3D視覺主要技術(shù)路徑
3D傳感器作為3D視覺的眼睛，通過多個(gè)攝像頭與深度傳感器的組合能夠獲得物體三維位置及尺寸等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維信息采集。目前3D視覺傳感器主要有雙目相機(jī)、結(jié)構(gòu)光相機(jī)及TOF（Time of flight）相機(jī)。
·3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)原理：采用紅外光源，發(fā)射出來的光經(jīng)過一定的編碼投影在物體上， 這些圖案經(jīng)物體表面反射回來時(shí)，隨著物體距離的不同會(huì)發(fā)生不同的形變。圖像傳感器將形變后的圖案拍下來，基于三角定位法，通過計(jì)算拍下來的圖案里的每個(gè)像素的變形量，來得到對(duì)應(yīng)的視差，從而進(jìn)一步測(cè)算深度值。
·TOF工作原理：采用紅外光源發(fā)射高頻光脈沖到物體上，然后接收從物體反射回去的光脈沖，通過探測(cè)光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來計(jì)算被測(cè)物體離相機(jī)的距離。TOF目前市場(chǎng)上有兩種主流方案 dTof和iTof。行業(yè)人士認(rèn)為，未來，dtof會(huì)逐漸取代itof方案，因?yàn)閐tof在很多關(guān)鍵性能方面對(duì)于itof都有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，如分辨率，精度對(duì)距離感知不明顯，超低功耗，抗干擾能力強(qiáng)，標(biāo)定方式簡(jiǎn)單。但其技術(shù)壁壘較高，系統(tǒng)集成度高，供應(yīng)鏈資源少。
·雙目立體視覺技術(shù)原理：通過從兩個(gè)視點(diǎn)觀察同一物體，從而來獲得同一物體在不同視角下的圖像。通過三角測(cè)量原理來計(jì)算圖像像素間的位置偏差（視差）來獲取物體的三維圖像，過程跟人類眼睛的工作原理相似。在雙目立體視覺系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)中，通常采用兩個(gè)攝像機(jī)作為視覺信號(hào)的采集設(shè)備，通過雙輸入通道圖像采集卡與計(jì)算機(jī)連接，把攝像機(jī)采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過采樣、濾波、強(qiáng)化、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終向計(jì)算機(jī)提供圖像數(shù)據(jù)。
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技術(shù)路線 |
雙目 |
結(jié)構(gòu)光 |
ToF |
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立體雙目 （被動(dòng)） |
雙目結(jié)構(gòu)光 （主動(dòng)） |
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優(yōu)點(diǎn) |
技術(shù)成熟、系統(tǒng)成本低、室內(nèi)外有一定兼容能力 |
主動(dòng)添加物理紋理、解決單一紋理環(huán)境問題、近距離中高精度、抗環(huán)境光干擾（半室外環(huán)境可用） |
主動(dòng)投影，適合弱光照使用、近距離(1米內(nèi)) 毫米級(jí)精度 、功耗低 |
算法簡(jiǎn)單、測(cè)距更遠(yuǎn)、幀率高、光照影響小、不同距離精度變化小、兼容室內(nèi)外動(dòng)態(tài)場(chǎng)景 |
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缺點(diǎn) |
單一紋理環(huán)境無法識(shí)別、強(qiáng)暗光影響大、視覺匹配算法復(fù)雜 |
遠(yuǎn)距離精度差、強(qiáng)光環(huán)境不適用 |
遠(yuǎn)距離精度相對(duì)較差，隨著距離的拉長(zhǎng)，投影圖案變大，精度也隨之變差，室外強(qiáng)光照不宜使用，強(qiáng)光干擾 |
功耗大、中等精度 |
3D視覺在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用
隨著視覺技術(shù)逐步從2D向3D過渡，3D視覺傳感器以深度感知能力，在三維空間實(shí)時(shí)感應(yīng)、目標(biāo)物體精準(zhǔn)識(shí)別、多重障礙檢測(cè)避障、智能決策及自動(dòng)化引導(dǎo)等方面占據(jù)領(lǐng)先技術(shù)優(yōu)勢(shì)，目前已大批量應(yīng)用在物流電商、自動(dòng)化、制造業(yè)廠內(nèi)物流、工業(yè)及服務(wù)機(jī)器人、商業(yè)等多元化場(chǎng)景，應(yīng)用邊界不斷拓寬。
在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域，3D視覺主要用于導(dǎo)航、避障以及末端物料識(shí)別、對(duì)接。
準(zhǔn)確感知復(fù)雜環(huán)境是移動(dòng)機(jī)器人的首要任務(wù)。“環(huán)境”在這里包含多重含義，以無人叉車叉取托盤為例，既包含室內(nèi)外不同光照強(qiáng)度的干擾、前方是否有障礙、行進(jìn)路面是否空闊平坦，也包含環(huán)境有什么類型的物體、是否有人誤入需要減慢或暫停、前方托盤是空載還是滿載、滿載托盤的插孔位在哪里、又如何規(guī)劃叉取路線等。
簡(jiǎn)化邏輯就是，基于視覺感知的移動(dòng)機(jī)器人準(zhǔn)確識(shí)別周圍環(huán)境，要避開動(dòng)靜態(tài)障礙物（避障），動(dòng)態(tài)接近至到達(dá)目標(biāo)物體（導(dǎo)航），并與目標(biāo)物體正確交互（目標(biāo)探測(cè)、定位識(shí)別）。
·導(dǎo)航
專注于視覺導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人開發(fā)的藍(lán)芯科技表示，3D視覺SLAM無人叉車在多變場(chǎng)景、空曠環(huán)境中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)大于2D激光SLAM機(jī)器人。
“例如在地堆型倉(cāng)庫(kù)，地堆貨物隨時(shí)都在變動(dòng)，對(duì)采用激光SLAM方案的移動(dòng)機(jī)器人而言，頻繁的進(jìn)出庫(kù)、位置的時(shí)刻變化，意味著激光雷達(dá)掃描的輪廓時(shí)刻在變，要在不斷變化的環(huán)境中做到可靠定位是十分困難的事情。在大型空曠車間場(chǎng)景，車間內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)立柱間距較大，地面缺少其他固定參照物。激光SLAM機(jī)器人在這類場(chǎng)景下掃描的點(diǎn)云稀疏，定位的可靠性大大減弱。而視覺SLAM機(jī)器人通過搭載深度相機(jī)采集周圍環(huán)境圖像，采集的環(huán)境信息豐富，生成稠密點(diǎn)云圖，環(huán)境局部改變不影響機(jī)器人定位，因而擁有較高的場(chǎng)景適應(yīng)性。”
除性能外，從成本的角度來看，當(dāng)前激光傳感器的價(jià)格要遠(yuǎn)高于3D深度相機(jī)，視覺技術(shù)的應(yīng)用正好契合了移動(dòng)機(jī)器人廠商降成本的需求。
·避障
·末端識(shí)別、對(duì)接
導(dǎo)航、避障、末端識(shí)別對(duì)接……盡管都需要用到3D視覺技術(shù)，但由于各自的需求特性不同，對(duì)技術(shù)要求也會(huì)有一些差異。易福門相關(guān)負(fù)責(zé)人表示；“從細(xì)節(jié)上講，導(dǎo)航應(yīng)用，最重要的是測(cè)距精度和幀率，避障應(yīng)用，最重要的是FoV尺寸和幀率；末端識(shí)別應(yīng)用，最重要的則是高測(cè)距精度和點(diǎn)云密度。”
近幾年，伴隨著移動(dòng)機(jī)器人對(duì)3D視覺技術(shù)需求的上升，針對(duì)不同應(yīng)用的不同需求，為了更好的適應(yīng)場(chǎng)景，3D視覺廠商門也針對(duì)性的推出了相應(yīng)產(chǎn)品。
作為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域電子傳感器的領(lǐng)先制造商之一。易福門3D ToF相機(jī)自2017年開始在移動(dòng)機(jī)器人行業(yè)逐漸滲透，隨后不斷深入，目前已與國(guó)內(nèi)眾多移動(dòng)機(jī)器人廠商達(dá)成合作，被廣泛應(yīng)用于各大國(guó)內(nèi)外機(jī)器人公司的AMR上，包括各種無人叉車，各種潛伏式、重載式AGV等。不論是室內(nèi)還是室外用，避障導(dǎo)航還是末端識(shí)別對(duì)接，易福門都可提供非常完善的3D感知方案。
圖漾科技是全球領(lǐng)先的3D機(jī)器視覺供應(yīng)商，為工業(yè)和行業(yè)應(yīng)用提供高性價(jià)比的3D工業(yè)相機(jī)和配套軟件方案。圖漾科技基于創(chuàng)新并擁有核心專利的3D視覺技術(shù)，基于雙目散斑靜態(tài)結(jié)構(gòu)光和TOF技術(shù)平臺(tái)，現(xiàn)已推出FM/FS、FM-IX、PM/PS、TM/TL等四個(gè)產(chǎn)品系列、共30多個(gè)產(chǎn)品型號(hào)的量產(chǎn)產(chǎn)品矩陣，在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域，圖漾主要提供3D ToF工業(yè)相機(jī)TM461-E2、TL460-S1-E1(內(nèi)置AI邊緣算力)等產(chǎn)品。
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企業(yè) |
導(dǎo)航 |
避障 |
末端識(shí)別、對(duì)接 |
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易福門 |
O3R222，采用940nm光源，可全天候工作，包括可以直接在陽(yáng)光照射條件下使用，這幀率較高，可以一直工作在20 FPS，讓視覺里程計(jì)更加準(zhǔn)確，回環(huán)檢測(cè)更加容易，可大幅提高局部場(chǎng)景的導(dǎo)航和定位能力。 |
O3R225，采用了940nm光源，可全天候工作，并且強(qiáng)化了FoV的角度，達(dá)到了105°*78°，是市面上FoV最大的3D ToF相機(jī)。兩臺(tái)O3R225可得到超過180°的3D視野，4臺(tái)O3R225可達(dá)到360°的3D視野，同時(shí)還可持續(xù)工作在20FPS。 |
O3D303或者O3R222，這兩款產(chǎn)品可提供非常高精度的點(diǎn)云，同時(shí)點(diǎn)云密度比較高，適合托盤或者貨物的位置和角度檢測(cè)定位。 |
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圖漾科技 |
室內(nèi)中遠(yuǎn)距離：TM461-E2，0.1-10.0m測(cè)距范圍，深度視場(chǎng)角65°H * 50°V，在96.4 mm x 67.5 mm x 35.8 mm的緊湊體積內(nèi)，集成了2K RGB分辨率+ VGA 深度分辨率的2路攝像頭及邊緣計(jì)算等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)精確的動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)及視覺導(dǎo)航避障功能。 室內(nèi)外遠(yuǎn)距離：TL460-S1-E1，基于索尼背照式ToF傳感器IMX556，毫米級(jí)測(cè)量精度，深度視場(chǎng)角62°H * 49°V，支持遠(yuǎn)距離和室內(nèi)外應(yīng)用（室內(nèi)9.5m，室外4m），內(nèi)置地平線旭日X3M芯片提供等效5TOPS的本地AI算力，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)30幀/秒的RGB-D圖像采集分析、實(shí)時(shí)圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)等多功能。 |
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藍(lán)芯科技 |
Eagle-V1： 視場(chǎng)角108°×80°，幀率30fps，定位精度達(dá)+／-5mm，可提供視覺定位SDK，支持移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的定位導(dǎo)航。已在AMR產(chǎn)品中成熟應(yīng)用。 |
Eagle-M3：FOV109°×92°，抗環(huán)境光能力強(qiáng)，達(dá)150kLux，可提供避障SDK，支持移動(dòng)機(jī)器人對(duì)懸空/低矮障礙物檢測(cè)，和動(dòng)/靜態(tài)障礙物檢測(cè)。已在AMR產(chǎn)品中成熟應(yīng)用。 Eagle-S1：FOV 114°×35°，體積小便于安裝，帶避障區(qū)域設(shè)置功能，直接輸出避障控制信號(hào)，使用方法完全兼容2D避障激光雷達(dá)，用于無人叉車叉齒避障。 |
Eagle-M4：體積小便于安裝，有多種FOV可選，抗環(huán)境光能力強(qiáng)，可提供托盤對(duì)接SDK，支持無人叉車對(duì)托盤的對(duì)接識(shí)別。已在AMR產(chǎn)品中成熟應(yīng)用。
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圖表：部分3D視覺企業(yè)面向不同場(chǎng)景應(yīng)用的視覺傳感器產(chǎn)品
未來方向：更高分辨率、更快幀率、更好環(huán)境適應(yīng)性
隨著移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用不斷深入，要讓機(jī)器人看見世界、看清世界、看懂世界，市場(chǎng)將對(duì)其感知能力提出了更高的要求，而3D視覺技術(shù)的發(fā)展正好契合了這種需求。
圖漾科技相關(guān)負(fù)責(zé)人表示：“視覺傳感器技術(shù)的發(fā)展從早期的單點(diǎn)感應(yīng)傳感器，到2D視覺傳感器，一直到現(xiàn)在3D視覺傳感器。3D視覺傳感器更接近于人眼的傳感原理，使得3D視覺傳感技術(shù)成為目前物流移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的趨勢(shì)，3D視覺技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人上的應(yīng)用，拓展了移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，增強(qiáng)了移動(dòng)機(jī)器人的智力感和可靠性，也加速推動(dòng)了移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。”
易福門方面也提到，近幾年，3D視覺技術(shù)的發(fā)展讓移動(dòng)機(jī)器人裝上眼睛，后期它對(duì)眼睛的需求會(huì)越來越大。
但整體來看，當(dāng)前3D視覺在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用尚在初期階段。未來，隨著移動(dòng)機(jī)器人不斷更新迭代，應(yīng)用環(huán)境的愈加多樣化，對(duì)3D視覺系統(tǒng)也將有著更為嚴(yán)苛的要求，這也將刺激3D視覺系統(tǒng)升級(jí)。
易福門相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，隨著移動(dòng)機(jī)器人的不斷發(fā)展，對(duì)于3D相機(jī)的需求也將不斷提升，如更高的分辨率，更快的幀率，更好的環(huán)境適應(yīng)性等，這些都是未來發(fā)展的方向，“我們需要根據(jù)機(jī)器人廠商的需要，去提供更適配的產(chǎn)品。”
