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)，實現(xiàn)三維信息采集。目前3D視覺傳感器主要有雙目相機、結(jié)構(gòu)光相機及TOF（Time of flight）相機。
·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，隨著物體距離的不同會發(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，通過計算拍下來的圖案里的每個像素的變形量，來得到對應(yīng)的視差，從而進一步測算深度值。
·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，通過探測光脈沖的飛行（往返）時間來計算被測物體離相機的距離。TOF目前市場上有兩種主流方案 dTof和iTof。行業(yè)人士認為，未來，dtof會逐漸取代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(biāo)定方式簡單。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：通過從兩個視點觀察同一物體，從而來獲得同一物體在不同視角下的圖像。通過三角測量原理來計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，通常采用兩個攝像機作為視覺信號的采集設(shè)備，通過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)過采樣、濾波、強化、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終向計算機提供圖像數(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） |
雙目結(jié)構(gòu)光 （主動） |
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優(yōu)點 |
技術(shù)成熟、系統(tǒng)成本低、室內(nèi)外有一定兼容能力 |
主動添加物理紋理、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） |
主動投影，適合弱光照使用、近距離(1米內(nèi)) 毫米級精度 、功耗低 |
算法簡單、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(nèi)外動態(tài)場景 |
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缺點 |
單一紋理環(huán)境無法識別、強暗光影響大、視覺匹配算法復(fù)雜 |
遠距離精度差、強光環(huán)境不適用 |
遠距離精度相對較差，隨著距離的拉長，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視覺在移動機器人領(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，在三維空間實時感應(yīng)、目標(biāo)物體精準(zhǔn)識別、多重障礙檢測避障、智能決策及自動化引導(dǎo)等方面占據(jù)領(lǐng)先技術(shù)優(yōu)勢，目前已大批量應(yīng)用在物流電商、自動化、制造業(yè)廠內(nèi)物流、工業(yè)及服務(wù)機器人、商業(yè)等多元化場景，應(yīng)用邊界不斷拓寬。
在移動機器人領(lǐng)域，3D視覺主要用于導(dǎo)航、避障以及末端物料識別、對接。
準(zhǔn)確感知復(fù)雜環(huán)境是移動機器人的首要任務(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)外不同光照強度的干擾、前方是否有障礙、行進路面是否空闊平坦，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。
簡化邏輯就是，基于視覺感知的移動機器人準(zhǔn)確識別周圍環(huán)境，要避開動靜態(tài)障礙物（避障），動態(tài)接近至到達目標(biāo)物體（導(dǎo)航），并與目標(biāo)物體正確交互（目標(biāo)探測、定位識別）。
·導(dǎo)航
專注于視覺導(dǎo)航移動機器人開發(fā)的藍芯科技表示，3D視覺SLAM無人叉車在多變場景、空曠環(huán)境中的應(yīng)用優(yōu)勢大于2D激光SLAM機器人。
“例如在地堆型倉庫，地堆貨物隨時都在變動，對采用激光SLAM方案的移動機器人而言，頻繁的進出庫、位置的時刻變化，意味著激光雷達掃描的輪廓時刻在變，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機器人在這類場景下掃描的點云稀疏，定位的可靠性大大減弱。而視覺SLAM機器人通過搭載深度相機采集周圍環(huán)境圖像，采集的環(huán)境信息豐富，生成稠密點云圖，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)前激光傳感器的價格要遠高于3D深度相機，視覺技術(shù)的應(yīng)用正好契合了移動機器人廠商降成本的需求。
·避障
·末端識別、對接
導(dǎo)航、避障、末端識別對接……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，對技術(shù)要求也會有一些差異。易福門相關(guān)負責(zé)人表示；“從細節(jié)上講，導(dǎo)航應(yīng)用，最重要的是測距精度和幀率，避障應(yīng)用，最重要的是FoV尺寸和幀率；末端識別應(yīng)用，最重要的則是高測距精度和點云密度。”
近幾年，伴隨著移動機器人對3D視覺技術(shù)需求的上升，針對不同應(yīng)用的不同需求，為了更好的適應(yīng)場景，3D視覺廠商門也針對性的推出了相應(yīng)產(chǎn)品。
作為工業(yè)自動化領(lǐng)域電子傳感器的領(lǐng)先制造商之一。易福門3D ToF相機自2017年開始在移動機器人行業(yè)逐漸滲透，隨后不斷深入，目前已與國內(nèi)眾多移動機器人廠商達成合作，被廣泛應(yīng)用于各大國內(nèi)外機器人公司的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)航還是末端識別對接，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機器視覺供應(yīng)商，為工業(yè)和行業(yè)應(yīng)用提供高性價比的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，現(xiàn)已推出FM/FS、FM-IX、PM/PS、TM/TL等四個產(chǎn)品系列、共30多個產(chǎn)品型號的量產(chǎn)產(chǎn)品矩陣，在移動機器人領(lǐng)域，圖漾主要提供3D ToF工業(yè)相機TM461-E2、TL460-S1-E1(內(nèi)置AI邊緣算力)等產(chǎn)品。
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企業(yè) |
導(dǎo)航 |
避障 |
末端識別、對接 |
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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，讓視覺里程計更加準(zhǔn)確，回環(huán)檢測更加容易，可大幅提高局部場景的導(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180°的3D視野，4臺O3R225可達到360°的3D視野，同時還可持續(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云，同時點云密度比較高，適合托盤或者貨物的位置和角度檢測定位。 |
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圖漾科技 |
室內(nèi)中遠距離：TM461-E2，0.1-10.0m測距范圍，深度視場角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路攝像頭及邊緣計算等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)實時精確的動態(tài)目標(biāo)檢測及視覺導(dǎo)航避障功能。 室內(nèi)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，深度視場角62°H * 49°V，支持遠距離和室內(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，可實現(xiàn)高達30幀/秒的RGB-D圖像采集分析、實時圖像處理和機器學(xué)習(xí)等多功能。 |
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藍芯科技 |
Eagle-V1： 視場角108°×80°，幀率30fps，定位精度達+／-5mm，可提供視覺定位SDK，支持移動機器人在復(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，達150kLux，可提供避障SDK，支持移動機器人對懸空/低矮障礙物檢測，和動/靜態(tài)障礙物檢測。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，使用方法完全兼容2D避障激光雷達，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，可提供托盤對接SDK，支持無人叉車對托盤的對接識別。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
隨著移動機器人應(yīng)用不斷深入，要讓機器人看見世界、看清世界、看懂世界，市場將對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)負責(zé)人表示：“視覺傳感器技術(shù)的發(fā)展從早期的單點感應(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)成為目前物流移動機器人導(dǎo)航技術(shù)的趨勢，3D視覺技術(shù)在移動機器人上的應(yīng)用，拓展了移動機器人的應(yīng)用領(lǐng)域，增強了移動機器人的智力感和可靠性，也加速推動了移動機器人產(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)展讓移動機器人裝上眼睛，后期它對眼睛的需求會越來越大。
但整體來看，當(dāng)前3D視覺在移動機器人領(lǐng)域的應(yīng)用尚在初期階段。未來，隨著移動機器人不斷更新迭代，應(yīng)用環(huán)境的愈加多樣化，對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。
易福門相關(guān)負責(zé)人表示，隨著移動機器人的不斷發(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(yīng)性等，這些都是未來發(fā)展的方向，“我們需要根據(jù)機器人廠商的需要，去提供更適配的產(chǎn)品。”
