郭禹璠

（太原科技大學(xué)，山西 太原 030024）

機(jī)器視覺(jué)是用機(jī)器代替人眼進(jìn)行目標(biāo)對(duì)象的識(shí)別、判斷和測(cè)量。相對(duì)于傳統(tǒng)檢測(cè)方法，基于機(jī)器視覺(jué)的工業(yè)檢測(cè)技術(shù)有著快速、準(zhǔn)確、可靠和智能化等優(yōu)勢(shì)，是目前工業(yè)自動(dòng)化中非常重要的一個(gè)組成部分。在工業(yè)檢測(cè)中，被檢測(cè)物一般包含二維平面圖像信息和深度信息。因此，如何高效準(zhǔn)確地獲取被測(cè)物完整的三維面型信息，是急需解決的問(wèn)題，在目前諸多技術(shù)當(dāng)中如何選取最佳的檢測(cè)方法是解決此問(wèn)題的關(guān)鍵。在三維檢測(cè)方法當(dāng)中，相比于接觸式檢測(cè)，非接觸式檢測(cè)方法可直接避免與被測(cè)物接觸的同時(shí)又可有效保護(hù)被測(cè)物避免損傷，減小探頭本身?yè)p耗。文章主要介紹非接觸式檢測(cè)方法里目前比較常用且最具代表性的線激光掃描技術(shù)、面結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)和線白光共聚焦技術(shù)。以上幾種方法檢測(cè)原理和特點(diǎn)各不相同，故可檢測(cè)面型特征也不盡相同。

1 線激光掃描技術(shù)

線激光掃描技術(shù)是以激光測(cè)距為原理。如圖1所示，激光發(fā)射器、被測(cè)物、相機(jī)之間呈三角關(guān)系，因此也稱為激光三角檢測(cè)法。激光發(fā)射器將整形后的可見“一”字型線激光射向被測(cè)物體表面，經(jīng)物體表面漫反射后通過(guò)鏡頭被相機(jī)探測(cè)記錄。位于物體表面不同深度的檢測(cè)物點(diǎn)，其表面處激光光斑反射回相機(jī)時(shí)，在相機(jī)圖像中位置不同，即物體深度信息和相機(jī)圖像中激光光斑位置信息二者間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，線激光通過(guò)搭載機(jī)械移動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)被測(cè)物面型掃描，在掃描過(guò)程中，被測(cè)物表面每一個(gè)物點(diǎn)處對(duì)應(yīng)激光光斑位置信息均被相機(jī)以圖像形式記錄下。由于激光發(fā)射器、被測(cè)物、相機(jī)三者間擺放相對(duì)位置確定，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，據(jù)此便可得到被測(cè)點(diǎn)深度信息與其對(duì)應(yīng)相機(jī)圖像中激光光斑位置之間具體映射關(guān)系，這樣只需通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器解析圖像即可計(jì)算出被測(cè)物和線激光傳感器之間的真實(shí)距離，即被測(cè)物面型信息。目前市面上較成熟的知名品牌線激光傳感器產(chǎn)品已經(jīng)能夠自動(dòng)完成數(shù)據(jù)段的連續(xù)采集、測(cè)量、分析及處理，并構(gòu)建三維模型，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的一體化檢測(cè)，為工業(yè)自動(dòng)化做出一定貢獻(xiàn)，而相關(guān)產(chǎn)品也已在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖1 線激光掃描技術(shù)原理圖

線激光掃描技術(shù)采用的是非接觸式檢測(cè)方式來(lái)直接掃描獲取被測(cè)目標(biāo)的空間數(shù)據(jù)，從而保證了三維數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。根據(jù)如圖1所示的線激光掃描技術(shù)原理，線激光傳感器單次可檢測(cè)范圍如圖1（b）所示，而目前市面上已有的線激光傳感器產(chǎn)品，隨著測(cè)量精度不同，其水平和縱向測(cè)量范圍均可達(dá)數(shù)百毫米，可滿足絕大多數(shù)物體的檢測(cè)需求。此外線激光傳感器是以激光輪廓線為單位對(duì)被測(cè)物進(jìn)行掃描，相比于其他逐點(diǎn)掃描的檢測(cè)方式，利用線激光掃描技術(shù)進(jìn)行工業(yè)檢測(cè)顯然具有更高的檢測(cè)效率，同時(shí)隨著掃描裝置不斷升級(jí)，也使其擁有了極高的采樣點(diǎn)速率，從而有效保證了工業(yè)檢測(cè)的時(shí)效性。

由于線激光掃描技術(shù)基于三角測(cè)量原理，當(dāng)被測(cè)物面型較為復(fù)雜時(shí)，物體表面局部反射光線會(huì)由于被物體其他部位遮擋而無(wú)法被相機(jī)探測(cè)到，導(dǎo)致這一部分面型數(shù)據(jù)信息缺失，呈現(xiàn)在掃描出的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布狀態(tài)時(shí)即形成所謂的“陰影”區(qū)域。想要獲取完整的被測(cè)物面型信息，避免“陰影”區(qū)域出現(xiàn)，一般有兩種方案，方案一是采用多角度安裝線激光傳感器的方式，但很顯然此方案會(huì)嚴(yán)重增加檢測(cè)成本；方案二是通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描平臺(tái)，搭載線激光傳感器以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物的全方位無(wú)死角式掃描，達(dá)到獲取完整被測(cè)物面型信息的目標(biāo)。其次，由于線激光掃描技術(shù)利用的是激光打到被測(cè)物表面時(shí)發(fā)生的漫反射，因此，對(duì)于部分不符合漫反射特征的物體表面，如鏡面、透明面等均無(wú)法有效地獲取其面型信息。另外，由于線激光掃描技術(shù)的檢測(cè)精度很大程度取決于相機(jī)采集圖像中激光光斑位置信息的準(zhǔn)確性，而激光光斑位置信息的準(zhǔn)確性一方面取決于線激光本身的均勻性，一方面取決于從相機(jī)圖像中提取激光光斑位置信息時(shí)算法的穩(wěn)定性和可靠性，除此之外，被測(cè)物本身材質(zhì)或表面屬性等特征，很大程度上也會(huì)影響到激光光斑位置提取的準(zhǔn)確性。綜上，線激光掃描技術(shù)對(duì)于不同被測(cè)物檢測(cè)精度差別較大，且影響其激光光斑位置信息提取準(zhǔn)確度的因素較多，導(dǎo)致該方法檢測(cè)精度總體不是很高，對(duì)于一些精度要求高的檢測(cè)需求往往達(dá)不到要求。

2 面結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)

如圖2（a）所示，面結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)，其投影設(shè)備、被測(cè)物、相機(jī)之間呈三角關(guān)系。投影設(shè)備將預(yù)先利用計(jì)算機(jī)編輯好的具有一定結(jié)構(gòu)的面光投射到被測(cè)物體表面，被物體高度調(diào)制后的面結(jié)構(gòu)光經(jīng)物體表面漫反射被相機(jī)探測(cè)記錄，并傳送至計(jì)算機(jī)處理。如圖2（b）所示，計(jì)算機(jī)收到相機(jī)采集到的圖像后開始進(jìn)行圖像處理，首先根據(jù)已知的生成面結(jié)構(gòu)光時(shí)采用算法對(duì)圖像反向求解，從中求解出受物體高度調(diào)制的相位信息，利用圖像直接解算出的相位被截?cái)嘣冢?π，π）范圍內(nèi)，稱為包裹相位，而包含物體面型信息的是將其展開后的連續(xù)相位，因此必須對(duì)其進(jìn)行展開。由于投影設(shè)備、被測(cè)物、相機(jī)空間相對(duì)位置固定，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定便可得到展開相位和物體真實(shí)高度間準(zhǔn)確的映射關(guān)系，代入展開相位，即可求解出被測(cè)物真實(shí)面型信息。

圖2 面結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)原理圖

面結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)屬于非接觸式檢測(cè)方式，因此獲取到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且真實(shí)。根據(jù)面結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)原理可知，該方法檢測(cè)精度很大程度取決于獲取相位準(zhǔn)確度，而相位則是完全根據(jù)預(yù)先在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)好的投影結(jié)構(gòu)光算法逐個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行求解得到，因此準(zhǔn)確性相對(duì)較高，從而保證了該方法具有較高的檢測(cè)精度，基本上可滿足絕大多數(shù)檢測(cè)需求。此外面結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)，單次投射到被測(cè)物表面的是一個(gè)面光，對(duì)于大小不超過(guò)其投影面積的待測(cè)物，無(wú)需掃描即可獲取完整的面型數(shù)據(jù)信息，檢測(cè)效率方面明顯高于其他逐線或逐點(diǎn)檢測(cè)方式。同時(shí)由于光源是通過(guò)投影設(shè)備投射到被測(cè)物表面，因此實(shí)際到達(dá)被測(cè)物表面的結(jié)構(gòu)光面積大小可通過(guò)改變投影設(shè)備到被測(cè)物之間距離進(jìn)行調(diào)整，距離越大投射到待測(cè)物的結(jié)構(gòu)光面積越大，反之越小。對(duì)于檢測(cè)精度要求不高但檢測(cè)效率要求高的情形，便可通過(guò)此方法得以實(shí)現(xiàn)。

面結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)，投影設(shè)備、待測(cè)物、相機(jī)之間構(gòu)成三角關(guān)系，因此存在遮擋問(wèn)題。根據(jù)其檢測(cè)原理，該方法利用的是經(jīng)被測(cè)物表面漫反射回相機(jī)的圖像信息進(jìn)行處理，對(duì)于部分不符合漫反射特征的物體表面，如鏡面、透明面同樣不適用。此外，面結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)的檢測(cè)精度除了取決于硬件和圖像處理算法等因素外，最重要的就是相機(jī)采集到的圖像，而圖像通常是一個(gè)綜合性結(jié)果，不僅容易受到環(huán)境光、系統(tǒng)噪聲等客觀因素影響，而且極易受被測(cè)物表面自身圖像信息干擾，如物體表面顏色、紋理等，均會(huì)不同程度對(duì)圖像造成影響，經(jīng)圖像處理后對(duì)應(yīng)檢測(cè)結(jié)果精度下降，甚至無(wú)法檢測(cè)，具有一定局限性。

3 線白光共聚焦技術(shù)

白光共聚焦技術(shù)采用的是白光光源，白光是由不同波長(zhǎng)單色光組成的復(fù)色光，經(jīng)過(guò)同一光學(xué)系統(tǒng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生光譜色散，并在空間沿著物體深度方向按照波長(zhǎng)順序形成一系列焦點(diǎn)，當(dāng)某一波長(zhǎng)單色光對(duì)應(yīng)焦點(diǎn)剛好落在被測(cè)物體表面某一物點(diǎn)時(shí)，該物點(diǎn)處對(duì)應(yīng)單色光將被探測(cè)器記錄下，據(jù)此建立起波長(zhǎng)與被測(cè)物表面到探測(cè)器間距離二者之間一一映射關(guān)系。這樣，只要探測(cè)器檢測(cè)到波長(zhǎng)值，便可據(jù)此計(jì)算出被測(cè)物點(diǎn)深度值。利用掃描裝置對(duì)被測(cè)物進(jìn)行掃描，即可獲取其完整面型數(shù)據(jù)信息。

傳統(tǒng)點(diǎn)白光共聚焦技術(shù)采用的是點(diǎn)白光光源，如圖3所示，其光源和探測(cè)器位于同一方向，即從光源發(fā)出的光線經(jīng)被測(cè)物表面反射后再進(jìn)入探測(cè)器，整個(gè)過(guò)程均沿著同一方向，屬于“直上直下”式測(cè)量，因此不存在三角測(cè)量法中的遮擋問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)全方位無(wú)死角式檢測(cè)。但由于是逐點(diǎn)檢測(cè)，而單次檢測(cè)面積只取決于點(diǎn)白光共聚焦傳感器不同波長(zhǎng)單色光各自對(duì)應(yīng)焦點(diǎn)處實(shí)際光斑大小，想要獲取被測(cè)物完整面型信息必須對(duì)其表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，因此該方法檢測(cè)效率不高。

圖3 點(diǎn)白光共聚焦技術(shù)原理圖

針對(duì)點(diǎn)白光共聚焦技術(shù)逐點(diǎn)檢測(cè)導(dǎo)致檢測(cè)效率不高的問(wèn)題，線白光共聚焦技術(shù)將逐點(diǎn)升級(jí)成了逐線檢測(cè)，如圖4所示，從光源投射到待測(cè)物的不再是一系列焦點(diǎn)，而是一個(gè)垂直焦平面，檢測(cè)效率迅速提升。

圖4 線白光共聚焦技術(shù)原理圖

在結(jié)構(gòu)方面，與點(diǎn)白光共聚焦技術(shù)的“直上直下”式不同，線白光共聚焦技術(shù)采用的是三角測(cè)量法，即光源和探測(cè)器、被測(cè)物構(gòu)成一定角度三角區(qū)域。從光源發(fā)出的白光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)色散后形成由不同波長(zhǎng)單色光組成的連續(xù)波長(zhǎng)光譜，光譜中的不同波長(zhǎng)單色光分別聚焦在距離探測(cè)器不同距離的待測(cè)物表面，構(gòu)成一個(gè)垂直焦平面，當(dāng)物體面型對(duì)應(yīng)到某個(gè)單色波焦平面位置時(shí)，探測(cè)器將其對(duì)應(yīng)信息傳送至數(shù)字信號(hào)處理器，經(jīng)處理后便可得到被測(cè)物體面型數(shù)據(jù)信息。

利用光譜來(lái)獲取高度的線白光共聚焦技術(shù)，檢測(cè)結(jié)果僅與波長(zhǎng)有關(guān)，不易受環(huán)境等外在客觀因素及被測(cè)物本身等內(nèi)在因素影響，因此該技術(shù)抗干擾性強(qiáng)，檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定且可靠。

此外，由于光譜中單色波波長(zhǎng)均為亞微米量級(jí)，對(duì)于利用光譜中不同波長(zhǎng)單色光對(duì)應(yīng)焦點(diǎn)位置來(lái)映射高度信息的線白光共聚焦技術(shù)，其縱向分辨率通常也可達(dá)到亞微米量級(jí)，檢測(cè)精度很高。而對(duì)于其他技術(shù)不易檢測(cè)的物體，如曲面玻璃屏、醫(yī)用塑料、透明涂層和氣隙以及高反光電子零件甚至鏡面等，由其原理可知，線白光共聚焦技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，且精度不易受影響。值得一提的是，對(duì)于一些透明分層物體，采用線白光共聚焦技術(shù)可同時(shí)獲取上下多層三維輪廓信息，進(jìn)一步說(shuō)明了線共焦技術(shù)對(duì)于透明材料檢測(cè)的重要性。

線白光共聚焦技術(shù)，光源、探測(cè)器、被測(cè)物構(gòu)成三角關(guān)系，因此存在遮擋問(wèn)題，對(duì)于一些面型復(fù)雜的被測(cè)物同樣存在部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失。由其原理可知，線白光共聚焦技術(shù)縱向檢測(cè)范圍取決于圖4中色散光譜范圍，因此其對(duì)應(yīng)縱向檢測(cè)范圍一般只有毫米量級(jí)，檢測(cè)范圍較小，同時(shí)其水平方向單次檢測(cè)范圍通常也只有毫米量級(jí)，因此檢測(cè)效率不是很高。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于以上闡述的幾種常用三維檢測(cè)技術(shù)，沒(méi)有一種技術(shù)能夠同時(shí)滿足所有檢測(cè)需求，但每一種技術(shù)均有其適用場(chǎng)景。在實(shí)際選擇檢測(cè)方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際檢測(cè)物特點(diǎn)和檢測(cè)要求，綜合考慮進(jìn)行選擇。