依托Basler VisualApplets實現更加經濟高效的3D AOI 格雷編碼方案
發布時間：2025-01-09 作者：www.xstr.xyz
面對自動光學檢測（AOI）領域對更高檢測精度、速度和穩定性的需求，基于結構光的Gray Code（格雷編碼）技術為3D AOI提供了新的視覺方案：格雷編碼作為一種用于三維測量的編碼方法，通過向被測物體投射一系列具有特定規律的格雷碼圖案，并利用相機捕捉這些圖案的反射圖像，可以實現對被測物體的三維坐標和形狀的精確計算。這一技術不僅具有反射特性和循環特性，能夠降低誤碼率，提高測量的準確性和穩定性，還能夠通過多步相位展開提供更高精度的檢測結果。
圖表 1 SSZTAF8 Technical article | TI.com
結構光技術與深度圖的生成
結構光技術運用數字光處理（DLP）投影儀，向待測物體表面投射一系列精密設計的模式，這些模式內含格雷碼等特定編碼信息，從而在被觀察物體上形成獨特的反射圖案。再采用N步相移法，通過投影儀投射N幅正弦條紋圖至物體，并由相機捕捉這些圖像。隨后，依據捕獲的圖像利用"相位-深度"映射機制，精確提取物體的深度信息。所生成的深度圖直觀展現了物體表面的高度特征，是實現高精度測量的基礎。Basler VisualApplets圖形化開發平臺作為一種技術手段，能夠高效經濟地完成基于格雷碼的3D AOI。該技術途徑簡化了復雜計算，Basler演示功能基于10張格雷碼圖及全黑、全白圖展開。
"向被觀察物體投射包含格雷碼模式的結構光"
格雷編碼的優勢與二值化處理
為了應對外部光源干擾，提升編碼圖案的識別穩定性和準確性，我們引入了基于二值化的格雷編碼技術。格雷編碼是一種相鄰值間僅有一位差異的二進制編碼方式，這種特性極大地減少了因光照變化或噪聲引起的解碼錯誤。通過將格雷編碼圖案進行二值化處理（即將圖像轉換為僅包含黑白兩種像素值的圖像），我們能夠簡化圖像處理的復雜度，同時保留足夠的編碼信息以構建高精度的深度圖。
10bit深度圖像的合成
進一步地，為了提升深度信息的分辨率和細節捕捉能力，我們將多個二值化的格雷編碼圖案合并成一張具有10bit深度的圖像。這意味著每個像素點可以表示1024種不同的灰度級，相較于傳統的8bit圖像，提供了更豐富的深度信息層次，有助于在復雜表面結構中實現更精細的高度測量。
VisualApplets與FPGA的高效融合
格雷碼雖生成規則簡單，但在大規模數據處理或復雜算法中，其高精度伴隨計算復雜度劇增，形成性能瓶頸。為此，引入VisualApplets能更高效地實現格雷碼的編解碼，緩解PC端負載以及運算壓力。Basler視覺方案將上述流程遷移到VisualApplets圖形化開發環境中的FPGA上執行。FPGA以其并行處理和低延遲的特性，非常適合處理高速、高并發的圖像數據。在結構光條件下，傳感器快速捕獲一系列圖像堆棧，這些原始數據直接輸入到FPGA中進行實時處理，實現了格雷編碼的快速解碼和深度圖的即時生成。
"Basler VisualApplets采用圖像化拖拽式編程（上圖功能僅示意)"
此外，VisualApplets軟件模擬功能還通過內置算法簡化了深度信息到偽彩高度圖的轉換過程，使得高度變化以直觀的色彩差異呈現，便于觀察和分析，從而提高了數據可視化程度。
通過Basler VisualApplets進行格雷編解碼的優勢：
● 顯著提升檢測精度：格雷編碼的引入顯著提高了AOI精確度；
● 增強環境適應性：格雷編碼展現出對光照波動及表面差異的適應能力，使得AOI系統能夠跨越更多復雜多變的應用場景，顯著提升了系統的通用性和靈活性；
● 優化處理效率與降低成本：依托VisualApplets圖形化開發平臺，通過FPGA實現的格雷編解碼的過程更加高效，有效減輕了PC端的處理負擔，顯著加速了處理速度，優化了整體的計算資源配置，實現了處理效率與成本效益的雙重提升；
● 滿足定制化精細需求：VisualApplets圖形化開發平臺允許根據客戶的具體需求對格雷編解碼進行深度定制開發，從而精準滿足各類精細檢測要求；