3D傳感有什么作用發(fā)展歷程是怎樣的3D傳感如何讓機(jī)器“看”世界

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，隨著3D傳感模組價(jià)格的下降和性能的提升，3D視覺或深度傳感正不斷賦能各種新應(yīng)用，包括幫助機(jī)器人創(chuàng)建環(huán)境地圖并完成任務(wù)，比方如何最好地避讓人類。其他應(yīng)用還包括物體取放、組合裝配和檢測(cè)，以及將物品從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置等。這些應(yīng)用都依賴于經(jīng)濟(jì)且強(qiáng)大的3D視覺傳感器，目前，該領(lǐng)域存在多種競(jìng)爭型技術(shù)。所有這些技術(shù)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，具有不同的工作距離、分辨率、處理能力以及成本。每種技術(shù)都有其重要的市場(chǎng)價(jià)值，大體因?yàn)槟壳斑€沒有能夠應(yīng)對(duì)所有應(yīng)用場(chǎng)景的單一最佳解決方案。

3D成像在自動(dòng)駕駛汽車的環(huán)境感知方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用

“根據(jù)各種應(yīng)用所需要的性能和市場(chǎng)限制，這些技術(shù)都可以找到各自的用武之地，” Yole光電子技術(shù)和市場(chǎng)分析師Alexis Debray說道。對(duì)于3D視覺，競(jìng)爭技術(shù)包括許多種類的激光雷達(dá)（LiDAR）和飛行時(shí)間（time-of-flight，ToF）傳感器，它們發(fā)出光線并通過測(cè)量返回信號(hào)所需要的時(shí)間來獲得距離信息。還有結(jié)構(gòu)光技術(shù)，該方案通過測(cè)量投射到物體上的光圖案的變形來確定距離（也是三角測(cè)距法）。另一種技術(shù)是激光三角測(cè)量，通過激光點(diǎn)出現(xiàn)在相機(jī)視場(chǎng)中的位置提取深度。最后，還有一種技術(shù)方案是立體深度視覺傳感，通過使用兩個(gè)相機(jī)圖像特征點(diǎn)的差異來計(jì)算距離。除立體深度視覺外，上述方法都需要某種形式的照明。這在某些照明不定的工業(yè)環(huán)境中可能是優(yōu)勢(shì)，但照明確實(shí)增加了功耗，如果是電池供電型設(shè)備就可能會(huì)帶來供電問題。供電與照明現(xiàn)在，這幾種3D傳感技術(shù)在功率和尺寸方面都有了顯著的改善?！袄纾Y(jié)構(gòu)光深度傳感，2009年時(shí)的功耗約為10W，模組大概有一塊磚頭那么大，而現(xiàn)在，尺寸僅為拇指指甲大小的飛行時(shí)間模組，功耗僅需250mW，”飛行時(shí)間傳感器制造商pmd technologies（以下簡稱pmd）銷售和業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁Mitch Reifel介紹說。

3D視覺或深度成像解決方案的發(fā)展演變。上圖是三種性能大致相當(dāng)?shù)慕鉀Q方案，使用了兩種不同的技術(shù)方案（結(jié)構(gòu)光和飛行時(shí)間）。十年來，尺寸都大約縮小了十倍。受益于這些技術(shù)的進(jìn)步，新應(yīng)用才能層出不窮，例如大型倉庫中移動(dòng)排架的機(jī)器人。深度傳感可以幫助機(jī)器人識(shí)別哪些是貨架，并幫助它們跟蹤架子上的物體。美國賓夕法尼亞州ifm efector公司的機(jī)器人感知業(yè)務(wù)開發(fā)負(fù)責(zé)人Garrett Place表示，深度傳感技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。這家美國公司是德國ifm electronic的子公司，ifm electronic是擁有pmd的自動(dòng)化解決方案供應(yīng)商。得益于更好的3D視覺，一項(xiàng)新應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，那便是卸垛。顧名思義，這項(xiàng)應(yīng)用包括利用機(jī)器人從托盤上取下貨物，并將它們放在傳送帶上。這在工廠進(jìn)貨時(shí)很常見。3D相機(jī)的使用能夠更快地定位貨物，從而提高操作效率?！俺藱C(jī)器人本身的移動(dòng)之外，在完成一件搬運(yùn)到拾取下一件之間沒有任何延時(shí)，”Place說，“這太強(qiáng)大了，平均每件貨物可以節(jié)省3~5秒。”另一個(gè)新應(yīng)用案例是自動(dòng)叉車。在這項(xiàng)任務(wù)中，自動(dòng)駕駛叉車必須精確定位它需要移動(dòng)叉起的貨物。使用3D相機(jī)收集所需要的信息，可以更快、更準(zhǔn)確地完成任務(wù)，從而提高操作的速度和安全性。在服務(wù)業(yè)也可以找到3D模組價(jià)格下跌所帶來的新興應(yīng)用。例如，利用機(jī)器人手臂為人提供飲料或其他物體，深度傳感可以確保物品被安全地傳送。但是當(dāng)機(jī)器人手臂接近目的位置時(shí)，手臂、物體或兩者都可能阻擋機(jī)器人“視線”。因而，可以在機(jī)器人手臂中安裝成本低廉的3D傳感器，以提供近距離3D視圖，從而提高安全性和性能。不過，這樣做需要3D相機(jī)之間的同步和數(shù)據(jù)疊加，以及與所有其他傳感器的信息融合。當(dāng)多種3D技術(shù)一起應(yīng)用時(shí)，這種信息的融合就會(huì)變得非常重要，使用以色列Newsight Imaging公司的產(chǎn)品時(shí)便是如此。Newsight Imaging首席執(zhí)行官兼公司聯(lián)合創(chuàng)始人Eli Assoolin表示，Newsight Imaging提供基于激光三角測(cè)量和增強(qiáng)型ToF解決方案，目的是創(chuàng)建距離數(shù)據(jù)的點(diǎn)云。

采用結(jié)構(gòu)光技術(shù)的手持式掃描儀，可在4.5m外捕捉精確的3D數(shù)據(jù)

收集此類數(shù)據(jù)的成本已經(jīng)大幅下降，從幾年前基于激光雷達(dá)解決方案的數(shù)萬美元下降到今天的幾百美元。Assoolin表示，使用其他3D傳感技術(shù)的解決方案甚至更便宜，可能只需數(shù)十美元。成本還會(huì)持續(xù)下降，甚至可能加速下降，因?yàn)?D成像將很快出現(xiàn)在每部智能手機(jī)中。這種技術(shù)還不能直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，但是芯片的大規(guī)模上量，意味著非消費(fèi)類應(yīng)用的價(jià)格也會(huì)跟著下降。至于這些新的深度傳感解決方案可以有哪些應(yīng)用，一種可能是檢測(cè)，Assoolin說。目前，先進(jìn)的傳感器可以在相對(duì)較近的距離，進(jìn)行幾個(gè)點(diǎn)的線捕捉。Newsight現(xiàn)在提供的芯片可以大幅改善檢測(cè)，并可以在更廣泛的環(huán)境中進(jìn)行部署?！拔覀兊男酒棵脒\(yùn)行40000幀，能夠檢測(cè)出微米級(jí)的缺陷，”Assoolin說道，“我們可以讓一切變得更快、更準(zhǔn)確、更經(jīng)濟(jì)。”

價(jià)格下降和性能提升使新的3D成像應(yīng)用成為可能，例如門禁控制

以色列Mantis Vision公司首席商務(wù)官Shabtay Negry稱，在工業(yè)環(huán)境中考量3D視覺應(yīng)用時(shí)，環(huán)境會(huì)對(duì)應(yīng)用和性能產(chǎn)生重大影響。Mantis Vision提供3D掃描、成像和視頻捕捉解決方案。這些都是基于結(jié)構(gòu)光的專利算法，可在數(shù)據(jù)質(zhì)量方面提供最精準(zhǔn)的模型，Negry說。溫度和振動(dòng)影響3D傳感精度溫度變化和振動(dòng)會(huì)降低3D傳感精度，而這兩種情況在工廠車間或其他工業(yè)環(huán)境中很常見。溫度變化一般趨于連續(xù)變化，而發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、關(guān)閉或物體相互撞擊時(shí)，振動(dòng)往往會(huì)引起劇烈的干擾。兩者都會(huì)引起結(jié)構(gòu)光圖案偏移，從而可能導(dǎo)致3D傳感結(jié)果的不準(zhǔn)確。因此，需要采取必要的措施來應(yīng)對(duì)這些影響，Negry說。就Mantis Vision而言，該公司的產(chǎn)品使用了專有方法進(jìn)行即時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)，從而校正環(huán)境影響。關(guān)于新興應(yīng)用，用于游戲和娛樂目的的實(shí)時(shí)3D流媒體應(yīng)用，也可以用于工業(yè)培訓(xùn)和模擬。例如，指導(dǎo)人員可以演示如何執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)，利用多個(gè)3D傳感器和其他傳感器捕獲每一個(gè)動(dòng)作。然后系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離復(fù)制演示?！笆褂枚鄠€(gè)同步傳感器的實(shí)時(shí)3D流媒體，開辟了新的交流方式和新的市場(chǎng)，”Negry說。Teledyne DALSA工業(yè)事業(yè)部項(xiàng)目和產(chǎn)品經(jīng)理Raymond Boridy說，3D系統(tǒng)性能的改進(jìn)確實(shí)擴(kuò)大了可能的應(yīng)用領(lǐng)域。這家總部位于蒙特利爾的系統(tǒng)制造商正在推出一系列激光三角測(cè)量產(chǎn)品。其他Teledyne事業(yè)部提供ToF和立體視覺技術(shù)。Boridy說：“激光三角測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步提高了速度，改善了輸出，精準(zhǔn)度更高。Teledyne DALSA的產(chǎn)品能夠以10微米級(jí)的精度區(qū)分物體，這在進(jìn)行高精度檢測(cè)時(shí)非常重要?！薄拔覀兡軌蚍直嫘〉絻H有20微米的劃痕、缺陷、孔洞，”Boridy說。這種性能在某些環(huán)境非常有用。不過，大部分應(yīng)用不需要這樣的精細(xì)檢測(cè)。但確實(shí)需要檢測(cè)結(jié)果的可重復(fù)性，發(fā)現(xiàn)缺陷的能力和速度。因此，3D視覺系統(tǒng)必須符合應(yīng)用要求，利用單一某種深度傳感技術(shù)可能無法做到最優(yōu)。這就是為什么目前所有技術(shù)方案都占有一定的市場(chǎng)份額，并沒有哪種技術(shù)方案對(duì)于所有應(yīng)用都具有明確的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。然而，拋開3D傳感技術(shù)層面，完整的3D傳感解決方案需要的不僅僅是成像，因?yàn)閮H測(cè)量距離是不夠的，還需要多傳感器數(shù)據(jù)融合、人工智能算法等。自動(dòng)駕駛汽車應(yīng)用的深度感知激光雷達(dá)技術(shù)，就能很好的說明這一點(diǎn)。“激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)必須通過人工智能計(jì)算、轉(zhuǎn)譯并與其他傳感器融合。這是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)，如果沒有得到妥善解決，會(huì)使激光雷達(dá)失去意義，”Yole的Debray談到這種情況時(shí)，強(qiáng)調(diào)了完整解決方案的必要性。