3D視覺(jué)主要技術(shù)路徑
3D傳感器作為3D視覺(jué)的眼睛，通過(guò)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據，實(shí)現三維信息采集。目前3D視覺(jué)傳感器主要有雙目相機、結構光相機及TOF（Time of flight）相機。
·3D結構光技術(shù)原理：采用紅外光源，發(fā)射出來(lái)的光經(jīng)過(guò)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(lái)時(shí)，隨著(zhù)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(lái)，基于三角定位法，通過(guò)計算拍下來(lái)的圖案里的每個(gè)像素的變形量，來(lái)得到對應的視差，從而進(jìn)一步測算深度值。
·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(guò)探測光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來(lái)計算被測物體離相機的距離。TOF目前市場(chǎng)上有兩種主流方案 dTof和iTof。行業(yè)人士認為，未來(lái)，dtof會(huì )逐漸取代itof方案，因為dtof在很多關(guān)鍵性能方面對于itof都有絕對優(yōu)勢，如分辨率，精度對距離感知不明顯，超低功耗，抗干擾能力強，標定方式簡(jiǎn)單。但其技術(shù)壁壘較高，系統集成度高，供應鏈資源少。
·雙目立體視覺(jué)技術(shù)原理：通過(guò)從兩個(gè)視點(diǎn)觀(guān)察同一物體，從而來(lái)獲得同一物體在不同視角下的圖像。通過(guò)三角測量原理來(lái)計算圖像像素間的位置偏差（視差）來(lái)獲取物體的三維圖像，過(guò)程跟人類(lèi)眼睛的工作原理相似。在雙目立體視覺(jué)系統的硬件結構中，通常采用兩個(gè)攝像機作為視覺(jué)信號的采集設備，通過(guò)雙輸入通道圖像采集卡與計算機連接，把攝像機采集到的模擬信號經(jīng)過(guò)采樣、濾波、強化、模數轉換，最終向計算機提供圖像數據。
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技術(shù)路線(xiàn) |
雙目 |
結構光 |
ToF |
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立體雙目 （被動(dòng)） |
雙目結構光 （主動(dòng)） |
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優(yōu)點(diǎn) |
技術(shù)成熟、系統成本低、室內外有一定兼容能力 |
主動(dòng)添加物理紋理、解決單一紋理環(huán)境問(wèn)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) 毫米級精度 、功耗低 |
算法簡(jiǎn)單、測距更遠、幀率高、光照影響小、不同距離精度變化小、兼容室內外動(dòng)態(tài)場(chǎng)景 |
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缺點(diǎn) |
單一紋理環(huán)境無(wú)法識別、強暗光影響大、視覺(jué)匹配算法復雜 |
遠距離精度差、強光環(huán)境不適用 |
遠距離精度相對較差，隨著(zhù)距離的拉長(cháng)，投影圖案變大，精度也隨之變差，室外強光照不宜使用，強光干擾 |
功耗大、中等精度 |
3D視覺(jué)在移動(dòng)機器人領(lǐng)域的應用
隨著(zhù)視覺(jué)技術(shù)逐步從2D向3D過(guò)渡，3D視覺(jué)傳感器以深度感知能力，在三維空間實(shí)時(shí)感應、目標物體精準識別、多重障礙檢測避障、智能決策及自動(dòng)化引導等方面占據領(lǐng)先技術(shù)優(yōu)勢，目前已大批量應用在物流電商、自動(dòng)化、制造業(yè)廠(chǎng)內物流、工業(yè)及服務(wù)機器人、商業(yè)等多元化場(chǎng)景，應用邊界不斷拓寬。
在移動(dòng)機器人領(lǐng)域，3D視覺(jué)主要用于導航、避障以及末端物料識別、對接。
準確感知復雜環(huán)境是移動(dòng)機器人的首要任務(wù)。“環(huán)境”在這里包含多重含義，以無(wú)人叉車(chē)叉取托盤(pán)為例，既包含室內外不同光照強度的干擾、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(lèi)型的物體、是否有人誤入需要減慢或暫停、前方托盤(pán)是空載還是滿(mǎn)載、滿(mǎn)載托盤(pán)的插孔位在哪里、又如何規劃叉取路線(xiàn)等。
簡(jiǎn)化邏輯就是，基于視覺(jué)感知的移動(dòng)機器人準確識別周?chē)h(huán)境，要避開(kāi)動(dòng)靜態(tài)障礙物（避障），動(dòng)態(tài)接近至到達目標物體（導航），并與目標物體正確交互（目標探測、定位識別）。
·導航
專(zhuān)注于視覺(jué)導航移動(dòng)機器人開(kāi)發(fā)的藍芯科技表示，3D視覺(jué)SLAM無(wú)人叉車(chē)在多變場(chǎng)景、空曠環(huán)境中的應用優(yōu)勢大于2D激光SLAM機器人。
“例如在地堆型倉庫，地堆貨物隨時(shí)都在變動(dòng)，對采用激光SLAM方案的移動(dòng)機器人而言，頻繁的進(jìn)出庫、位置的時(shí)刻變化，意味著(zhù)激光雷達掃描的輪廓時(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(chē)間場(chǎng)景，車(chē)間內部鋼結構立柱間距較大，地面缺少其他固定參照物。激光SLAM機器人在這類(lèi)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(jué)SLAM機器人通過(guò)搭載深度相機采集周?chē)h(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器人定位，因而擁有較高的場(chǎng)景適應性。”
除性能外，從成本的角度來(lái)看，當前激光傳感器的價(jià)格要遠高于3D深度相機，視覺(jué)技術(shù)的應用正好契合了移動(dòng)機器人廠(chǎng)商降成本的需求。
·避障
·末端識別、對接
導航、避障、末端識別對接……盡管都需要用到3D視覺(jué)技術(shù)，但由于各自的需求特性不同，對技術(shù)要求也會(huì )有一些差異。易福門(mén)相關(guān)負責人表示；“從細節上講，導航應用，最重要的是測距精度和幀率，避障應用，最重要的是FoV尺寸和幀率；末端識別應用，最重要的則是高測距精度和點(diǎn)云密度。”
近幾年，伴隨著(zhù)移動(dòng)機器人對3D視覺(jué)技術(shù)需求的上升，針對不同應用的不同需求，為了更好的適應場(chǎng)景，3D視覺(jué)廠(chǎng)商門(mén)也針對性的推出了相應產(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(mén)3D ToF相機自2017年開(kāi)始在移動(dòng)機器人行業(yè)逐漸滲透，隨后不斷深入，目前已與國內眾多移動(dòng)機器人廠(chǎng)商達成合作，被廣泛應用于各大國內外機器人公司的AMR上，包括各種無(wú)人叉車(chē)，各種潛伏式、重載式AGV等。不論是室內還是室外用，避障導航還是末端識別對接，易福門(mén)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機器視覺(jué)供應商，為工業(yè)和行業(yè)應用提供高性?xún)r(jià)比的3D工業(yè)相機和配套軟件方案。圖漾科技基于創(chuàng )新并擁有核心專(zhuān)利的3D視覺(jué)技術(shù)，基于雙目散斑靜態(tài)結構光和TOF技術(shù)平臺，現已推出FM/FS、FM-IX、PM/PS、TM/TL等四個(gè)產(chǎn)品系列、共30多個(gè)產(chǎn)品型號的量產(chǎn)產(chǎn)品矩陣，在移動(dòng)機器人領(lǐng)域，圖漾主要提供3D ToF工業(yè)相機TM461-E2、TL460-S1-E1(內置AI邊緣算力)等產(chǎn)品。
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企業(yè) |
導航 |
避障 |
末端識別、對接 |
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易福門(mén) |
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(jué)里程計更加準確，回環(huán)檢測更加容易，可大幅提高局部場(chǎng)景的導航和定位能力。 |
O3R225，采用了940nm光源，可全天候工作，并且強化了FoV的角度，達到了105°*78°，是市面上FoV最大的3D ToF相機。兩臺O3R225可得到超過(guò)180°的3D視野，4臺O3R225可達到360°的3D視野，同時(shí)還可持續工作在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(pán)或者貨物的位置和角度檢測定位。 |
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圖漾科技 |
室內中遠距離：TM461-E2，0.1-10.0m測距范圍，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，集成了2K RGB分辨率+ VGA 深度分辨率的2路攝像頭及邊緣計算等功能，能夠實(shí)現實(shí)時(shí)精確的動(dòng)態(tài)目標檢測及視覺(jué)導航避障功能。 室內外遠距離：TL460-S1-E1，基于索尼背照式ToF傳感器IMX556，毫米級測量精度，深度視場(chǎng)角62°H * 49°V，支持遠距離和室內外應用（室內9.5m，室外4m），內置地平線(xiàn)旭日X3M芯片提供等效5TOPS的本地AI算力，可實(shí)現高達30幀/秒的RGB-D圖像采集分析、實(shí)時(shí)圖像處理和機器學(xué)習等多功能。 |
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藍芯科技 |
Eagle-V1： 視場(chǎng)角108°×80°，幀率30fps，定位精度達+／-5mm，可提供視覺(jué)定位SDK，支持移動(dòng)機器人在復雜環(huán)境下的定位導航。已在A(yíng)MR產(chǎn)品中成熟應用。 |
Eagle-M3：FOV109°×92°，抗環(huán)境光能力強，達150kLux，可提供避障SDK，支持移動(dòng)機器人對懸空/低矮障礙物檢測，和動(dòng)/靜態(tài)障礙物檢測。已在A(yíng)MR產(chǎn)品中成熟應用。 Eagle-S1：FOV 114°×35°，體積小便于安裝，帶避障區域設置功能，直接輸出避障控制信號，使用方法完全兼容2D避障激光雷達，用于無(wú)人叉車(chē)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，可提供托盤(pán)對接SDK，支持無(wú)人叉車(chē)對托盤(pán)的對接識別。已在A(yíng)MR產(chǎn)品中成熟應用。
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圖表：部分3D視覺(jué)企業(yè)面向不同場(chǎng)景應用的視覺(jué)傳感器產(chǎn)品
未來(lái)方向：更高分辨率、更快幀率、更好環(huán)境適應性
隨著(zhù)移動(dòng)機器人應用不斷深入，要讓機器人看見(jiàn)世界、看清世界、看懂世界，市場(chǎng)將對其感知能力提出了更高的要求，而3D視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展正好契合了這種需求。
圖漾科技相關(guān)負責人表示：“視覺(jué)傳感器技術(shù)的發(fā)展從早期的單點(diǎn)感應傳感器，到2D視覺(jué)傳感器，一直到現在3D視覺(jué)傳感器。3D視覺(jué)傳感器更接近于人眼的傳感原理，使得3D視覺(jué)傳感技術(shù)成為目前物流移動(dòng)機器人導航技術(shù)的趨勢，3D視覺(jué)技術(shù)在移動(dòng)機器人上的應用，拓展了移動(dòng)機器人的應用領(lǐng)域，增強了移動(dòng)機器人的智力感和可靠性，也加速推動(dòng)了移動(dòng)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。”
易福門(mén)方面也提到，近幾年，3D視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展讓移動(dòng)機器人裝上眼睛，后期它對眼睛的需求會(huì )越來(lái)越大。
但整體來(lái)看，當前3D視覺(jué)在移動(dòng)機器人領(lǐng)域的應用尚在初期階段。未來(lái)，隨著(zhù)移動(dòng)機器人不斷更新迭代，應用環(huán)境的愈加多樣化，對3D視覺(jué)系統也將有著(zhù)更為嚴苛的要求，這也將刺激3D視覺(jué)系統升級。
易福門(mén)相關(guān)負責人表示，隨著(zhù)移動(dòng)機器人的不斷發(fā)展，對于3D相機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)境適應性等，這些都是未來(lái)發(fā)展的方向，“我們需要根據機器人廠(chǎng)商的需要，去提供更適配的產(chǎn)品。”
