大程度上也会影响到激光光斑位置提取的准确性。综上，线激光扫描技术对于不同被测物检测精度差别较大，且影响其激光光斑位置信息提取准确度的因素较多，导致该方法检测精度总体不是很高，对于一些精度要求高的检测需求往往达不到要求。

2 面结构光投影技术

如图2（a）所示，面结构光投影技术，其投影设备、被测物、相机之间呈三角关系。投影设备将预先利用计算机编辑好的具有一定结构的面光投射到被测物体表面，被物体高度调制后的面结构光经物体表面漫反射被相机探测记录，并传送至计算机处理。如图2（b）所示，计算机收到相机采集到的图像后开始进行图像处理，首先根据已知的生成面结构光时采用算法对图像反向求解，从中求解出受物体高度调制的相位信息，利用图像直接解算出的相位被截断在（-π，π）范围内，称为包裹相位，而包含物体面型信息的是将其展开后的连续相位，因此必须对其进行展开。由于投影设备、被测物、相机空间相对位置固定，对其进行标定便可得到展开相位和物体真实高度间准确的映射关系，代入展开相位，即可求解出被测物真实面型信息。

图2 面结构光投影技术原理图

面结构光投影技术属于非接触式检测方式，因此获取到的数据准确且真实。根据面结构光投影技术原理可知，该方法检测精度很大程度取决于获取相位准确度，而相位则是完全根据预先在计算机中设计好的投影结构光算法逐个像素点进行求解得到，因此准确性相对较高，从而保证了该方法具有较高的检测精度，基本上可满足绝大多数检测需求。此外面结构光投影技术，单次投射到被测物表面的是一个面光，对于大小不超过其投影面积的待测物，无需扫描即可获取完整的面型数据信息，检测效率方面明显高于其他逐线或逐点检测方式。同时由于光源是通过投影设备投射到被测物表面，因此实际到达被测物表面的结构光面积大小可通过改变投影设备到被测物之间距离进行调整，距离越大投射到待测物的结构光面积越大，反之越小。对于检测精度要求不高但检测效率要求高的情形，便可通过此方法得以实现。

面结构光投影技术，投影设备、待测物、相机之间构成三角关系，因此存在遮挡问题。根据其检测原理，该方法利用的是经被测物表面漫反射回相机的图像信息进行处理，对于部分不符合漫反射特征的物体表面，如镜面、透明面同样不适用。此外，面结构光投影技术的检测精度除了取决于硬件和图像处理算法等因素外，最重要的就是相机采集到的图像，而图像通常是一个综合性结果，不仅容易受到环境光、系统噪声等客观因素影响，而且极易受被测物表面自身图像信息干扰，如物体表面颜色、纹理等，均会不同程度对图像造成影响，经图像处理后对应检测结果精度下降，甚至无法检测，具有一定局限性。

3 线白光共聚焦技术

白光共聚焦技术采用的是白光光源，白光是由不同波长单色光组成的复色光，经过同一光学系统时会产生光谱色散，并在空间沿着物体深度方向按照波长顺序形成一系列焦点，当某一波长单色光对应焦点刚好落在被测物体表面某一物点时，该物点处对应单色光将被探测器记录下，据此建立起波长与被测物表面到探测器间距离二者之间一一映射关系。这样，只要探测器检测到波长值，便可据此计算出被测物点深度值。利用扫描装置对被测物进行扫描，即可获取其完整面型数据信息。

传统点白光共聚焦技术采用的是点白光光源，如图3所示，其光源和探测器位于同一方向，即从光源发出的光线经被测物表面反射后再进入探测器，整个过程均沿着同一方向，属于“直上直下”式测量，因此不存在三角测量法中的遮挡问题，可以实现全方位无死角式检测。但由于是逐点检测，而单次检测面积只取决于点白光共聚焦传感器不同波长单色光各自对应焦点处实际光斑大小，想要获取被测物完整面型信息必须对其表面进行逐点扫描，因此该方法检测效率不高。

图3 点白光共聚焦技术原理图

针对点白光共聚焦技术逐点检测导致检测效率不高的问题，线白光共聚焦技术将逐点升级成了逐线检测，如图4所示，从光源投射到待测物的不再是一系列焦点，而是一个垂直焦平面，检测效率迅速提升。

图4 线白光共聚焦技术原理图

在结构方面，与点白光共聚焦技术的“直上直下”式不同，线白光共聚焦技术采用的是三角测量法，即光源和探测器、被测物构成一定角度三角区域。从光源发出的白光经光学系统色散后形成由不同波长单色光组成的连续波长光谱，光谱中的不同波长单色光分别聚焦在距离探测器不同距离的待测物表面，构成一个垂直焦平面，当物体面型对应到某个单色波焦平面位置时，探测器将其对应信息传送至数字信号处理器，经处理后便可得到被测物体面型数据信息。

利用光谱来获取高度的线白光共聚焦技术，检测结果仅与波长有关，不易受环境等外在客观因素及被测物本身等内在因素影响，因此该技术抗干扰性强，检测结果稳定且可靠。

此外，由于光谱中单色波波长均为亚微米量级，对于利用光谱中不同波长单色光对应焦点位置来映射高度信息的线白光共聚焦技术，其纵向分辨率通常也可达到亚微米量级，检测精度很高。而对于其他技术不易检测的物体，如曲面玻璃屏、医用塑料、透明涂层和气隙以及高反光电子零件甚至镜面等，由其原理可知，线白光共聚焦技术均可实现检测，且精度不易受影响。值得一提的是，对于一些透明分层物体，采用线白光共聚焦技术可同时获取上下多层三维轮廓信息，进一步说明了线共焦技术对于透明材料检测的重要性。

线白光共聚焦技术，光源、探测器、被测物构成三角关系，因此存在遮挡问题，对于一些面型复杂的被测物同样存在部分数据缺失。由其原理可知，线白光共聚焦技术纵向检测范围取决于图4中色散光谱范围，因此其对应纵向检测范围一般只有毫米量级，检测范围较小，同时其水平方向单次检测范围通常也只有毫米量级，因此检测效率不是很高。

4 结语

对于以上阐述的几种常用三维检测技术，没有一种技术能够同时满足所有检测需求，但每一种技术均有其适用场景。在实际选择检测方案时，应根据实际检测物特点和检测要求，综合考虑进行选择。