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技术文章详细内容

采用基于TI DLP®技术的结构光实现高精度3D扫描

2018/8/1 18:29:31     

德州仪器（TI）DLP®产品工业业务经理 Gina Park、DLP Pico™产品营销部门的Michael Wang、DLP产品工业业务发展经理Carey Ritchey发表了《采用基于TI DLP®技术的结构光实现高精度3D扫描》的技术文章，全文如下：

前言

三维（3D）扫描是一种功能强大的工具，可以获取各种用于计量设备、检测设备、探测设备和 3D 成像设备的体积数据。当设计人员需要进行毫米到微米分辨率的快速高精度扫描时，经常选择基于 TI DLP® 技术的结构光系统。

3D 扫描系统的诞生

简单的二维（2D）检测系统已经问世多年了，其工作机制通常是照亮物体并拍照，然后将拍摄图像与已知的标准 2D 参考件进行比较。 3D 扫描则增加了获取体积信息的能力。引入 z 维数据可以测量物体的体积、平整度或粗糙度。对于印刷电路板（PCB）、焊膏和机加工零件检测等行业而言，测量上述附加几何结构特征至关重要，而这是 2D 检测系统无法达到的。此外，3D 扫描还可用于医疗、牙科和助听器制造等行业。

坐标测量机（CMM）是收集 3D 信息的首批工业解决方案之一。

利用结构光进行光学3D扫描
利用结构光进行光学3D扫描

探针物理接触物体表面，并结合每个点的位置数据来创建 3D 表面模型。后来出现了用于 3D 扫描的光学方法，如：结构光。结构光是将一组图案投射到物体上并用相机或传感器捕捉图案失真的过程。然后利用三角计算方法计算数据并输出 3D 点云，从而生成用于测量、检查、检测、建�；蚧魇泳跸低持懈髦旨扑愕氖荨９庋� 3D 扫描受到青睐的原因在于不接触被测物体，并且可以非�？焖偕踔潦凳钡鼗袢∈�。

DLP 技术可快速智能地生成光图像

对于光学 3D 扫描设备，DLP 技术通常在系统中用于产生结构光。DLP 芯片是一种高反射铝微镜阵列，称为数字微镜器件（DMD）。

当 DMD 与照明光源和光学器件相结合时，这种精密复杂的微机电系统（MEMS）就可以为各种投影系统和空间光调制系统提供助力。

由于 DMD 可灵活、快速、高度可编程的产生各种结构光图案，设计人员经常将 DLP 技术用于结构光应用。与具有固定图案集的激光线扫描仪或衍射光学元件（DOE）不同，它可以将不同位深的多种图案编程至一个 DMD�；� DLP 技术的结构光解决方案非常适合于需要达到毫米甚至微米精度的详细测量。

3D 扫描系统的应用

3D AOI

3D 自动光学检测（AOI）是一种用于生产制造环境的强大技术，可提供与零件质量相关的实时、在线、决定性的测量数据。例如，3D 测量就非常适合用于 PCB 焊膏检测（SPI），因为它会测量出在元件放置之前沉积的焊膏的实际体积，有助于防止出现劣质焊点。在 PCB 的生产制造中，也会在元件放置、回流焊、最终检查和返工操作后进行在线 3D AOI，最大限度地提高质量和可靠性。随着 3D 检测功能的日益普及，越来越多的在线工厂检测点选择采用 3D AOI 系统。

医疗

3D 扫描技术在医疗行业中的应用飞速增长。例如，牙科中采用口腔内扫描仪（IOS）直接采集光学印模。在制作假体修复体时，如镶嵌物、高嵌体、顶盖和牙冠，需要达到微米级 3D 图像精度。IOS 简化了牙医的临床操作程序，省却了对石膏模型的需求并减轻了患者的不适。

另一个快速增长的应用行业是 3D 耳扫描。光学成像系统能够精确采集耳朵的 3D 模型，而无需使用硅胶耳印模。3D 耳扫描未来还可用于为消费者定制耳塞、助听器及听力�；ど璞�。

工业计量和检测

许多不同的工业计量和检测系统已经开始转向采用 3D 光学扫描技术。

光学 3D 表面检测显微镜是离线 CMM 系统的一种替代方案。此类显微镜可以测量更多关于高度、粗糙度以及计算机辅助设计（CAD）数据比较的特征。此外，生产机加工、铸造或冲压制品的工厂也是光学检测的另一大应用领域。

带有3D扫描仪的机器人手臂
带有3D扫描仪的机器人手臂

它们可以更轻松和准确地进行 X、Y、Z 三轴方向的测量，从而提高质量保障。市场上也出现了在线3D 视觉系统与机器人手臂相结合的解决方案。利用这些机器人解决方案可以极大地提高汽车和其他生产线工厂的速度和质量。在装配和生产过程中的特定阶段增设 3D 检测有助于及早发现质量问题，从而减少浪费和返工。3D 扫描系统甚至可以在计算机数控（CNC）设备和 3D 打印机内运用，能够在生产制造过程中进行实时测量。

专业级 3D 手持扫描仪

专业级 3D 手持扫描仪是为专业人士和业余爱好者提供的以 3D 数据格式采集实物完整细节特征的便携式工具。

所采集的数据可以用于产品设计、零件工程、3D 内容创建或作为 3D 打印机的输入信息。例如，在线零售商可以通过对其产品进行 3D 扫描，以真实、高质量的 3D 模型（而非 2D 图片）在线呈现产品。游戏玩家可以对自己进行 3D 扫描并在游戏中创建自己的角色。

台式专业级3D扫描仪
台式专业级3D扫描仪

 

3D 生物识别和身份验证

3D 扫描在生物识别和身份验证的应用方面不断发展，通常用于安全锁定或解锁设备、安检和金融交易。利用光学 3D 扫描技术来采集面部、指纹或虹膜特征是一种更安全可靠的生物识别方法，并会给黑客攻击和其他攻击带来更大的难度。

集成 DLP 技术的系统设计优势

无论是检查 PCB 质量还是制作精确的牙科配件，基于 DLP 技术的结构光 3D 扫描设备都具备许多显而易见的系统优势。DMD 微镜具有微秒级的快速切换性能以及每秒超过1000个图案的8位相移速率，从而能够达到高速数据采集率，以实现对在线测量非常有用的实时 3D 扫描。高速 DLP 芯片还具有编程灵活性，在运行中也可以动态地对图案进行选择和重新排序。这有助于确保将最佳图像应用于特定对象位置或特定视野内，同时也有助于提取用于分析的最准确的 3D 信息�？梢钥刂仆枷竦某中奔浜土炼�，确保物体反射的最佳光量，并使相机的动态范围最大化。

DLP 技术可与各种光源结合使用，并兼容紫外（UV），可见光和近红外（NIR）波长。这为基于目标物体的反射率来定制 3D 扫描系统提供了额外的通用性。DLP 芯片可以与多种光源和相机相结合的灵活性使得可以轻松创建一个设备来测量多个物体。在设计下一代 3D 扫描设备时，汽车、工业和医疗公司寻求 DLP 芯片是有意义的。在使用 DLP 技术设计解决方案时，系统集成商能够通过灵活的图像控制和新的结构光算法进行创新。

他们还可以优化光学架构，以匹配检查扫描的关键分辨率和照明要求。令人振奋的是，开发者可以利用先进的可编程性将 3D 扫描提升到新的水平，从而优化在光谱域、空间域和时间域中的性能。

DLP 产品组合的考虑因素

TI 先进光控制产品组合提供超越传统显示器的 DMD 和配套控制器成像功能。更值得一提的是，DMD 芯片支持的波长范围在363 nm至2500 nm之间，二进制图形速率高达32 kHz，并且可提供更精确的像素精度控制。以下是具有先进光控制的 DLP 芯片组如何优化结构光系统的说明。

DMD 特性

  • 分辨率 — 在撰写这本刊物时，DMD 的分辨率范围就达到了0.2至410万像素（MP）。在需要较大扫描区域或者光照强度较强的环境中时，倾向于使用较大的1-MP，2-MP或4-MP DMD。例如，汽车 3D 检测在组装和对准处理步骤时需要在明亮的工厂地板上的进行大区域扫描。小于1-MP 的 DMD 倾向于放置在比较便携和低功耗的小型手持或台式设备中。
  • 电源 — 最小的芯片组功耗低于200mW，非常适合便携式或电池供电系统。例如，口腔内扫描仪就是充分利用小型 DMD 的外形因素以及它具有适用于电池供电的低功耗特性的优势。
  • 波长 — 用户可以根据物体的反射特性在基于 DLP 技术的系统中调整颜色和照明强度。因为 DMD 可以与各种光源组合，包括灯，发光二极管（LED）和激光器。DMD 针对紫外（363-420nm），可见光（400-700nm）和近红外（700-2,500nm）进行了优化。对于生物识别 3D 扫描解决方案，近红外波长因其不具有侵入性的特征而广受青睐。紫外线有时是优化金属反射特性的最佳选择。LED 光学激光器是针对白光图像的节能单色解决方案。

控制器特性

  • 预存模式 — DLP 控制器为可靠、高速的 DMD 控制提供了方便的接口。它们支持预存储的结构光图像，而无需外部视频处理器来传输图像。

一些 DLP 控制器可以使用一维（1D）编码预先存储1000多个结构光行列图像。1D 图像的特点是其信息可由单行或单列信息来表述。专业级 3D 手持扫描仪产品通常使用 1D 图像来降低成本并提高扫描速度。更先进的控制器支持多达400个预存储的 2D 全帧模式，根据应用程序的需要或被扫描的对象，可以更适应于 X 和 Y。

  • 图像精度和速度 — DLP 控制器设计用于显示适合机器视觉或数字曝光的图案，并支持可变高速图案显示速率，每秒高达32000个图案，且具有相机同步功能。这些图像速率对于高精度和高速 3D 扫描系统是至关重要的。

从简单到复杂的系统，DLP 技术在设计定制的结构光系统硬件和算法时为客户提供了令人难以置信的图像灵活性。

用于 3D 扫描的 DLP 产品

TI 提供了一系列的 DLP 芯片组，以适应不同的 3D 扫描要求，如下表1所示。有关 DLP 芯片的最新和完整列表，请参阅 TI DLP技术。

 

DMD

微镜阵列

阵列

对角线

最佳波长

控制器

最大图像速率

（二进制/ 8位）

高速预存图像显示

(2D or 1D)

DLP2010

854 × 480

0.20”

420–700-nm

DLPC3470

2,880-Hz / 360-Hz

仅1D

DLP2010NIR

854 × 480

0.20”

700–2,500-nm

DLPC3470

2,880-Hz / 360-Hz

仅1D

DLP3010

1280 × 720

0.3”

420–700-nm

DLPC3478

2,880-Hz / 360-Hz

仅1D

DLP4500

912 × 1140

0.45”

420–700-nm

DLPC350

4,225-Hz / 120-Hz

2D

DLP4500NIR

912 × 1140

0.45”

700–2,500-nm

DLPC350

4,225-Hz / 120-Hz

2D

DLP4710

1920 × 1080

0.47”

420–700-nm

DLPC3479

1,440-Hz / 120-Hz

仅1D

DLP5500

1024 × 768

0.55”

420–700-nm

DLPC200

5,000-Hz / 500-Hz

2D

DLP6500

1920 × 1080

0.65”

420–700-nm

DLPC900

9,523-Hz / 1,031-Hz

2D

DLP6500

1920 × 1080

0.65”

420–700-nm

DLPC910

11,574-Hz / 1,446-Hz

—

DLP7000

1024 × 768

0.7”

400–700-nm

DLPC410

32,552-Hz / 4,069-Hz

—

DLP7000UV

1024 × 768

0.7”

400–700-nm

DLPC410

32,552-Hz / 4,069-Hz

—

DLP9000

2560 × 1600

0.9”

400–700-nm

DLPC900

9,523-Hz / 1,031-Hz

2D

DLP9000X

2560 × 1600

0.9”

400–700-nm

DLPC910

14,989-Hz / 1,873-Hz

—

DLP9500

1920 × 1080

0.95”

400–700-nm

DLPC410

23,148-Hz / 2,893-Hz

—

DLP9500UV

1920 × 1080

0.95”

400–700-nm

DLPC410

23,148-Hz / 2,893-Hz

—

表1. 可以显示有用的 3D 扫描规范的 DLP 芯片组组合

概要

使用结构光的 3D 扫描是用于需要 3D 光学测量技术的扩展市场和用例的理想技术。TI 提供多样化的 DLP 芯片组合，可在个人电子产品中使用的小型、集成扫描引擎，以及工业检测系统中使用的大型高分辨率图案发生器。

DLP 技术是 3D 扫描和机器视觉解决方案选择的主要技术，因为它具有极高的多功能性，能够以极高的速度定制图案，并能够与多个光源和波长配对。这种多功能性还可以推动客户创新，并将 3D 扫描系统功能推向新的高度。

相关网站 

了解更多关于 DLP 技术的信息。

 利用评估�？椋‥VM）来评估 DLP 技术在 3D 扫描中的应用：

从 TI Designs 参考设计库下载这些参考设计，并且可以通过使用 DLP 技术原理图、布局文件、材料清单和测试报告加快产品开发的速度：

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