引言
近年来，３D扫描技术在工业领域的应用日趋广泛：在零件尺寸检测领域，２D机器视觉已无法完全满足客户需求，越来越多的客户要求对产品的３D尺寸进行全检；在Bin-Pick等机器人与机器视觉相结合的应用中，３D扫描技术成为标准解决方案。如何快速响应迅速崛起的3D检测市场，已成为机器视觉行业的焦点。盛相科技推出的Sizector®结构光3D相机采用硬件计算技术，通过USB 3.0接口输出高达７FPS的高精度３D点云数据。基于Sizector 配套SDK，用户可以将先进的3D面阵扫描技术快速集成到非标项目中。对于通用的检测需求，也可直接采用Sizector Light 检测软件直接搭建系统，无须编写代码。
移相法结构光技术
盛相科技Sizector ３D相机采用移相法结构光技术。该技术的基本原理是，向被测物体投射一系列含有特定空间相位编码２D图案的同时对被测物拍摄，然后对得到的照片进行解码，再将解码信息根据标定数据进行计算，重构成为３D数据。线激光技术和移相法结构光技术都是基于三角测量原理，因此二者的精度相近。因为结构光技术投射的光是整个面，它不需要移动拼接就能产生３D数据。
图1 点激光、线激光与移相法结构光示意图
对于静态面阵３D检测，移相法结构光技术相比线激光技术有着显著的优势。采用线激光实现３D扫描需要在移动中以编码器的反馈信号连续触发线激光传感器，其检测精度和速度受到机械移动及反馈系统的影响。在设计过程中，需要对速度和精度进行平衡和取舍，以实现更佳的检测效果。在设备调试过程中，必须对每一台设备进行严格的校准和测试，确保运动装置运行精准。在设备长期运行过程中，还需考虑运动装置的寿命和维护问题。移相法结构光技术无需移动测头或被测物体就能完成面扫描。不但节省了高精度移动部件的物料成本，安装调试和后期维护也更简便。
在Bin-Pick等识别类应用中，需要先获取物体的３D数据，再对３D数据进行识别和判断。准确的３D数据能够使识别和判断的开发难度降低，系统的可靠性提高。移相法结构光技术与TOF技术、散斑技术、双目立体视觉技术相比，数据精度更高，获得了主流机器人厂家的青睐。
高度集成的模块化３D扫描产品
移相法结构光技术在过去主要以PC连接投影单元和工业相机实现。用户需要自行控制投影单元和工业相机，还需编写３D重构算法或调用相关算法模块。移相法结构光技术的运算量十分庞大，对计算机的性能要求高。在工业应用中，计算机不但需要承担３D数据的分析、处理和判断，还需要承担３D重构的计算任务。在实时性要求高、检测周期短的情况下，计算资源调度困难，导致移相法结构光技术在过去的十多年里主要应用于航天航空、军工、逆向工程等对精度要求高但节拍要求低的场合。盛相科技SizectorTM ３D相机采用硬件计算技术，将投影、相机、３D计算单元集成在产品内部，由内部控制器完成对各个功能单元的控制。整个３D拍摄和重构计算过程在内部完成，无须占用用户计算资源。用户可将计算资源集中用于数据的分析和判断，在有限的预算、有限的计算资源和有限的开发周期内，实现更完美的检测效果。
出色的产品性能
作为国内最早将移相法结构光技术批量应用于自动化生产线的公司，盛相科技多年来积累了丰富的技术和经验。盛相科技Sizector ３D相机融合了盛相科技多年来的技术结晶，将移相法结构光技术在工业领域的应用推向了一个新的高度。
高帧率
三维解算过程需要对每一个像素进行数千个指令周期的复杂运算。基于冯·诺依曼架构的CPU计算系统，每个线程每个时钟周期只能进行一个像素点的单步骤计算，耗时较长，计算时长还会受到CPU其他线程负荷的不可预测的干扰。盛相科技Sizector ３D相机采用硬件并行计算技术，其核心算法模块数据吞吐率峰值高达３GB/s。结合专为结构光技术优化的系统架构，其计算效率远高于以CPU为核心的通用计算系统，运算周期稳定可预测，不受外界干扰，连续３D拍摄输出帧率可达７FPS以上。对于检测节拍快的应用需求，如消费电子制造业的零件检测， ３D SPI, 3D AOI等应用，硬件计算带来的效率和成本优势十分明显。
高精度
单像素高度跳动是衡量结构光技术精度的关键指标，它相当于２D相机的噪声。在３D面阵扫描测量的应用中，往往通过对一个区域内的有效像素点的高度进行平均，以计算被测区域的高度。单像素高度跳动直接影响测量条目的静态重复性。在实际应用中，由于检测区域的尺寸往往远大于1个像素，通过计算检测区域内的所有像素的平均值并采取滤波措施, 检测条目的静态重复性往往显著优于单像素高度重复性。在一些被测区域像素点较少的情况下，该指标对重复精度的影响较为明显。表１为Sizector ３D相机40mm FOV １００次拍摄的单像素高度值分布图，其标准差为2.562μm，达到世界领先水平。
表1 未经滤波处理的PCB SMT焊盘高度测量值分布图（单像素100次）
高完整性
结构光技术依赖物体表面对投影光的漫反射，如何更完整地拍出不同表面反光率的物体，是结构光技术的难点。SizectorTM３D相机采用SONY最新推出的高灵敏度低噪音CMOS传感器，结合高功率投影单元，对包括黑色塑料和类镜面金属表面的大部分材质有着理想的成像效果。
图2 手机SIM卡座实物与三维拍摄效果对比（同时包含高反光镀金表面和低反光黑色塑料）
图3 手机中板实物与三维拍摄效果对比（类镜面、高反光金属表面）
灵活的应用
Sizector ３D相机提供SDK接口和采用Sizector Light软件直接搭建系统两种应用模式。用户可以根据项目需求和开发周期选择合适的模式。Sizector Light是由盛相科技自主开发的模块化３D尺寸检测软件，旨在满足标准的在线尺寸检测需求。用户可将Sizector ３D相机连接到安装有Sizector Light的PC上，直接实现完整的测量系统。Sizector Light具有友好而简洁的人机交互界面，测量条目可添加删除，公差范围可设置，所有设置可保存。还能够将测试结果的统计数据可视化显示。Sizector Light提供模块化接口，用户可根据Sizector Light接口规范编写自己的算法模块，并将其添加到Sizector Light之中，使软件开发的工作量降至最低。Sizector配套 SDK包含了３D相机驱动程序、函数库、示例代码，以及文档。Sizector SDK支持多个３D相机同时工作，用户可以通过调用驱动程序的方式，将Sizector３D相机添加到检测系统中，实现诸如多３D相机协同、３D与２D协同、机械控制与３D测量协同等复杂的定制化系统。Sizector SDK将支持Vision Pro以及Halcon数据格式，用户既可自行编写３D数据处理算法，也可调用第三方函数库处理数据。
总结
图4 Sizector®结构光3D相机（带载台）
Sizector３D相机基于先进的移相法结构光技术，将３D扫描和解算过程封装在独立的设备中，直接输出高帧率、高精度、高完整性的面阵３D数据。用户既可通过调用SDK的方式直接控制３D相机搭建非标系统，也可采用Sizector Light３D检测软件快速响应标准３D检测需求。基于各项技术表现和客户反馈，Sizector 3D相机基于行业新兴技术，深度融合现场应用环境，使得客户的检测效率大大提升，同时降低了生产成本。我们看好3D检测在工业检测各领域的应用，期待Sizector 3D相机能够在行业蓬勃发展的同时获得更多客户的认可。
