3D視覺主要技術(shù)路徑 3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)原理

3D視覺讓移動機(jī)器人看見世界、看清世界、看懂世界。

｜ 3D視覺是一個多學(xué)科相融合的技術(shù)，可以總結(jié)為：計(jì)算圖形學(xué)+計(jì)算機(jī)視覺+人工智能=3D視覺。3D視覺技術(shù)是通過3D攝像頭采集視野空間內(nèi)每個點(diǎn)位的三維座標(biāo)信息，通過算法復(fù)原獲取三維立體成像，不會輕易受到外界環(huán)境、復(fù)雜光線的影響，與2D成像技術(shù)相比更穩(wěn)定，體驗(yàn)感更強(qiáng)，安全性更高。 ? ?

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(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像素的變形量，來得到對應(yīng)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，通過探測光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來計(jì)算被測物體離相機(jī)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(rèn)為，未來，dtof會逐漸取代itof方案，因?yàn)閐tof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(qiáng)，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(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，通常采用兩個攝像機(jī)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(jì)算機(jī)連接，把攝像機(jī)采集到的模擬信號經(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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圖表：3D視覺不同技術(shù)路線優(yōu)缺點(diǎn)對比 ? ?

3D視覺在移動機(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(jī)器人、商業(yè)等多元化場景，應(yīng)用邊界不斷拓寬。 在移動機(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別、對接。 準(zhǔn)確感知復(fù)雜環(huán)境是移動機(jī)器人的首要任務(wù)?！碍h(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。 簡化邏輯就是，基于視覺感知的移動機(jī)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(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、定位識別）。

·導(dǎo)航 在導(dǎo)航方面，視覺導(dǎo)航被認(rèn)為是未來的主要方向之一。從技術(shù)的角度而言，當(dāng)前應(yīng)用較多的2D激光導(dǎo)航，只能檢測到固定平面的障礙物，對于高于或低于此平面物體都是其盲區(qū)，3D視覺技術(shù)則可以克服此缺點(diǎn)，能夠獲取現(xiàn)實(shí)三維場景完整的幾何信息，利用帶有深度信息的圖像來實(shí)現(xiàn)對于場景的精準(zhǔn)的數(shù)字化，從而實(shí)現(xiàn)高精度的識別、定位、重建、場景理解等機(jī)器視覺的關(guān)鍵功能。 專注于視覺導(dǎo)航移動機(jī)器人開發(fā)的藍(lán)芯科技表示，3D視覺SLAM無人叉車在多變場景、空曠環(huán)境中的應(yīng)用優(yōu)勢大于2D激光SLAM機(jī)器人。 “例如在地堆型倉庫，地堆貨物隨時(shí)都在變動，對采用激光SLAM方案的移動機(jī)器人而言，頻繁的進(jìn)出庫、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)用正好契合了移動機(jī)器人廠商降成本的需求。

·避障 市面上避障傳感器種類繁多，如：單線激光雷達(dá)、超聲波、碰撞條等。碰撞條通常作為最后一道暴力防撞措施；超聲波避障經(jīng)常出現(xiàn)誤判；單線激光雷達(dá)存在較大盲區(qū)（只掃描二維平面內(nèi)的障礙物，低于或高于激光的障礙物無法檢測，存在較大安全隱患）；3D視覺傳感器可彌補(bǔ)激光這一缺陷。目前移動機(jī)器人最佳避障方案應(yīng)是3D視覺傳感器＋激光雷達(dá)，——3D視覺傳感器作為中短距離精確避障，激光雷達(dá)作為遠(yuǎn)距離二維避障。因?yàn)門OF基本不存在盲區(qū)，所以目前用于AGV避障的3D視覺相機(jī)基本是TOF型的。

? ·末端識別、對接 一些倉庫貨物放置環(huán)境復(fù)雜，人工/貨車放置托盤的位置不夠精確，導(dǎo)致無人叉車依靠傳統(tǒng)的機(jī)械限位或者單目相機(jī)識別的方式無法準(zhǔn)確識別托盤，常常出現(xiàn)無人叉車對接托盤位置偏移角度較大，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)叉失敗，叉車工作效率低下。 依靠3D 視覺進(jìn)行托盤圖像采集，結(jié)合相應(yīng)圖像處理算法對叉車貨物托盤進(jìn)行識別，并得到其位置與姿態(tài)坐標(biāo)，智能調(diào)整進(jìn)叉方向從而實(shí)現(xiàn)無人化智能托盤搬運(yùn)，解決無人叉車對接托盤位置偏移角度較大的問題。同時(shí)，結(jié)合人工智能算法對托盤識別模型進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練和深度學(xué)習(xí)，可以進(jìn)一步提升其識別叉車貨物托盤與跟蹤的準(zhǔn)確性。

易福門3D ToF相機(jī)用于無人叉車棧板定位應(yīng)用 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(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(diǎn)云密度。” 近幾年，伴隨著移動機(jī)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(jī)自2017年開始在移動機(jī)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(jī)器人廠商達(dá)成合作，被廣泛應(yīng)用于各大國內(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(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，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(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。 而除了傳感器廠商外，自主開發(fā)視覺傳感器的移動機(jī)器人廠商，通過實(shí)際應(yīng)用不斷打磨迭代產(chǎn)品的移動機(jī)器人廠商，也開始將其視覺傳感器推向市場，如藍(lán)芯科技。2022年，藍(lán)芯科技開始將視覺產(chǎn)品部分獨(dú)立出來支持和賦能部分移動機(jī)器人公司。

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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(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(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)成為目前物流移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的趨勢，3D視覺技術(shù)在移動機(jī)器人上的應(yīng)用，拓展了移動機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，增強(qiáng)了移動機(jī)器人的智力感和可靠性，也加速推動了移動機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。” ? 圖漾科技3D TOF 智能工業(yè)相機(jī)TM461-E2 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(jī)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(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用尚在初期階段。未來，隨著移動機(jī)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(fù)責(zé)人表示，隨著移動機(jī)器人的不斷發(fā)展，對于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。” 藍(lán)芯科技預(yù)測，“未來，視覺感知系統(tǒng)一定是往信息更加稠密、以及多樣化角度進(jìn)行融合，因?yàn)橹挥欣诵畔⒘?，后端才能談智能化、柔性化，才能做分析，才能更安全更穩(wěn)定。感知系統(tǒng)一定是一個從前到后的過程，先有足夠信息捕獲量，再談信息處理，我們從過往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)中得到了很深的體會。從這個維度來看趨勢，感知的顆粒度只會不斷細(xì)化。”

編輯：黃飛

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