非接触式3D测量技术

随着智能制造的深入，具备视觉感知能力的智能设备益发盛行，机器视觉作为前端感知的核心部件，市场需求旺盛。其中非接触式光学三维测量已经在越来越广泛的领域起到了重要作用。本文主要对非接触式三维测量技术中应用广泛的结构光成像实现方法及原理做了介绍，并将该技术原理与四投影相结合，实现被测物体的三维重建。

结构光相机成像原理

目前工业3D成像的传统方法有时间飞行法（TOF）、双目视觉法、结构光法等，时间飞行法，即给目标发射连续的光脉冲，经过目标反射，通过传感器接收回来的光，记录飞行的时间，计算出到目标的距离；双目视觉法的基本原理是通过左右两个摄像头获取图像信息，计算视差，类似于人的双眼，实现被测物体的三维重建。

珩图科技采用结构光法，顾名思义，将光结构化，有多种投影图案方式，如正弦条纹的相移法、二进制编码的格雷码，整个系统的主要硬件有投射仪、相机，通过投射仪发射特定结构光到被测物体表面，然后通过一个或多个相机采集发生形变的条纹图案，再根据三角测量原理计算并获取深度信息，实现3D重建。上述成像方法各有优势，下面我们主要介绍采用结构光方法实现的被测物体3D重建。

该技术的具体实现系统是由DLP光机产生编码图像，将图像按照顺序依次找到物体表面，受物体表面高度的变化影响产生形变的条纹图，工业相机记录每一张经过调制的条纹图像，并通过相应算法利用相应软件进行数据处理，最终得到被测物体在三维世界中的信息。针对结构光三维成像系统，需要通过投影图案的编码与解码，系统相机-投影仪的标定，三维点云的重建等过程重建物体3D形状。

珩图科技研发生产的DLP结构光3D相机：

高精度迅猛龙VRH系列结构光3D相机

搭载NVIDIA CUDA 核心；907万3D点云；最高可以1.4帧/秒的扫描速度全范围扫描；视野范围涵盖24mm-278mm；Z轴方向重复精度可达0.6μm；应用场景：半导体、3C、汽车零部件等行业3D高精度检测。

迅猛龙VR系列结构光3D相机

搭载NVIDIA CUDA 核心；最高可以3.3帧/秒的扫描速度全范围扫描；采用DLP投影技术；视野范围涵盖210mm-2200mm；Z轴重复精度可达51μm；应用场景：引导定位、拆垛码垛、无序抓取、3D检测等。

 投影图案的编码与解码

在结构光三维测量中，相移法属于时间编码方法，对图片中每个像素增加相位信息进行编码，在正弦条件下，分辨率可能达到亚像素级，获取更精准的像素对应关系。相移法主要是通过投影具有相位差的条纹图案来获得相位信息。

 系统相机 - 投影仪的标定

结构光三维成像原理，将相机获取的二维图像数据通过某种关联转换到三维世界中，需要知道摄像机内在参数以及针对待测物体所在位置的参数。根据系统设备的成像模型构建坐标系，进行坐标系之间的相互转换，方便获取系统标定的相关参数，实现三维成像。光栅投影测量系统的测量模型如图1所示：

图1 光栅投影系统模型

对于针孔模型是最简单最常用的摄像机模型，它是一种理想状态模型，使用这种模型描述的摄像机在测量系统中可以如图2表示：

图2 针孔摄像机模型

图3 成像平面坐标系与图像坐标系

在三维测量系统中，摄像机拍摄的图像是在辅助光源下的物体的图像，即相位光栅条纹图像，图像中包含了物体高度对投射光栅的调制信息。测量时，通过对条纹图像的准确分析，结合光栅投影的数学模型从而计算出物体的三维坐标，建立三维点云模型。

四投影实现被测物体的三维重建

本应用通过一个相机和四个光机组成的系统，采用结构光三维重建技术结合四个DLP光机实现被测物体的三维重建。根据上节的成像原理，将4个光机分别单独和相机进行相位高度标定，得到所需要的参数，由于该系统的四个光机投射的条纹图案存在重叠区域，可以通过将单独每个光机和相机系统求解得到的绝对相位图进行拼接融合，图像拼接融合技术可以将该系统的4张绝对相位图拼接融合成一张图片中，以获得更多信息。

四投影系统相当于拍摄被测物体在不同位置的图像，结合结构光技术原理求得的相位图，对每幅相位图进行特征点提取，再对特征点进行匹配，进行图像配准，把图像拷贝到另一幅图像的特定位置，对重叠边界进行特殊处理，4张相位图以此类推，通过图像的几何变换，把4张相位图转换在一个共同的坐标系下，实现被测物体3D重建，可以将被测物体的细节更好更全面的检测重构出来。

应用实例一：液压件3D高精度测量

液压件通常需要具有高精度的几何形状，以确保其在液压系统中的正常工作。通过3D测量可以确保部件的尺寸和形状符合设计要求。而液压件形状相对复杂，如果用普通的单目或者双目结构光3D相机进行检测，总会有遮挡区域，无法覆盖所有测量项。使用珩图科技最新研发的四投影系统，可以完美解决上述问题。

图4 液压件实物示意图

图5 液压件3D成像示意

应用实例二：密封胶3D涂胶检测

密封胶的涂胶质量直接影响密封效果和产品质量。通过3D涂胶检测，可以及时发现涂胶缺陷（如漏涂、厚度不均匀等），确保涂胶质量符合要求。本案例中密封胶涂胶路径较为复杂，尤其有一部分再产品的缝隙中。用传统的线激光3D相机或者普通结构光相机进行检测时，同样会遇到遮挡的问题，无法轻易获取所有密封胶的点云数据。使用珩图科技最新研发的四投影系统，可以完美解决上述问题。

图6 黑色密封胶实物示意图

图7 黑色密封胶3D成像示意

珩图科技（上海）有限公司