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激光三角测量解决各种成像任务

江苏激光联盟导读：

工业生产要求对各种物体进行更高级别的质量控制，从而需要更高的分辨率以及处理更难成像的材料的能力。对于诸多此类应用，在线3D检查优于传统2D技术。

受技术进步的刺激，3D视觉近年来已经进入自动化的主流。3D的优势引发人们需求的增长，因此，提供3D的供应商数量急剧增加，同时自动化系统的性能在过去十年中增长了10倍。

图1. 激光线三角测量用于在预测性维护中扫描经过的列车。插图显示了激光是如何反射列车轮廓的。

在每个时间点使用光片三角剖分，对场景的横截面进行测量以创建高度轮廓（图1和2）。许多工业应用包括直线运动，就像物体沿着传送带通过一样。测量横截面的摄像机可以在物体通过激光线时创建其完整的高度图。在这些类型的应用中，激光线三角测量通常是最合适的3D成像技术。

激光三角测量

在每一个时间点上使用片光三角测量(sheet-of-light triangulation)，对场景的横截面进行测量以创建高度轮廓(如图1和2)。许多工业应用包括直线运动，如物体沿传送带通过的情况。当物体通过激光线时，测量横截面的照相机可以生成完整的物体高度图。在这些类型的应用中，激光线三角测量通常是最合适的3D成像技术。

图2. 激光三角测量的图解。摄像机观察激光线并提取通过物体的3D轮廓。

激光线三角测量使用2D图像传感器，因此快速且高精度地提取成像仪每一列上激光线的位置至关重要。这个过程提供了扫描对象形状的数据轮廓。通常还提取可见激光的亮度，以提供2D强度(反射率)数据。反射轮廓形状的额外测量可以提供关于重要材料属性的信息。

图3. 对速度高达120英里/小时(200公里/小时)的列车进行预测性维护时，需要在46KHz内进行扫描，达到1scan/mm。

所有三角测量系统都需要光源和传感器之间的基线距离。这为测量三角形创建了必要的基础，其角位于激光原点、相机的光学中心以及目标上的某个点。通常，较大的基线可提供更高的测量精度。

三角测量所需的基本距离会产生遮挡问题，但光源无法照亮相机看到的区域，反之亦然（图3）。这会给大型物体周围的区域（例如无法测量的区域）提供边缘。基线越大，遮挡越多。如果传感器本身以高精度工作，则基线距离可能会很小，但通常在光源方向和视图之间使用至少20°到30°的角度。为了克服遮挡效果，可以使用多个光源和多个摄像头（图4和5）。通常，还使用多个摄像机来增加测量视野（FOV）并在目标对象周围创建360°轮廓。

图4. 激光三角剖分会导致遮挡，因此会导致数据丢失的区域。

图5. 通过使用双摄像机从各个方向成像，可以减少遮挡，并且可以对双列直插式封装（DIP）开关两侧的连接器进行成像和检查。

高质量成像的一个关键是图像数据的清晰度。镜头的聚焦深度有限，这可能会在测量范围较大的3D系统中产生问题。对于激光三角测量，沙姆定律(Scheimpflug principle)很有用。该原理定义了如何通过在镜头后启动传感器的精确倾斜来在特定的倾斜平面上达到相机前面的焦点。在激光三角测量中，通过将成像器倾斜在透镜后面，可以完美地聚焦测量（激光）平面。即使使用较大的镜头光圈来捕获更多的光，这也可以创建最佳聚焦。大多数带有内置激光器和光学器件的激光三角测量产品都使用此原理来创建最佳条件。如果从通常固定镜头座的单独激光器和照相机开始，则使用沙姆定律会更加复杂。某些针对三角测量的相机具有不同的适配器，因此可以应用适当的沙姆定律校正。

沙姆定律的简单示意图

如术语“激光三角测量”所指的，激光是这些系统中使用的典型光源，因为它们从非常小的孔径发射高功率相干光。这种光可以聚焦成一条又窄又亮的线。它还能发出非常精确的波长，因此可以在相机上使用窄带滤光片来阻挡干扰的环境光。然而，相干性的缺点是在成像系统中产生斑点。散斑是相干光子的干涉效应，从光源到传感器的距离略有不同。它们撞击不平坦的表面，在到达成像器之前穿过透镜孔径，如果距离“累加”到整个波长，就会产生明亮的干涉图案，如果距离“累加”到整个波长，干涉图案就会变暗。这会产生散斑噪声，并会影响激光位置的提取。图像传感器上的激光散斑大小与波长成正比，其他一切都不变。散斑的大小也大致与透镜孔径成正比f号码。因此，更大的孔径(更小fnumber)生成较小的斑点。单个像素上的斑点越多，斑点的平均程度就越高，因此噪声就越低。成像技术的进步导致像素变小，这加剧了斑点问题；因此，应该避免最小的像素。由于散斑大小与波长成正比，蓝色激光——而不是红色或红外激光——通常能提供更好的数据质量(图6和7)。使用大孔径的Scheimpflug校正光学系统有助于减少激光散斑噪声，并为成像仪提供更多光线。

图6. 用红色660纳米激光扫描元件的印刷电路板上的三维数据。斑点相关噪声明显可见为“桔皮”效应。大部件尺寸为3×3毫米，厚度为1毫米

图7. 用蓝色405纳米激光扫描元件的印刷电路板上的三维数据。与斑点相关的“桔皮”噪声的振幅比红色激光低得多。

激光三角测量原理提供了很大的可扩展性。例如，它可以对任何东西进行成像，从几毫米FOV的焊膏和小部件，到FOV的整辆卡车和几米长的火车。

本文作者Mattias Johannesson是SICK公司研发部门的3D视觉高级专家。他在3D相机和全定制CMOS图像传感器开发方面拥有超过25年的经验。他目前在瑞典林科平的IVP病院机器视觉能力中心工作。

为了制造廉价的红外照相机，芝加哥大学的科学家们利用胶体量子点的宽光谱可调性，通过调整量子点来开发一个探测短波红外的公式和另一个探测中波红外的公式。下图是由由SICK公司提供的芝加哥大学研究人员拍摄的照片测试了一种制造红外相机的新方法，这种方法的制造成本可能要低得多。

a，双频检测器成像过程的实验装置。玻璃后面的手的底部插图，MWIR和SWIR图像。b，硅晶片后面的物体的SWIR图像。c，一张脸的SWIR和MWIR图像。d，不同溶剂的可见光和SWIR图像。e，SWIR，MWIR以及冷热水的合并双波段图像。SWIR和MWIR图像分别在室温和85 K下拍摄。BZC，氯苯；IPA，异丙醇；TCE，四氯乙烯。

研究人员开发的具有双端CQD双频带检测器的红外相机性能好，比传统的红外相机更容易生产。廉价的红外热像仪有许多潜在用途，包括在自动驾驶汽车中，它们依靠传感器扫描道路和周围环境。如今的红外热像仪是通过连续沉积多层半导体制成的，这是一个昂贵的工艺，导致在大多数消费电子产品中无法被使用。

本文来源：https://doi/10.1038/s41566-019-0362-1

赛维板报丨三角高程测量：中间设站观测法

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已有大量实践表明，利用高精度全站仪配合专门的觇牌、棱镜组及配件进行三角高程测量在一定条件下可以代替三等、四等甚至二等水准测量。就建筑变形测量而言，当采用常规水准测量作业较困难、效率较低时，可利用高精度全站仪进行三角高程测量作业。

考虑到建筑变形测量的特点，该作业可用于沉降基准点网的观测、基准点与工作基点的联测以及某些监测点(如斜坡、建筑场地、市政工程等)的观测中。现在已有很多房建基坑项目或者地铁隧道用高精度全站仪机器人进行自动化监测。

一、观测方法：中间设站观测法

类似于常规的水准测量作业方式，即在两个监测点上分别架设棱镜，在其中间适当位置架设全站仪。这种方式作业中，棱镜高可固定，一般也无须测定仪器高，从而提高测量成果精度和作业效率。为确保观测成果的精度。

目前，利用全站仪进行精密三角高程测量时，高低棱镜组使用较多，下图给出了一种常用的形式及相关配件。使用高低棱镜组时，应保证棱镜中心连线竖直，且两棱镜中心距离固定不变。图 中距离 DH 称为棱镜互差，一般为 10cm 左右为宜。高低棱镜组可以加装在仪器或者棱镜杆上，上层的棱镜称为高棱镜，下层的棱镜称为低棱镜。加装在仪 器上时，安装后要进行检查DH 值，并检查棱镜中心与仪器竖轴是否一致。

二、观测时注意事项

规定中间设站方式下的前后视线长度差是为了有效地消减地球曲率与大气垂直折光影响。全站仪三角高程可通过编制程序进行自动化测量。第一种方式是编写程序并上传至全站仪，在全站仪操作界面设置测量参数完成测量作业；第二种方式是编写程序安装在掌上电脑、笔记本电脑等设备上，通过外置设备控制全站仪进行三角高程自动化测量。

采用高低棱镜组观测时，观测一个棱镜另一个棱镜应进行遮盖，避免由于当距离较近倾角较大时，上下镜同时反射，对测量距离产生影响。

作业时，应避免在折光系数急剧变化的时间段内观测，并尽量缩短观测时间。

垂线偏差与测站的位置以及观测边长等有关，在山区作业时，可通过缩短边长的方法来减小其影响。大气垂直折光系数与时间、天气、视线高度、下覆地形及植被等诸多因素有关，难以准确确定。为使前后视方向的大气垂直折光差能够得以基本抵消，除要求前后视线长度差外，还应要求前后视方向的视线离地高度大致相同，地形基本对称，观测时间尽量缩短。