汉振分享 | 工业级3D相机质量评价

　　摘要：
 

　　在工业场景中，尤其在3C电子、半导体等行业的微小零件自动化在线检测与测量过程中，如何评价或选择一款合适的3D工业相机非常重要，本文将介绍其中关键的两项评判标准：成像精度与成像速度。
 

　　1．引言
 

　　工业级3D相机，即可在高温、粉尘、振动等复杂恶劣环境下稳定工作的3D相机，长时间使用后测量结果仍然在可接受范围内，数据准确。双目结构光3D相机由于其精度高、成像速度快等优势，*有较高的增长，尤其是在3C电子、半导体等行业的微小零件自动化在线检测与测量。在此类行业应用中，如何评价或选择一款合适的3D工业相机，通常情况下，成像精度是*评判准则，成像速度次之。
 

　　2.速度
 

“扫描速率”(Hz)，指的是3D相机在1秒钟内能获取到几幅点云数据，从开始采集到解码重建出点云，即“点云输出帧率”。许多产品标称的扫描速率不含解码重建部分，是3D相机数据采集的大帧率，如下图1所示：

图1.扫描速率
 

　　理论上，不含解码重建部分的扫描速率=投影的图片数量/投影大帧率，投影的图片数量跟编码方式相关，直接影响到精度，如我司自主研发的3D相机TrueD2305M在180mm*120mm的成像视野范围内Z向精度优于15μm，且重复性精度优于1.5μm时扫描速率为4.3Hz(理论可达到30Hz，精度会降低)。
 

　　3.精度
 

　　3D工业相机通常是被作为三维测量与检测系统使用，行业内普遍使用VDI/VDE 2634准则来评价3D相机的精度，主要评价手段为在测量空间内测量球径的探测误差、球心距的测量误差、标准平板的平面测量误差及拼接误差。
 

　　“精度”，指被测量的测得值之间的一致程度与其“真值”的接近程度，即准确度和精密度的综合测量误差。

图2. 测量误差示意图
 

　　3.1准确度
 

　　准确度：多次测量结果的平均值与其“真值”的接近程度，反应的是测得值的系统误差，系统误差具有方向性，可改善、可修正。

图3. 偏倚
 

　　观测平均值偏离“真值”越大，即过分偏倚，原因可能是光学系统偏心、内部零件变形、磨损或环境如湿度、温度、振动、清洁等因素引起，理想情况下系统误差为0。
 

　　通常计算偏倚时，还需分析其线性，即三维测量系统在正常工作量程内的偏倚变化量。偏移会随着量程变化，如下图所示：
 

图4. 偏倚线性
 

　　3.2精密度
 

　　精密度：在相同条件下，对同一物体进行反复测量，测量值之间的一致程度，反应的是测得值的随机误差，具有不可预测、无规律性，测量结果既可能偏大也可能偏小，误差值起伏无规则，但误差的分布服从统计规律，主要分析重复性和再现性。
 

　　重复性是指由同一个人用同一量具经多次测量同一零件的同一特性时获得的测量值变差；再现性是由不同的人用同一量具测量同一零件同一特性时测量平均值的变差。
 

图5. 重复性和再现性
 

　　4.总结
 

　　现市面上多数3D相机产品标称的精度主要是标准偏差与重复性精度，如图1中的Accuracy和Repeatablity，再现性与系统误差均未体现，产品的检测稳定性可能不太好，除了关注产品的测量结果是否准确外，还须注意产品的抗电磁干扰、防尘等能力。后续将继续分享如何根据实际的应用场景或项目选择合适的产品。