1 3D 視覺

常見的三維視覺技術，包含雙目、ToF、激光三角、結構光等，如下圖：

1）毫米級 雙目、ToF、結構光(散斑)的精度為 mm 級，多見于消費領域，如：導航避障，VR/AR，刷臉支付等； ? 2）微米級 線激光、結構光(編碼)的精度是 um 級，主要應用在工業領域，如：表面缺陷檢測、三維測量等； ? 3）納米級 另外，還有 nm 級精度的光譜共焦技術，可用于透明材質物體的三維測量； ?

2 激光三角法

按照激光投射的不同模式，激光三角法有點激光、線激光、多線激光、激光網格等；

2.1 測量原理

為了直觀的了解激光三角法，用點激光位移傳感器，演示其測量原理如下：

2.2 精度范圍

在3D視覺技術中，從被測物的大小和縱向精度來考慮，廣義三角法 (包含激光三角法) 處于中間的位置，如下： - 被測物體的大小范圍 1mm ~ 8m，對應精度 1um ~ 0.4mm

3 線激光3D相機

線激光3D相機，是一種基于三角測量原理，通過圖像傳感器，捕獲激光發生器投射在物體表面的激光線信息，重構物體表面輪廓信息的三維相機。 其結構示意圖，如下：

3.1 深度測量范圍

3.1.1 鏡頭景深

實際應用中，光圈的減小是有一定限度的： 1) 如果光圈太小，則會產生衍射，使得較小的細節信息變的模糊(即在最佳焦點下可解析的特征尺寸會變大) 2) 隨著光圈的減小，進入圖像傳感器的光線也會越少，相應地，就要增大(激光器)功率或(相機)曝光時間

3.1.2 沙姆定律

在光圈調節受限的情況下，如果仍有部分成像不清晰，則可采用沙姆結構，將鏡頭逐漸傾斜，從而使整個物體表面都可以清晰成像，如下圖：

? 線激光3D相機，為了增大深度測量范圍，通常采用沙姆結構，如下： - 被攝物平面 (激光平面)、鏡頭平面、膠片平面 (像平面) 交于一條直線，即沙姆定律(Scheimpflug principle)

3.2 結構形式

線激光3D相機，基本的結構形式有四種：直射式、斜射式、反射式、同側式。其它的結構，多是在此基礎上的發展演變

直射式，布置安裝簡單，計算結果的應用非常直觀，是目前最常用，也是一種通用的結構形式； 斜射式，布置安裝簡單，計算結果的應用不夠直觀，多用于對精度要求高的平面物體的特征測量； 反射式，布置安裝復雜，計算結果的應用不夠直觀，多用于反射特性較弱的深色物體的表面測量； 同側式，多用于高反光件，比較少見 (因為直射式和斜射式，通過俯仰一定的角度，也可達到類似的效果)

3.2.1 分辨率

線激光3D相機的分辨率，可分為三個方向： ?

3.2.2 光學遮擋

雖然增大相機光軸和激光平面之間的夾角，可以提高 z 軸分辨率，但隨著夾角 θ 的增大，光學遮擋現象也會愈發明顯 尤其是物體表面有凹凸起伏時，四種結構均存在一定的遮擋：激光線照不到的區域稱為陰影，相機接收不著反射光線的區域稱為盲區

因為激光發射線正對被測物，所以直射式的陰影最小；同理，因為相機正對被測物，所以反射式的盲區最小 實際中，大部分被測物的表面，通常都是凹凸起伏的。因此，θ 角的設計，要充分考慮精度(z軸) 和 遮擋(陰影和盲區) 的平衡 此外，也可增加激光器數量，從不同方向投射，來減少陰影；或者增加相機數量，從不同角度拍攝，將多幅圖像進行融合，來降低盲區

3.3 散射特性

當激光束打在不同的被測物上時，考慮物體表面的散射特性，可分為四種情況： a）激光打在鏡面上時，發生鏡面反射，反射方向取決于激光和表面的相對方向，反射光一般不會進入相機，表現為無信號 b）激光打在朗伯體上，發生均勻散射，散射的強度正比于觀察方向和表面法向量夾角的余弦，是一種最理想的情況 c）激光打在普通物體上，通常發生定向散射，即最大散射強度出現在一個理想的反射方向上，散射分布的角半寬，取決于表面粗糙度 d）激光打在半透明物體上(塑料、玻璃等)，光線會進入物體內部，發生體散射 (volume scattering)

實際中，物體表面的散射特性是 a) b) c) d) 的混合，其中占主導地位的散射特征，主要取決于表面粗糙度，如下圖： - 隨著表面粗糙度的增加，物體的散射特性，由鏡面散射占主導地位，逐漸演變為漫散射占主導

如果物體表面的顆粒大小和入射光的波長相近時，激光容易發生相長和相消干涉，產生散斑噪聲，如下：

此外，激光散斑噪聲，也與成像系統的放大率有關，放大率 β 越大，散斑噪聲愈發明顯。 保持系統結構不變，更換焦距為之前 1/2 的鏡頭，對于同樣的激光條，新拍攝的圖像，如下：

對于線激光3D相機，如果出現比較明顯的散斑噪聲，會影響光條中心點的提取精度，如下：

3.4 多重反射

如果被測物體的表面不均勻，則除了光學遮擋外，還有可能出現多重反射，如下圖： - 光線1是入射光在物體表面發生的第一次反射，光線2是入射光在物體表面發生的第二次反射，這兩條光線在探測器上的成像位置不同

二次或多次反射的光線，與一次反射的光線相比，在光條圖像上會看到明顯變粗的傾向，因此，可將寬度超過一定閾值的光條剔除掉

但是，對于二次反射的光線，如果其反射的強度大于一次反射的強度，則可能會形成假像，影響測量精度 這種二次反射形成的假像，在物體材質為金屬且表面存在小孔洞時，出現的概率較大，目前暫無有效的方法 (潛在可能解決的一個方向是線偏振)

4 行業淺析

從線激光3D相機到3D視覺產業，再到整個機器視覺的產業鏈圖譜，如下： 1）上游是基礎器件的生產商，如鏡頭、圖像傳感器、算法平臺等； 2）中游為視覺系統制造商，如 ToF相機、線激光3D相機、結構光相機等； 3）下游則是圍繞中游提供的視覺系統，深入到各個行業的系統集成商，如3C行業的缺陷檢測、汽車制造的質量控制等 隨著國家智能制造大戰略的推進，整個行業將迎來快速增長期，尤其是國產化替代的進程會大大加快，替代過程會先從產業鏈的下游，再到中游，最后擴展到上游

以線激光3D相機為例，在 2015年以前，第一梯隊主要是Keyence、LMI、Cognex等國外品牌，第二梯隊有SICK、米銥、SmartRay等眾多國外廠家，國內鮮有成規模的企業與之競爭。 然而，到了 2020年左右，國內涌現出了深視智能、中科行智等一批國產廠商，雖然暫時不能完全替代第一梯隊，但已經對第二梯隊形成了較大的沖擊。 由此，預測在未來的 5-8年內，機器視覺行業內將會出現不止一家獨角獸企業，完成產業鏈上-中-下游的全面整合，對當前第一二梯隊的國外品牌形成全面的沖擊，至少完成50%以上的國產化替代。 未來機器視覺行業內，獨角獸企業的形成有兩種可能： 一種可能是，做某行業系統集成的下游企業，在業務拓展到一定規模后，反過來向上收購中游的3D視覺企業，最后把觸手伸向上游的基礎器件廠家，完成全產業鏈的整合； 另一種則是，中游的視覺系統企業，在給下游企業提供視覺設備時，逐漸積累了具體行業內的應用經驗，從而引入新的業務，形成對原來下游企業的成本優勢，從而完成產業鏈的整合。

編輯：黃飛

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