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【自有技術大講堂】結構光三維測量技術簡介

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目前三維測量技術種類繁多,例如雙目/多目視覺法、TOF法、散斑法、結構光等等,不同的方法有著各自不同的應用場景和范圍。對于工業的產品測量、識別,檢測來說,結構光方法是目前較為主流的方法。結構光法主要分為點、線、面三類測量結構,本文主要介紹面類測量結構中的投影條紋法。投影條紋法是將光柵投影于物體表面, 在其表面上形成受被測物體表面形狀調制的變形光柵條紋圖像,并使用攝像機拍攝該條紋圖像。

 

 

被測物表面形狀與投影系統及攝像機之間的相對姿態決定了采集圖像中條紋的變形程度。直觀上, 條紋在法線方向的偏移與物體表面深度成正比例, 條紋扭曲表示物體平面的變化,不連續表示物體表面的物理突變或間隙,通過分析變形的條紋圖像可得到物體表面的三維形狀數據。投影條紋法具有測量速度快、測量精度高、易自動化、柔性好、全場測量的特點,是國內外三維表面形狀測量技術研究發展的重點。但也具有相應的不足之處:抗振動性能較差,無法準確的測量連續運動的物體;測量精度對投影儀、相機的環境變化敏感;實時性相對較差。

 

 

 

美國Cyber Optics公司推出的3D AOI檢測設備,其原理就是采用光柵條紋投影進行3D檢測。其檢測方式是在PCB的正上方放置一個垂直投影的投影儀,并從前后左右四個方向獲得被PCB調制后的結構光條紋。該種布局方式可以獲取器件遮擋信息,能生成較為完整的三維測量模型。

 

Koh Young公司生產的Zenith UHS也是采用光柵投影進行3D檢測的設備,能夠以更快的速度測量各種元件缺陷,且不影響檢測精度和可重復性。其檢測視場為42 mm,檢測最大高度為10 mm時,成像分辨率可達15 μm,檢測速度為0.69 s/FOV。Zenith Alpha結合了人工智能技術,不僅提高了檢測速度,也增大了PCB的檢測高度,并且克服了超細間距和焊點多重反射帶來的檢測難題。

 

 

在這類測量方法中,產生光柵投影的方式有多種,DLP投影是被廣泛采用的結構方式。DLP是一種數字投影結構器件,可以產生一組光強呈正旋分布的光柵圖像。DLP的核心部件是DMD芯片。在DMD芯片中,微反射鏡是其最小的工作單位,也是影響其性能的關鍵。微反射鏡的體積非常小,但是依然擁有不同于液晶的復雜機械結構——每塊微反射鏡都有獨立的支撐架,并圍繞鉸接斜軸進行+/-12°進行的偏轉。通過控制每塊反射鏡的偏轉角度,就可以投射出需要的光柵圖案。

 

 

采集到多組光柵條紋后需要提取其相位繼而得到待測物表面信息,根據不同的光柵條紋投射方案可以選擇不同的相位解包方法。較為常用的投射方案是在水平方向采集12幅光柵條紋圖像,3組不同頻率的條紋,每組4幅不同相移的圖像;豎直方向采集12幅光柵條紋圖像,其中不同頻率的有3組,每組4幅不同相移的圖像。相機采集到的光柵圖像灰度分布為:

 

其中,(u,v)表示投影面投影像素單元的坐標,I(u,v)為(u,v)點的灰度值,a和b分別為正弦光柵的光強背景值和調制光強值,θ(u,v)為I(u,v)對應的光柵相位,Ø為待求相位主值,a為相位位移。 分別通過12幅水平條紋光柵圖像計算出3幅水平相位主值圖像,12幅豎直條紋光柵圖像計算出3幅豎直相位主值圖像。使用相位解包方法將求解出的相位信息展開,就可以得到被測物體的三維信息。

 

參考文獻

[1] 李中偉. 基于數字光柵投影的結構光三維測量技術與系統研究[D].華中科技大學,2009.

[2]三維成像技術的5種技術流派. 光電匯.

[3] Guerrouj. [數字條紋投影技術基礎2]非接觸光學三維測量技術綜述.csdn.

2021年10月27日 09:42
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