2018-05-31
引言
近年來，３D掃描技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛：在零件尺寸檢測領(lǐng)域，２D機器視覺已無法完全滿足客戶需求，越來越多的客戶要求對產(chǎn)品的３D尺寸進行全檢；在Bin-Pick等機器人與機器視覺相結(jié)合的應(yīng)用中，３D掃描技術(shù)成為標準解決方案。如何快速響應(yīng)迅速崛起的3D檢測市場，已成為機器視覺行業(yè)的焦點。盛相科技推出的Sizector?結(jié)構(gòu)光3D相機采用硬件計算技術(shù)，通過USB 3.0接口輸出高達７FPS的高精度３D點云數(shù)據(jù)。基于Sizector 配套SDK，用戶可以將先進的3D面陣掃描技術(shù)快速集成到非標項目中。對于通用的檢測需求，也可直接采用Sizector Light 檢測軟件直接搭建系統(tǒng)，無須編寫代碼。
移相法結(jié)構(gòu)光技術(shù)
盛相科技Sizector ３D相機采用移相法結(jié)構(gòu)光技術(shù)。該技術(shù)的基本原理是，向被測物體投射一系列含有特定空間相位編碼２D圖案的同時對被測物拍攝，然后對得到的照片進行解碼，再將解碼信息根據(jù)標定數(shù)據(jù)進行計算，重構(gòu)成為３D數(shù)據(jù)。線激光技術(shù)和移相法結(jié)構(gòu)光技術(shù)都是基于三角測量原理，因此二者的精度相近。因為結(jié)構(gòu)光技術(shù)投射的光是整個面，它不需要移動拼接就能產(chǎn)生３D數(shù)據(jù)。
圖1 點激光、線激光與移相法結(jié)構(gòu)光示意圖
對于靜態(tài)面陣３D檢測，移相法結(jié)構(gòu)光技術(shù)相比線激光技術(shù)有著顯著的優(yōu)勢。采用線激光實現(xiàn)３D掃描需要在移動中以編碼器的反饋信號連續(xù)觸發(fā)線激光傳感器，其檢測精度和速度受到機械移動及反饋系統(tǒng)的影響。在設(shè)計過程中，需要對速度和精度進行平衡和取舍，以實現(xiàn)更佳的檢測效果。在設(shè)備調(diào)試過程中，必須對每一臺設(shè)備進行嚴格的校準和測試，確保運動裝置運行精準。在設(shè)備長期運行過程中，還需考慮運動裝置的壽命和維護問題。移相法結(jié)構(gòu)光技術(shù)無需移動測頭或被測物體就能完成面掃描。不但節(jié)省了高精度移動部件的物料成本，安裝調(diào)試和后期維護也更簡便。
在Bin-Pick等識別類應(yīng)用中，需要先獲取物體的３D數(shù)據(jù)，再對３D數(shù)據(jù)進行識別和判斷。準確的３D數(shù)據(jù)能夠使識別和判斷的開發(fā)難度降低，系統(tǒng)的可靠性提高。移相法結(jié)構(gòu)光技術(shù)與TOF技術(shù)、散斑技術(shù)、雙目立體視覺技術(shù)相比，數(shù)據(jù)精度更高，獲得了主流機器人廠家的青睞。
高度集成的模塊化３D掃描產(chǎn)品
移相法結(jié)構(gòu)光技術(shù)在過去主要以PC連接投影單元和工業(yè)相機實現(xiàn)。用戶需要自行控制投影單元和工業(yè)相機，還需編寫３D重構(gòu)算法或調(diào)用相關(guān)算法模塊。移相法結(jié)構(gòu)光技術(shù)的運算量十分龐大，對計算機的性能要求高。在工業(yè)應(yīng)用中，計算機不但需要承擔(dān)３D數(shù)據(jù)的分析、處理和判斷，還需要承擔(dān)３D重構(gòu)的計算任務(wù)。在實時性要求高、檢測周期短的情況下，計算資源調(diào)度困難，導(dǎo)致移相法結(jié)構(gòu)光技術(shù)在過去的十多年里主要應(yīng)用于航天航空、軍工、逆向工程等對精度要求高但節(jié)拍要求低的場合。盛相科技SizectorTM ３D相機采用硬件計算技術(shù)，將投影、相機、３D計算單元集成在產(chǎn)品內(nèi)部，由內(nèi)部控制器完成對各個功能單元的控制。整個３D拍攝和重構(gòu)計算過程在內(nèi)部完成，無須占用用戶計算資源。用戶可將計算資源集中用于數(shù)據(jù)的分析和判斷，在有限的預(yù)算、有限的計算資源和有限的開發(fā)周期內(nèi)，實現(xiàn)更完美的檢測效果。
出色的產(chǎn)品性能
作為國內(nèi)最早將移相法結(jié)構(gòu)光技術(shù)批量應(yīng)用于自動化生產(chǎn)線的公司，盛相科技多年來積累了豐富的技術(shù)和經(jīng)驗。盛相科技Sizector ３D相機融合了盛相科技多年來的技術(shù)結(jié)晶，將移相法結(jié)構(gòu)光技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用推向了一個新的高度。
高幀率
三維解算過程需要對每一個像素進行數(shù)千個指令周期的復(fù)雜運算。基于馮·諾依曼架構(gòu)的CPU計算系統(tǒng)，每個線程每個時鐘周期只能進行一個像素點的單步驟計算，耗時較長，計算時長還會受到CPU其他線程負荷的不可預(yù)測的干擾。盛相科技Sizector ３D相機采用硬件并行計算技術(shù)，其核心算法模塊數(shù)據(jù)吞吐率峰值高達３GB/s。結(jié)合專為結(jié)構(gòu)光技術(shù)優(yōu)化的系統(tǒng)架構(gòu)，其計算效率遠高于以CPU為核心的通用計算系統(tǒng)，運算周期穩(wěn)定可預(yù)測，不受外界干擾，連續(xù)３D拍攝輸出幀率可達７FPS以上。對于檢測節(jié)拍快的應(yīng)用需求，如消費電子制造業(yè)的零件檢測， ３D SPI, 3D AOI等應(yīng)用，硬件計算帶來的效率和成本優(yōu)勢十分明顯。
高精度
單像素高度跳動是衡量結(jié)構(gòu)光技術(shù)精度的關(guān)鍵指標，它相當于２D相機的噪聲。在３D面陣掃描測量的應(yīng)用中，往往通過對一個區(qū)域內(nèi)的有效像素點的高度進行平均，以計算被測區(qū)域的高度。單像素高度跳動直接影響測量條目的靜態(tài)重復(fù)性。在實際應(yīng)用中，由于檢測區(qū)域的尺寸往往遠大于1個像素，通過計算檢測區(qū)域內(nèi)的所有像素的平均值并采取濾波措施, 檢測條目的靜態(tài)重復(fù)性往往顯著優(yōu)于單像素高度重復(fù)性。在一些被測區(qū)域像素點較少的情況下，該指標對重復(fù)精度的影響較為明顯。表１為Sizector ３D相機40mm FOV １００次拍攝的單像素高度值分布圖，其標準差為2.562μm，達到世界領(lǐng)先水平。
表1 未經(jīng)濾波處理的PCB SMT焊盤高度測量值分布圖（單像素100次）
高完整性
結(jié)構(gòu)光技術(shù)依賴物體表面對投影光的漫反射，如何更完整地拍出不同表面反光率的物體，是結(jié)構(gòu)光技術(shù)的難點。SizectorTM３D相機采用SONY最新推出的高靈敏度低噪音CMOS傳感器，結(jié)合高功率投影單元，對包括黑色塑料和類鏡面金屬表面的大部分材質(zhì)有著理想的成像效果。
圖2 手機SIM卡座實物與三維拍攝效果對比（同時包含高反光鍍金表面和低反光黑色塑料）
圖3 手機中板實物與三維拍攝效果對比（類鏡面、高反光金屬表面）
靈活的應(yīng)用
Sizector ３D相機提供SDK接口和采用Sizector Light軟件直接搭建系統(tǒng)兩種應(yīng)用模式。用戶可以根據(jù)項目需求和開發(fā)周期選擇合適的模式。Sizector Light是由盛相科技自主開發(fā)的模塊化３D尺寸檢測軟件，旨在滿足標準的在線尺寸檢測需求。用戶可將Sizector ３D相機連接到安裝有Sizector Light的PC上，直接實現(xiàn)完整的測量系統(tǒng)。Sizector Light具有友好而簡潔的人機交互界面，測量條目可添加刪除，公差范圍可設(shè)置，所有設(shè)置可保存。還能夠?qū)y試結(jié)果的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可視化顯示。Sizector Light提供模塊化接口，用戶可根據(jù)Sizector Light接口規(guī)范編寫自己的算法模塊，并將其添加到Sizector Light之中，使軟件開發(fā)的工作量降至最低。Sizector配套 SDK包含了３D相機驅(qū)動程序、函數(shù)庫、示例代碼，以及文檔。Sizector SDK支持多個３D相機同時工作，用戶可以通過調(diào)用驅(qū)動程序的方式，將Sizector３D相機添加到檢測系統(tǒng)中，實現(xiàn)諸如多３D相機協(xié)同、３D與２D協(xié)同、機械控制與３D測量協(xié)同等復(fù)雜的定制化系統(tǒng)。Sizector SDK將支持Vision Pro以及Halcon數(shù)據(jù)格式，用戶既可自行編寫３D數(shù)據(jù)處理算法，也可調(diào)用第三方函數(shù)庫處理數(shù)據(jù)。
總結(jié)
圖4 Sizector?結(jié)構(gòu)光3D相機（帶載臺）
Sizector３D相機基于先進的移相法結(jié)構(gòu)光技術(shù)，將３D掃描和解算過程封裝在獨立的設(shè)備中，直接輸出高幀率、高精度、高完整性的面陣３D數(shù)據(jù)。用戶既可通過調(diào)用SDK的方式直接控制３D相機搭建非標系統(tǒng)，也可采用Sizector Light３D檢測軟件快速響應(yīng)標準３D檢測需求。基于各項技術(shù)表現(xiàn)和客戶反饋，Sizector 3D相機基于行業(yè)新興技術(shù)，深度融合現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境，使得客戶的檢測效率大大提升，同時降低了生產(chǎn)成本。我們看好3D檢測在工業(yè)檢測各領(lǐng)域的應(yīng)用，期待Sizector 3D相機能夠在行業(yè)蓬勃發(fā)展的同時獲得更多客戶的認可。
