在装有玻璃镜片的防护罩内使用Zivid相机

介绍

Zivid 3D相机的防护等级为IP65或更高，这意味着它们可以在相应的灰尘和溅水的环境下工作而不会损坏。 但是用户可能希望在更加恶劣的环境中使用相机，例如暴露于以下一种或多种情况：

• 焊接烟雾

• 油漆

• 过热

• 其它因素

然后问题出现了：相机应该放在某种形式的防护罩内吗？

小技巧

For protection against unforeseen accidents we provide a Protective Housing for Zivid 2+ and Zivid 2 cameras.

如果要将 Zivid 相机内置到防护罩中，我们将解决以下几个方面的问题。我们将讨论有关光学条件、温度、冷凝、一般维护和耐用性的考虑因素。

设计防护罩

For the following, we assume that our camera house will contain some protective glass for the camera to look through. Note that in some applications it is also possible to leave the front side open. In this case, one can use high-pressure air inside the housing to prevent dust or other particles from entering through the opening. For now, we will assume that we will build a functional protective housing for the Zivid 3D camera that includes the following essentials:

• 窗户或窥镜

  For the Zivid camera to look out from. The smaller the size of these windows the better in terms of backlight reflections, given that they do not cause shadow regions in the camera or projector field of view.

• 保护壁。

  例如，由铝或有机玻璃制成。

• 一个开口

  用于接入必要的电缆和连接器。

• 安装固定的方案

  通常防护罩位于Zivid相机和相机将要安装到的位置之间。

  注意！ 相机相对于保护窗的位置可能会改变光学性能。这可能反过来影响Zivid点云的准确性。请将相机牢固地固定在盒子里以降低这种风险。

• 温湿度控制

  控制相机防护罩内的温度和湿度。如果外部环境温度或相机的工作负荷不会导致防护罩内部温度过高从而造成相机过热，那么可以设计为一个被动调节方法。如果相机工作区域的环境温度超过了Zivid相机规格书中定义的限制，则需要进行主动调节。

接下来，我们将深入挖掘需要解决的各种挑战。

温度、湿度和维护

在将Zivid相机安装于防护罩中时，需重点考虑相机运行过程中防护罩内的散热情况。 下面有一些注意事项：

1. 防护罩内部的温度应符合Zivid 3D相机的数据表中的要求。 例如，对于 Zivid 2/2+，相机的额定工作温度为 0 至 40°C。 该相机在此温度范围内能够提供完整的性能，如果在此温度范围外使用相机，则相机的精度可能会发生漂移。 在最坏的情况下，相机可能会因在过高的温度下工作而损坏。

2. The air inside the housing (and camera) should be dry. This is to prevent condensation from forming on either the Zivid camera's lenses or the inside of the window (or the looking glass of the camera).

3. 防护罩内的温度应类似或略高于防护罩外的温度，以防止在防护罩玻璃上形成冷凝水。

如果您想在下雨天从咖啡馆的窗户内或飞机窗里向外拍摄图像，一部个人相机将很难对焦并获得清晰的图像。 类似的，镜头、滤镜和窗户上的凝露或灰尘会干扰Zivid相机的视线，可能会导致3D点云质量下降。 因此，建议保持防护罩窗口和相机镜头洁净。

小心

清洁Zivid的相机镜头和防护罩窗口时，请确保使用用于相机清洁的专用设备，例如长纤维布或纸。 请避免在清洁时直接大力擦拭镜头。 建议使用与操作智能手机相近的力量。

通过一个表面有水雾的窗口看到的人像。 （ 由 Matteo Catanese 在 Unsplash 拍摄的照片）

如果相机外壳内残留有潮湿的空气，镜头上可能会出现冷凝水。 如果将相机存放（未接线状态下）在潮湿和寒冷的环境中，则可能会发生这种情况。 为消除冷凝水，请将相机防止在阴凉干燥的环境中，并保持电源供电，但不连接USB端口（保持气孔打开），持续两天。 冷凝水将蒸发并消失。

最后，建议设计的相机防护罩可以确保防护罩窗口相对相机不会发生位移。这是出于光学原因，将在接下来步骤中解决。

选择合适的玻璃镜片

当光线穿过玻璃时路径会发生改变，因此重点是玻璃镜片必须具备优良的光学质量，以免对相机精度产生影响。 光学玻璃通常由其折射率，阿贝数和吸收率定义。 为了使窗口起到保护相机的作用，同时不改变光线，它应该：

• 非常平坦且均匀

• 折射率低

• 阿贝数高

• 吸收率低。

采购该玻璃镜片时，建议咨询光学玻璃专家。

小技巧

该玻璃应该具有低折射率，高阿贝数，低吸收率并且非常平整度及均匀。

小心

Typical glass windows in buildings have a high absorption rate which will negatively impact signal-to-noise-ratio if used to protect a 3D camera.

Zivid建议玻璃厚度在1-5mm之间。 可能更厚得玻璃也可以很好地工作，但是Zivid尚未进行厚度超过5mm的实验。

最后，玻璃防护窗应放置在靠近相机镜头的位置，并且应与相机大致平行。

玻璃厚度如何影响相机性能？

承接上述的相关说明，在Zivid相机前面放置一个玻璃防护窗口，对于大多数应用而言，对相机的性能仅会产生微不足道的影响。 将该系统投入生产之前，强烈建议您检查系统的性能，并在点云精度方面比较使用和不使用保护外壳的情况。

小技巧

通过在相同条件下比较同一参考对象的至少两个点云来验证防护玻璃的质量。

下图显示了在Zivid One + Large前面使用各种不同厚度玻璃的影响。Zivid One+ 已达到其生命周期。但是，基于 Zivid One+ 进行测试的结果和结论仍适用于其他 Zivid 相机。我们将结果进行了对比，并表示为相对于不使用任何保护窗的差异值。 每张图都显示了性能参数如何随成像距离的增加而变化，从1.1 m开始到2.9 m结束。 这些参数是根据 Zivid One+ 数据表定义的。

备注

结果显示为相对于不使用任何防护玻璃的差异值。

点精确度

可以看出，点精确度误差随着距离而稳定增加（没有玻璃时也是如此），但是玻璃厚度对其没有明显的影响。 在大多数距离和条件下，这些变化对于应用来说应该可以忽略不计。

局部平面精确度

可以看出玻璃厚度对于局部平面度精确度误差没有明显的影响。 平面度精确度的变化在0.1mm内，这与点精确度的变化相似，对于典型应用而言，其影响也可以忽略不计。

全局平面真实度

The figure below shows how the measured flatness of a plate varies with the thickness of a protective window. As we can see, the variations are within ±15%, which means ±0.075 mm change for a planarity flatness of 0.4 mm that is typically measured without a protective window. These variations increase the planarity trueness error to about 0.5 mm. Therefore, placing an appropriate protective window will have acceptable implications on the global planarity trueness of the camera for most applications.

备注

所有图均显示相对于参考（无玻璃）的差异。

全局平面精度

这些测量显示了在存在保护窗的情况下板材的噪声和平坦度如何变化。测量结果主要由上面看到的基本真实度误差主导，并在顶部添加了精度噪声。在没有保护窗口的情况下，总体变化控制在现有误差的 ±10% 以内。对于典型的 Zivid One+ Large 相机，平面精度误差约为 0.5 毫米。因此，该精度变化 10% 意味着总误差可能增加到 0.55 毫米。这通常是可接受的影响。请注意，全局平面度精度的相对变化低于真实度的相对变化。这是因为准确度的潜在绝对误差本质上大于真实度。因此，两者之间相似尺度的变化对较低值（真实性）的影响大于对较高值（准确性）的影响。 这些测量结果显示了在存在防护玻璃的情况下，平板的噪声和平面度的变化情况。 测量结果主要由上述的真实性误差所决定，顶部加上精确度噪声。 没有防护玻璃的情况下，总变化率在现有误差的±10％之内。 对于一台典型的Zivid One + Large相机，平面度精度约为0.5 mm。 因此，此精度变化10％意味着总误差可能会增加到0.55 mm。 这通常是可以接受的影响。 请注意，全局平面精度的相对变化低于准确度。 这是由于对于准确度而言，潜在的绝对误差固有地要比对准确度大，因此，两者之间相似比例的变化对较低值（精度）的影响将大于较高值（准确度）的影响。

尺寸精度

通过对10 cm尺寸的重复测量表明，相对于没有防护玻璃的基本精度，这些测量结果的变化产生的1σ变化小于35 µm。 考虑到距离较远，这些数字相对较小，对整体点云质量的影响应忽略不计。

尺寸真实度

下图显示了在存在前盖玻璃的情况下给定尺寸的测量值的变化量。 对于较大的相机工作距离，变化小于30％，并且厚度之间没有明显的相关性。 这意味着，如果在没有防护罩的情况下测得的原始尺寸准确度误差为0.1％，在加入防护窗后，该误差可能会在0.07％至0.13％之间变化。 这种差异在许多应用中仍然可以接受。

总结

这些测量不能提供足够的证据来证明玻璃厚度和相机性能之间的潜在系统依赖性。 玻璃质量不佳的影响（例如有限的平整度）可能是影响精度变化的主要因素。

The presented measurements indicate that the expected change in error should be in the order of <±50%. In systems that depend on a high level of reliability, a tolerance level a few times higher than the accuracy of the measuring unit should be employed. From these results, we can deduce that an added variation of the error in the order of ±50% is likely to have a negligible, or acceptable, impact on the overall system. Thus, the new expected error from the camera should still be smaller than the total system tolerance.

我们建议对玻璃质量进行比较测试，以确认安装防护窗后相机的真实度和准确度仍然可以接受。