機器人視覺相機設(shè)計師指南

本文是視覺引導(dǎo)機器人 AspenCore 特別項目的一部分。隨著相機成本和尺寸的下降以及圖像處理軟件功能的增強，機器人系統(tǒng)正在出現(xiàn)新的視覺引導(dǎo)應(yīng)用程序，尤其是那些使用 3D 的應(yīng)用程序。這個特別項目通過一系列相互關(guān)聯(lián)的文章來探索圍繞這項技術(shù)的硬件、軟件和業(yè)務(wù)問題，這些文章列在這篇文章的末尾。

機器人快速準(zhǔn)確地抓取和操縱物體的能力使其非常適合執(zhí)行重復(fù)、危險或令人筋疲力盡的任務(wù)，例如零件檢查、在霧、火或水下操作或焊接。作為收集和分析信息的傳感器，攝像頭對于機器人導(dǎo)航景觀和避免與附近物體發(fā)生碰撞至關(guān)重要。不同類型的相機技術(shù)包括 2D 成像、3D 傳感、超聲波和紅外線。

機器人視覺相機背后的技術(shù)類型2D 成像技術(shù) 對于不需要深度或距離信息的機器視覺機器人來說，傳統(tǒng)的二維數(shù)碼相機是最受歡迎的選擇。雖然數(shù)碼相機看起來像膠片相機，但它們基于完全不同的科學(xué)原理。與投射數(shù)百萬個微小彩色光點或像素來組成圖像的電視不同，數(shù)碼相機捕捉從物體反彈的光粒子（光子）并將它們轉(zhuǎn)化為電信號或像素，存儲為數(shù)字。數(shù)碼照片是一長串描述每個像素的數(shù)字。在屏幕上，一長串?dāng)?shù)字被轉(zhuǎn)換成構(gòu)成圖像的像素。二維數(shù)碼相機有兩種類型：電荷耦合器件（CCD）和互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）。CCD 相機比 CMOS 相機提供更高的分辨率和更低的噪音，但也更昂貴且能效更低。這里有一個極好的選擇 2D 相機的指南。此外，最近的創(chuàng)新為 2D 相機增加了新功能。例如，Pinnacle 的高動態(tài)范圍技術(shù)能夠幫助 2D 攝像機捕獲更好的視頻和圖像。

圖 1：照片顯示了使用不同動態(tài)范圍拍攝的兩張不同圖像。具有高動態(tài)范圍能力的那個（右）產(chǎn)生了更好的結(jié)果。（圖片：Pinnacle 成像系統(tǒng)）

優(yōu)點：二維相機對物體識別很有效。他們可以清晰地定義目標(biāo)的邊緣，并以高分辨率收集目標(biāo)的許多細(xì)節(jié)。

缺點：二維相機對環(huán)境中的光線條件敏感。他們還將鏡像識別為第二個對象而不是圖像。最后，圖像捕捉是一個緩慢的過程，需要相機和物體相對靜止。

對于需要獲取 3D 信息的場景，采用超聲波、紅外或 3D 傳感技術(shù)的相機可能更合適。

3D 傳感技術(shù) 3D 傳感是機器人導(dǎo)航的強大工具，因為它提供有關(guān)物體的體積、形狀、位置、方向和距離的信息。3D 數(shù)據(jù)可以通過立體視覺、結(jié)構(gòu)光和激光三角測量等不同過程生成。立體視覺使用來自一個位置的多個 2D 相機或不同位置的一個相機的圖像使用三角測量原理計算深度。

結(jié)構(gòu)光非常適合使用投影光模式和 2D 相機系統(tǒng)測量物體的 3D 形狀。通過分析觀察到的條紋圖案，可以收集到關(guān)于物體深度的大量信息。

激光三角測量使用 2D 相機和激光。激光將一條線投射到目標(biāo)區(qū)域，二維相機捕捉反射的激光束?？梢詮亩鄰堈掌系募す馐鴱澢嬎愠鑫矬w的輪廓。但是，它比較慢并且只能處理靜止圖像，這意味著必須中斷一個進程來收集數(shù)據(jù)。

優(yōu)點：3D傳感技術(shù)在近距離測量物體時精度高，分辨率優(yōu)于超聲波和紅外，在環(huán)境雜亂時更可靠。特別是，激光三角測量適用于棘手的表面或環(huán)境光低的情況，即使對于低對比度的物體也能提供精確的數(shù)據(jù)。

缺點：3D 感應(yīng)技術(shù)無法識別鏡子或玻璃，因為它們會將反射識別為第二個物體。此外，它們對光照條件敏感，當(dāng)環(huán)境過于單調(diào)且缺乏特征時表現(xiàn)不佳。此外，它們速度慢，只能處理靜止圖像，這意味著必須中斷一個進程來收集數(shù)據(jù)。最后，3D 傳感中使用的相機價格昂貴、體積龐大且難以校準(zhǔn)。

有關(guān) 3D 成像技術(shù)的更多信息，請查看這篇關(guān)于 3D 視覺方法的EDN 文章。

超聲波技術(shù) 也稱為聲納相機，超聲波相機通過測量聲波的傳輸和接收之間的時間間隔來測量相機和物體之間的距離。超聲波相機還可以檢測附近的其他超聲波傳感器或其他帶有超聲波傳感器的機器人。

優(yōu)點：超聲波相機比其他類型的傳感器具有更長和更寬的范圍。它們不會受到光照條件（過多或不足）或空氣顆粒（如灰塵、煙霧、薄霧、蒸汽和棉絨）的影響。此外，它們不受物體的顏色、透明度或反射特性或表面紋理的影響。因此，超聲波相機適用于測量液位和距離、檢測物體以及避免在陸地或水下發(fā)生碰撞。

缺點：超聲波相機在定義目標(biāo)邊緣方面很差。此外，它們適用于具有高密度和反射表面的目標(biāo)，但不適用于泡沫或布等低密度物體。它們還受到噪音、溫度、濕度和壓力的影響。最后，它們需要最小的感應(yīng)距離，并且無法檢測到太近的物體。

紅外線技術(shù) 紅外線傳感器通過檢測物體發(fā)出的紅外線 (IR) 來工作。他們還可以通過將紅外光投射到物體并接收反射光來計算目標(biāo)物體的距離或接近度。

優(yōu)點：紅外傳感器可以大面積檢測紅外光，實時運行，性價比高。它們非常適合定義物體的邊緣，并且比超聲波傳感器更有助于識別一個物體和另一個物體。例如，它們有助于識別人和其他受熱物體，并將它們與反射圖像（例如鏡子）區(qū)分開來。此外，紅外攝像機使您能夠在煙霧或霧等低能見度條件下進行觀察。與超聲波相機一樣，紅外相機可以檢查表面下的材料，并已在建筑絕緣檢查或泄漏檢測中得到應(yīng)用。

缺點：IR傳感器對IR光和太陽光非常敏感，只能在弱光下使用。此外，紅外傳感器并非對所有材料都同樣適用，因為材料傳輸和折射紅外光的方式不同。

選擇使用哪種類型的相機每種傳感器類型都具有使其更適合某些任務(wù)而不太適合其他任務(wù)的特性。例如，超聲波傳感器適用于固體物體，但不適用于柔軟或模糊的物體。此外，它們也不善于區(qū)分一個對象和另一個對象。另一方面，雖然 3D 傳感相機提供了很高的精度，但它們無法在黑暗或水下工作。因此，在開始選擇相機之前，必須編譯機器人目標(biāo)的屬性、機器人將運行的條件以及機器人任務(wù)的目標(biāo)。

攝像頭安裝是另一個考慮因素：將攝像頭安裝在機器人手臂末端附近可以讓您更仔細(xì)地觀察物體并獲得更好的分辨率，但這也意味著攝像頭將隨著機器人移動，并且機器人必須在圖像顯示時停止采取。如果您固定相機的位置，您將犧牲分辨率以獲得連續(xù)成像。相機技術(shù)開發(fā)商正在迅速整合先進技術(shù)。例如，FLIR Systems 的 FLIR Firefly 相機系列能夠集成相機和視覺處理單元 (VPU)，并增加人工智能能力。

圖 2：FLIR Systems 的 FLIR Firefly 攝像頭系列集成了攝像頭和英特爾的 Movidius Myriad 2 視覺處理單元 (VPU)。

現(xiàn)在有無數(shù)的攝像頭可用于視覺引導(dǎo)機器人，而且每天都會有更多的攝像頭出現(xiàn)。為了幫助您沿著選擇路徑進行選擇，下面提供了一個流程圖，可幫助您確定最適合您需求的相機類型以及代表性相機供應(yīng)商圖表，以便您開始搜索。

相機選擇流程圖

相機屬性

審核編輯 黃昊宇