從汽車和電子制造到木材加工，許多行業(yè)都會采用基于3D三角測量法的機器視覺系統(tǒng)。雖然使用三角法進行測量的概念并不復(fù)雜，但在系統(tǒng)實施的過程中，有許多關(guān)鍵的細節(jié)必須解決，包括如何配置基于激光的3D三角測量系統(tǒng)以及如何設(shè)置激光線參數(shù)。

在基于激光的三角測量系統(tǒng)中，將一條狹窄的光帶投影到3D表面，在非投影器的觀察視角將會看到一條呈現(xiàn)扭曲的光線 (圖1)。分析這些光線圖像的形狀，其結(jié)果可被用來進行物體表面形狀的精確幾何重構(gòu)。

圖1：從投射器以外的視角看到出現(xiàn)扭曲的激光線。這種失真被用來推導(dǎo)被測物的尺寸。

在一個3D三角測量系統(tǒng)中有4個重要的組成部分：攝像機、結(jié)構(gòu)激光器、在整個拍攝視場中移動被測物或攝像機/激光器系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)、以及一款能夠處理圖像并能精確將像素位移轉(zhuǎn)換成高度差異的圖像軟件。

三角測量結(jié)構(gòu)

激光線投影系統(tǒng)有許多種不同的實現(xiàn)方式，每一種都有其獨特的優(yōu)缺點。圖2展示了4種最常見的幾何結(jié)構(gòu)。

圖2：4種常見的基于3D三角測量法的機器視覺系統(tǒng)配置。

在最常用的標準幾何結(jié)構(gòu)中 (Standard Geometry)，激光線被垂直投射在名義上的測量 (X,Y) 平面內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)最重要的特點就是被測物上沿投射光線的高度變化不會改變光線的Y軸坐標值。這將簡化后續(xù)推導(dǎo)被測物形狀所需的計算，從而更加快速準確的搭建系統(tǒng)并簡化安裝過程中的標定。

標準幾何結(jié)構(gòu)的一個缺點是攝像機從某個非垂直的角度拍攝被測物，這增加了對景深的要求，即使被測物的高度發(fā)生變化也必須保持聚焦。這也意味著隨著高度 (從鏡頭到被測物的距離) 的變化，鏡頭要具備更大的放大倍率。因此，必須對被測物進行標定才能使系統(tǒng)推導(dǎo)出精確的測量結(jié)果。

這種方法會出現(xiàn)兩個問題。首先，只要亮度被整條光束的長度平均掉，它就無法體現(xiàn)光束最大的絕對功率變化。其次，它忽略的恰好是通常表現(xiàn)最糟糕的光束邊緣部分。

為了避免這些缺陷，相干公司為光束均勻度制定了嚴格的標準，基本上囊括了整條光束。具體而言，光束邊緣被定義為光束功率下降至功率歸一化峰值的80%的位置。光束亮度的平均值必須保證覆蓋整個區(qū)域且在此區(qū)域內(nèi)絕對功率值不能降低到低于峰值的75% (見圖3)。和定義為光束指定區(qū)域內(nèi)的平均值相比，這是更為嚴格的均勻性要求。

圖 3：亮度積分vs.激光線的位置 ，標識峰值亮度 (Imax)、最小亮度 (IMin)、平均亮度 (IAvg) 及80%峰值功率。

這種更為嚴格的定義為系統(tǒng)開發(fā)者提供了兩個重要的優(yōu)勢。第一，對于現(xiàn)有的設(shè)備和放射健康中心 (CDRH) 安全分類來說，其生成的投射光線的功率更高，這將在采集的圖像中直接轉(zhuǎn)化為更好的信噪比 (SNR)，從而產(chǎn)生一個更快速更精確的視覺系統(tǒng)。這是因為CDRH分類僅僅基于峰值功率，而不考慮峰值出現(xiàn)在光束的哪個位置。因此，如果功率峰值出現(xiàn)在光束邊緣 (這種情況經(jīng)常發(fā)生)，而光束中間部分的功率值相對非常低，則安全分類將會基于較高的值。

其次，符合這個規(guī)范將提高單元間的均勻性，對于系統(tǒng)集成商來說這將使產(chǎn)品的標定和維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性變得更加容易。這是因為在規(guī)范中有對絕對亮度下限的定義，相比于簡單的依賴于平均值，這更加嚴格的限制了光束內(nèi)可出現(xiàn)的差異總量。

激光線寬度

即使不存在制造誤差，在實際工作中，隨著激光和被測物之間距離的變化，激光線聚焦處的光線寬度和長度也會發(fā)生變化。此外，這種變化的幅度很大程度上取決于如何使用激光光源生成光線，因此采用何種投射器光學(xué)部件對系統(tǒng)性能有著顯著的影響。

大部分光線投射器都基于二極管激光器，二極管激光器具有較大的光源尺寸，且在某一方向 (慢軸) 比垂直方向 (快軸) 的發(fā)散更低。這是二極管激光器的固有屬性，正是由于這一事實，其發(fā)光面在某個維度比另一維度更長。激光線投射光學(xué)部件可被配置成沿快軸或慢軸的方向延展成激光線，且基于這一選擇產(chǎn)生的衍射效應(yīng)將在3個重要方面影響激光線的性能 (見圖4)。

圖4：變換二極管激光器輸出的慢軸做為聚焦的激光線寬度方向?qū)@得更寬的光束，但是其景深較大而“領(lǐng)結(jié)”效應(yīng)不明顯。

首先，焦點處較小的線寬可以通過定向輸入激光束實現(xiàn)，使得快軸成為光束的寬度，而慢軸成為其長度。因為更窄的光線寬度能夠提供更高的分辨率和功率密度，從而能夠測量被測物表面更細微的高度變化。

但是衍射效應(yīng)也會使高度聚焦的狹窄光線比較寬的光線更加快速的擴散到焦點之外。因此，獲得較窄的聚焦線寬 (和更高的分辨率) 必然會犧牲一部分系統(tǒng)景深 (即超過該距離線寬將擴大到不可接受的水平)。

最后，還有一種頗為特殊的效果，即當一個平面被測物垂直于激光光束的光路，光束的邊緣必須比光束中心更遠到達被測物。這是因為在這段額外的距離上光束是發(fā)散的，光線寬度會出現(xiàn)邊緣比中心略寬 (假設(shè)焦點為光線的中心位置)。這通常被稱為“領(lǐng)結(jié)”效應(yīng)。同樣的，對于快速擴散的光束這種效應(yīng)更為明顯。

光線平直度

最后一個值得一提的激光線參數(shù)是平直度。在現(xiàn)實世界中投射的激光線很少是完全筆直的。最常見的是弓型，有時會出現(xiàn)輕微的“S”型。弓型通常是由于入射激光束以非正常入射角度進入光束整形光學(xué)器件而引起的。

因為光線平直度依賴于光學(xué)對準，因此在已有系統(tǒng)中，它可能會因為光學(xué)單元間的傳輸以及隨時間發(fā)生變化。因此，必須將光線的平直度考慮在內(nèi)才能對系統(tǒng)進行正確標定，從而獲得精確的測量結(jié)果。

雖然使用激光三角測量系統(tǒng)采用激光線投射器能夠提供比其他3D視覺技術(shù)更高的速度和精度，但是系統(tǒng)簡化容易讓人產(chǎn)生誤解。結(jié)果主要取決于幾個系統(tǒng)參數(shù)。此外，一些廠商會采用模糊或混淆的方式處理這些參數(shù)。因此，了解如何定義系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)非常重要，從而使最終的激光三角測量系統(tǒng)達到最佳的性價比。

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