线激光3D相机（轮廓仪）简介与新需求、新方案

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一、3D相机原理

3D检测是通过三维硬件（通常有线激光传感器、点/线光谱共焦传感器，结构光传感器，双目传感器等），搭配三维视觉扫描软件，扫描出需检测的三维点数据，通过算法拼合成点云数据，呈现被测表面三维云图的过程。按成像原理分，目前主流的3D视觉检测硬件 可分以下三种：

1.1线激光3D相机

   其中线激光3D相机是通过线激光光源与高速工业相机组合，得到被测物体的一个切面轮廓图像，通过图像处理提取图像上的轮廓，根据三角测量原理，计算出轮廓的物理坐标信息，同时可通过运动控制，得到物体的连续轮廓（Profile）并进行合成形成物体外观轮廓的3D点云。

   激光二极管透过镜片将激光射向被测物体表面形成线光斑，经物体反射后的激光通过光接收系统被接收并成像。

   线激光照射在物体上，光线所形成的线条。反映在图像上是一组离散的像素点。为了便于拍摄到有利于轮廓提取的图像，一般我们在相机的镜头前加上滤光片，只让激光波段的光进入相机，所以相机所采集到的图像，是由一组比较亮的像素来代表轮廓的图片，当传感器与被测物体之间的距离发生变化时，激光的反射角度也会产生相应的变化，从而使传感器内感光元件上的成像的轮库中像素点位置变化。根据角度及已知的激光二极管和CMOS阵列之间的距离，传感器内部的数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离以及距离变化。

当物体与传感器发生相对运动时（运动方向沿Y轴运动），如果我们已知采集每个轮廓时Y方向位置，由于同一个轮廓上所有点的Y坐标值相同，那么当前轮廓信息变成了一组x，y，z坐标组成的点，所有的连续轮廓不断进行合成，最后就组成了被检测物体的点云信息。

二、线激光3D相机系统构成

   系统主要由光源系统（含整形系统），接收系统，运动机构，信号处理系统，云点重建构成。

光源系统包括：激光光源、整形镜头

激光源主要有蓝光或者红光，经过整形系统将光斑整形为微米级线光斑，整形镜头分为定焦与变焦两种；目前整形系统为适配不同应用场景，变焦系统多用于工业场景。

接收系统主要由光学镜头与高帧率、高动态范围传感器以及驱动电路组成；

光学镜头一般为定制大孔径镜头（光通量×4），莎姆镜头消除离焦模糊，提升边缘分辨率与景深适应性；

图像传感器一般采用高动态范围CMOS（90dB），支持HDR融合多曝光图像，适应金属高反/深色吸光材质；也可采用新型高帧率、感算一体的SOC图像传感器。

运动机构包括：运动机械组件、控制器，触发模块

运动机械组件，一般为固定器件，机器人、手臂等

控制器为运动组件提供控制信号与驱动；

触发模块多采用编码器，编码器触发同步，机械臂搭载实现多角度扫描，决定点云密度与拼接精度。

信号处理系统包括：数据硬件处理器，一般采用FPGA+ARM架构，也,PS端与上位机端（后台）进行数据交互；PL端进行数据处理，处理一般包含如下：

轮廓多边形分割，通过轮廓跟踪识别激光条纹分段，多边形化后计算内角修剪开放轮廓，消除噪点；亚像素优化，基于灰度重心法或多项式拟合，将中心定位精度提升至0.05像素（Z轴重复精度达0.4μm）

其中信号处理端可采用感算一体的SOC芯片。通过异构数据处理架构实现准实时采集处理。

云点建模，主要有上位机软件通过PCL实现，将运动机构的数据与传感器输出的轮廓数据对齐，实现对被测物的高精度3D建模

三、工业应用线激光3D轮廓仪主要参数

3.1激光轮廓点数

    线激光轮廓测量传感器实际就是线激光和工业相机组成的特殊视觉系统，这个参数代表了一条激光轮廓线条对应工业相机水平方向像素数。理论上这个值越高，X方向（激光线光斑方向）分辨率也越高，当然也和视野有关系，相同水平视野下，激光轮廓点数越高，X方向的分辨率也会越高。

3.2 Z方向测量分辨率

    3D线激光相机（轮廓仪）在不同工作距离上最小高度变化分辨率；Z方向分辨率在不同的高度上是不同的，距离越近位置的测量分辨率也会越高，这主要是由于在采集的图像上高处所代表的像素分辨率要比低处的像素分辨率高，导致计算结果在高处分辨率也会更好。

3.3 扫描速度

    这个参数反应了3D线激光轮廓传感器获取轮廓的速度，一秒钟能输出多少个轮廓数据。参数时我们提到过通过设置相机ROI可以提高扫描速度，所以这个扫描速度一般会给出全量程测量范围下（全视场）的扫描速度，也会给出特定ROI设置条件下的扫描速度。在需要获取被测物体轮廓点云数据的应用中，这个速度决定了最后点云的轮廓密度。

四、发展趋势与需求

4.1发展趋势

    线激光3D相机技术以激光三角法为基础，通过亚像素中心提取、多传感器标定及运动过程中动态扫描策略实现对目标的微米级精度3D感知。未来趋势聚焦于：

·多光谱融合（RGB激光提升材质适应性，与低成本高分辨轮廓识别）；

·AI与智能传感辅助分析（智能硬件传感器。感算一体高帧率高精度芯片，AI图像处理技术进行抗反光算法）；

·微型化探头（光谱共焦探头φ1mm，扫描速度待优化）。

4.2新需求

   在对隧道、高铁、输电系统的表面检测中利用高速高精度3D相机对隧道、轨道、电网设备与线路表面检测及高精度三维成模，需要解决三维激光雷达扫描速度慢，精度低的问题，要完成替代进口3D扫描激光雷达在轨道交通场景的应用。人工或固定路径设备、三维检测存在检测速度慢、精度低的问题。因此需要在三维方向提高分辨率。

  

   

五、新方案

   通过优化设计线激光输出光路，确保光强均匀与平行，减少成像死角，扩大有效成像面积，搭载感算一体的高帧率、高分辨率线阵传感器计算芯片，单帧图像中不同区域的快速HDR算法，同时对高反射率（反光）和低反射率（深色）材质的物体高质量成像。

采用单帧HDR功能，单次扫描可同时高精度测量深色 (低反射率) 和反光 (高反射率) 表面，减少反射率对成像的影响；采用专用激光器、大口径双沙姆镜头、感算一体芯片，搭配异构硬件方案先进智能成像算法，可更好应对反光、多重反射，遮光等情况。

  

最后进行数据提取与中心点识别，结合类脑算法有效抑制多重反射干扰造成的飞点，对表面反光、结构精密工况下呈现更高质量的点云效果。