什么是3D相機？

網絡搜索3D相機這個術語，你很可能會看到一大串有關消費級數碼相機以及虛擬現實體驗的推薦。然而，對于工業應用，3D相機指的是一種應用于智能制造領域的機器視覺傳感器。它可以在應用場景中提供的三維點云數據信息。本文不會涉及汽車上使用的激光雷達或攝像機，而是將注意力集中在3D相機的類別上，它們通常被集成于自動生產線或者機器人上，配合其他智能軟硬件一起使用。

3D相機有哪些？

# 雙目結構光3D

什么是結構光：

就是帶有一定結構的，而且我們自己是知道光源的這種結構的。

結構光三維視覺也是基于光學三角測量原理。光學投射器將一定模式的結構光透射于物體表面，在表面上形成由被測物體表面形狀所調制的三維圖像。

該三維圖像由處于另一位置的攝像機探測，從而獲得光條二維畸變圖像。光條的畸變程度取決于光學投射器與攝像機之間的相對位置和物體表面形狀輪廓（高度）。

直觀上，沿著光條顯示出的位移（或者偏移）與物體表面高度成比例，扭結表示了平面的變化，不連續顯示了表面的物理間隙。當光學投射器與攝像機之間的相對位置一定時，由畸變的二維光條圖像坐標便可重現物體表面三維形狀輪廓。由光學投射器、攝像機、計算機系統即構成了結構光三維視覺系統。

結構光(Structured light)：通常采用特定波長的不可見的紅外激光作為光源，它發射出來的光經過一定的編碼投影在物體上，通過一定算法來計算返回的編碼圖案的畸變來得到物體的位置和深度信息。根據編碼圖案不同一般有條紋結構光---enshape ，編碼結構光---Mantis Vision, Realsense(F200), 散斑結構光--apple(primesense)。特定波長的Laser 發出的結構光照射在物體表面，其反射的光線被帶濾波的camera 相機接收，濾波片保證只有該波長的光線能為camera 所接受。芯片對接收到的光斑圖像進行運算，得出物體的深度數據。

相位法：近年來基于相位的光柵投影三維輪廓測量技術有了很大的發展，將光柵圖案投射到被測物表面，受物體高度的調制，光柵條紋發生形變，這種變形條紋可解釋為相位和振幅均被調制的空間載波信號。采集變形條紋并且對其進行解調可以得到包含高度信息的相位變化，根據三角法原理計算出高度，這類方法又稱為相位法?；谙辔粶y量的三維輪廓測量技術的理論依據也是光學三角法，但與光學三角法的輪廓術有所不同，它不直接去尋找和判斷由于物體高度變動后的像點，而是通過相位測量間接地實現，由于相位信息的參與，使得這類方法與單純光學三角法有很大區別。

# 激光線掃3D

線掃激光3D傳感器

相機在使用的時候也會受到線狀掃描的限制，通常會要求被檢測物體在勻速的狀態下運動，加上工業相機的配合，對其進行逐行連續的掃描，當然也只有在這樣的條件下，才能保證對被測物體的均勻檢測，從而形成高質量的圖像。如果檢測或者研究的過程當中對于精準度要求很高的話，通常會使用這種相機。

線掃描相機的特點優勢就在于它本身的結構非常簡單，具有很低的成本，靈活度很高，動態范圍也很廣，加上高性價比能夠讓其獲得更高的認可度，并且很多時候被人們運用在工業檢測領域當中，由于相機的傳感器僅僅是通過一行感光元素組成的，所以能夠進行高頻率掃描，同時也能把各種高速，旋轉的物體作為檢測的對象，所以這種相機受歡迎的應用就是對連續材料的精度檢測。

激光三角法原理

利用一束激光經光學系統調節后照射到被測物體表面，形成一小光斑，經過被測物體表面散射后通過接收物鏡聚焦成像在光電探測器的接收面上。被測點的位移信息由該光點在探測器的光接收面上所形成的像點位置決定。當被測物體移動時，光斑相對于接收物鏡的位置發生變化，相應的其像點在光探測器接收面上的位置也將發生改變，根據其像點位置的變化和測量系統的結構參數可求出被測點的位移信息。由于入射光線和反射光線構成一個三角形，所以該方法被稱為激光三角法。

# TOF 3D傳感器

飛行時間法ToF

飛行時間是從Time of Flight直譯過來的，簡稱TOF。其基本原理是通過連續發射光脈沖（一般為不可見光）到被觀測物體上，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過探測光脈沖的飛行（往返）時間來得到目標物距離。

TOF法根據調制方法的不同，一般可以分為兩種：脈沖調制（Pulsed Modulation）和連續波調制（Continuous Wave Modulation）。

TOF深度相機對時間測量的精度要求較高，即使采用精度的電子元器件，也很難達到毫米級的精度。因此，在近距離測量領域，尤其是1m范圍內，TOF深度相機的精度與其他深度相機相比還具有較大的差距，這限制它在近距離高精度領域的應用。

工業自動化為什么需要3D相機？

近幾十年來，二維相機已被廣泛應用于條碼讀取、目標跟蹤和在線檢測等領域。隨著智能制造發展對技術要求的不斷升級，用戶對目標對象的深度信息有了更高要求，而3D相機特有的深度信息采集功能，恰可以滿足這樣的市場需求。

將3D相機作為機器的眼睛，其作用就像人類的眼睛一樣——眼睛獲取的信息可被大腦(計算機)處理。3D相機獲取的三維信息為機器視覺算法提供必要的深度信息，從而可以讓機器識別物體的大小，顏色和深度距離。

搭載3D相機能讓機器更快、更智能地執行復雜的任務。目前常應用于物流、檢測、碼垛、上下料等場景。

在特定的距離下，針對大中型物體，識別速度往往是更常見的客戶訴求；而針對小物體，精準度則成為了主要指標。隨著制造業自動化程度的不斷提升，預計3D相機的市場需求還會持續增長。

3D相機應用示例

如果你需要大批量挑選許多小的，隨機放置的物體，則需要使用高性能3D相機以幫助機器正確地識別對象。在這項應用中，計算機可以處理3D相機采集到的三維點云數據，找到所需的信息，比如一個抓取點。因此，3D相機通常固定在目標上方。同時為了保證其靈活性，通常安裝在機器人的夾鉗上或附近位置。

選擇3D相機時，需要考慮哪些關鍵因素？

在比較不同廠商的3D相機時，需要考慮以下幾個方面：

01相機類型

用戶要選擇合適的3D相機，關鍵是要了解機器視覺系統的工作原理，以及將3D視覺應用于自動化系統中可以實現什么。例如，分揀碼垛系統通常需要通過3D相機獲得高精度三維信息，以識別物品細節。進行質量檢驗時，采用3D相機可以快速、可靠地驗證生產和檢測錯誤。當您需要分離相似物體時，使用3D相機也可以完成任務。

當用戶有了明確的使用需求，首先應排列出需求的優先級，即哪個需求對你重要？是分辨率、處理速度、視野，還是處理各種材料的能力。

由于3D機器視覺解決方案通常是為客戶定制的，所以更好的幫您解決問題，告知我們您的需求清單，將為您節省大量時間和精力，同時得到滿足您需求的3D相機解決方案。

02準確度

要比較3D相機的精度，需要了解用于測量精度的不同術語的定義：

精性：描述隨機誤差，一種統計可變性的度量方法。

真實性：描述系統誤差，一種衡量統計偏差的方法。

準確性：描述隨機和系統誤差的組合，即真實之和。

準確性應該同時滿足精度和真實性因素。需要強調的是，準確性將根據工作距離、環境溫度、環境光和相機設置等條件而有所變化。

03易用性

關于應用是否便捷，需要考慮硬件、軟件、文檔資料三要素。

從硬件的角度來看，3D相機應該足夠靈活，可以簡便集成或安裝在機器人上，并且在扭轉、彎曲和拉力情況下，依然具備穩定性能。

機器視覺算法也很重要。為了獲得高效精準的圖像校準和分析性能，您需要檢查它是否易設置，是否支持二次開發，以及其他內置功能。此外，我們建議您仔細閱讀說明，查看bug修復、特性以及更新。

完備的文檔資料（例如，參數表、培訓課件、示例，以及在開發階段期望得到的支持），可以幫您在使用3D相機時，迅速解決問題。

04安全性

如果您需要將3D相機應用于協作機器人，那么，選擇一款人眼安全、對人無干擾的3D相機（如，紅外3D相機）是非常必要的。它可以防止人和物體暴露在激光下，從而有效避免直接曝光或反射。另外，工人無需佩戴激光安全眼鏡，整個生產過程安全無害又環保。