機(jī)床商務(wù)網(wǎng)技術(shù)文章
機(jī)器視覺(jué)加速?gòu)?D走向3D
閱讀：244 發(fā)布時(shí)間：2022-4-3機(jī)器視覺(jué)是指利用相機(jī)、攝像機(jī)等傳感器，配合機(jī)器視覺(jué)算法賦予智能設(shè)備人眼的功能，從而進(jìn)行物體的識(shí)別、檢測(cè)、測(cè)量等功能。機(jī)器視覺(jué)是在上世紀(jì) 50 年代從統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別開(kāi)始的，當(dāng)時(shí)的工作主要集中在二維圖像分析和識(shí)別。隨著 5G、AI 等技術(shù)的不斷發(fā)展，行業(yè)應(yīng)用需求的不斷提升，機(jī)器視覺(jué)從二維向三維過(guò)渡不但成為可能，更是必須的方向。機(jī)器視覺(jué)從2D進(jìn)化到3D立體“視界"，常見(jiàn)常用的刷臉支付、Face ID、VR、無(wú)人便利店、智能機(jī)器人等產(chǎn)品技術(shù)，背后關(guān)鍵的科技便是3D視覺(jué)技術(shù)。在過(guò)去幾年里，3D視覺(jué)概念迭出，大量資本涌入這個(gè)賽道，新進(jìn)企業(yè)眾多。業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，3D視覺(jué)在工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)值和產(chǎn)出，可能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于消費(fèi)領(lǐng)域，但因?yàn)闈B透率很低，推進(jìn)速度不夠快，當(dāng)前3D工業(yè)相機(jī)的規(guī)模在幾億美金區(qū)間，設(shè)備和軟件在20億美金水平，但行業(yè)市場(chǎng)有50倍以上的滲透率增長(zhǎng)空間。
從2D到3D的賽道變化2D技術(shù)起步較早，技術(shù)也相對(duì)成熟，在過(guò)去的30年中已被證明在廣泛的自動(dòng)化和產(chǎn)品質(zhì)量控制過(guò)程中非常有效。2D技術(shù)根據(jù)灰度或彩色圖像中對(duì)比度的特征提供結(jié)果。2D適用于缺失/存在檢測(cè)、離散對(duì)象分析、圖案對(duì)齊、條形碼和光學(xué)字符識(shí)別(OCR)以及基于邊緣檢測(cè)的各種二維幾何分析，用于擬合線條、弧線、圓形及其關(guān)系(距離，角度，交叉點(diǎn)等)。3D視覺(jué)利用近紅外線光來(lái)掃描周?chē)h(huán)境，再由CMOS圖像傳感器接收并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，
最后通過(guò)芯片計(jì)算出物體在三維空間中的遠(yuǎn)近與相對(duì)位置，因此能了解物體的動(dòng)作、與環(huán)境的互動(dòng)，由此即能發(fā)展出由動(dòng)作控制計(jì)算機(jī)的體感操控，檢測(cè)出前方的物體等。
由于2D視覺(jué)逐漸無(wú)法滿足對(duì)復(fù)雜對(duì)象識(shí)別和尺寸測(cè)量精度日益增加的要求，因此也催生了3D視覺(jué)的增長(zhǎng)。從2D轉(zhuǎn)向3D，需要所獲取信息質(zhì)量和數(shù)量的飛躍。相對(duì)來(lái)說(shuō)，
2D視覺(jué)市場(chǎng)積淀深，3D視覺(jué)方案只有達(dá)到一定的成熟度，才可以全面實(shí)現(xiàn)2D向3D的轉(zhuǎn)變。過(guò)去工業(yè)生產(chǎn)采用的機(jī)械臂都是盲取，閉著眼睛照著設(shè)定好的路徑加工，沒(méi)有更高階的智慧判斷。如果采用3D視覺(jué)后，就可以在更復(fù)雜的環(huán)境里更精準(zhǔn)的夾取物件。業(yè)界認(rèn)為，從2D到3D的過(guò)渡將成為繼黑白到彩色，低分辨率到高分辨率以及靜態(tài)圖像到電影之后的第四次革命。但是3D機(jī)器視覺(jué)技術(shù)門(mén)檻高，涉及到光學(xué)、結(jié)構(gòu)、散熱等跨學(xué)科設(shè)計(jì)問(wèn)題，再加上芯片、算法構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要一定的技術(shù)實(shí)力，投入足夠的時(shí)間和人才，才可以研發(fā)相關(guān)方案。技術(shù)門(mén)檻高、投入大、研發(fā)企業(yè)少都是3D視覺(jué)發(fā)展路上的攔路虎。在3D視覺(jué)興起之后，選擇2D視覺(jué)還是3D視覺(jué)，成為一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題。有業(yè)內(nèi)人士表示，
3D視覺(jué)將全面替代2D視覺(jué);但也有觀點(diǎn)認(rèn)為，3D視覺(jué)價(jià)格高，在可以應(yīng)用2D視覺(jué)的場(chǎng)合，沒(méi)有必要用3D視覺(jué);當(dāng)然還有第三方觀點(diǎn)認(rèn)為，2D視覺(jué)和3D視覺(jué)可以融合應(yīng)用。就具體技術(shù)角度而言，2D顏色和3D幾何數(shù)據(jù)的采集是從兩個(gè)不同的物理通道進(jìn)行的。從落地來(lái)看，目前3D主要應(yīng)用于大型工業(yè)制造業(yè)企業(yè)、物流、智慧城市監(jiān)控，以及少部分消費(fèi)應(yīng)用場(chǎng)景等，從探索到突破，在落地的路上逐顯繁榮。
3D視覺(jué)的不同技術(shù)形態(tài)目前市場(chǎng)上主流的有四種3D視覺(jué)技術(shù)，雙目視覺(jué)、TOF、結(jié)構(gòu)光3D成像和激光三角測(cè)量。
1.雙目視覺(jué)
雙目技術(shù)是目前較為廣泛的3D視覺(jué)系統(tǒng)，它的原理就像我們?nèi)说膬芍谎劬?，用兩個(gè)視點(diǎn)觀察同一景物以獲取在不同視角下的感知圖像，然后通過(guò)三角測(cè)量原理計(jì)算圖像的視差，來(lái)獲取景物的三維信息 。
由于雙目技術(shù)原理簡(jiǎn)單，不需要使用特殊的發(fā)射器和接收器，只需要在自然光照下就能獲得三維信息，所以雙目技術(shù)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)靈活和成本低的優(yōu)點(diǎn)。適合于制造現(xiàn)場(chǎng)的在線、產(chǎn)品檢測(cè)和質(zhì)量控制，不過(guò)雙目技術(shù)的劣勢(shì)是算法復(fù)雜，計(jì)算量大，而且光照較暗或者過(guò)度曝光的情況下效果差。
2.3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)
它通過(guò)一個(gè)光源投射出一束結(jié)構(gòu)光，這結(jié)構(gòu)光可不是普通的光，而是具備一定結(jié)構(gòu)(比如黑白相間)的光線打到想要測(cè)量的物體上表面，因?yàn)槲矬w有不同的形狀，會(huì)對(duì)這樣的一些條紋或斑點(diǎn)發(fā)生不同的變形，有這樣的變形之后，通過(guò)算法可以計(jì)算出距離、形狀、尺寸等信息從而獲得物體的三維圖像。
3. 激光三角測(cè)量法
它基于光學(xué)三角原理，根據(jù)光源、物體和檢測(cè)器三者之間的幾何成像關(guān)系，來(lái)確定空間物體各點(diǎn)的三維坐標(biāo) 。
通常用激光作為光源，用CCD相機(jī)作為檢測(cè)器，具有結(jié)構(gòu)光3D視覺(jué)的優(yōu)點(diǎn)，精準(zhǔn)、快速、成本低。4. TOF飛行時(shí)間法成像技術(shù)TOF是Time Of Flight的簡(jiǎn)寫(xiě)。它的原理通過(guò)給目標(biāo)物連續(xù)發(fā)送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過(guò)探測(cè)光脈沖的飛行時(shí)間來(lái)得到目標(biāo)物距離。
TOF的核心部件是光源和感光接收模塊，由于TOF是根據(jù)公式直接輸出深度信息，不需要用類(lèi)似雙目視覺(jué)的算法來(lái)計(jì)算，所以具有響應(yīng)快、軟件簡(jiǎn)單、識(shí)別距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，而且由于不需要進(jìn)行灰度圖像的獲取與分析，因此不受外界光源物體表面性質(zhì)影響。典型的TOF 3D掃描系統(tǒng)每秒可測(cè)量物體上10,000至100,000個(gè)點(diǎn)的距離。不過(guò)TOF技術(shù)的缺點(diǎn)是：分辨率低、不能精密成像、而且成本高。總的來(lái)說(shuō)，無(wú)論是立體視覺(jué)、結(jié)構(gòu)光、激光三角測(cè)量還是TOF，沒(méi)有哪種技術(shù)是更好的，只有哪種技術(shù)是更適合的。
3D或?qū)⒊蔀橹髁鳈C(jī)器人、自動(dòng)駕駛、金融支付已經(jīng)體現(xiàn)出對(duì)3D視覺(jué)的強(qiáng)需求，當(dāng)然，還有虛實(shí)相融的元宇宙，AR、VR等XR設(shè)備和3D交互需求已經(jīng)凸顯。這些需求帶來(lái)了龐大的市場(chǎng)，但這也是極度碎片化的市場(chǎng)。GGII數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)到2023年我國(guó)機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到208.6億元，其中3D視覺(jué)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到34.28億元，預(yù)計(jì)到2025年我國(guó)3D視覺(jué)市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)100億元。在這個(gè)未來(lái)的百億級(jí)市場(chǎng)中，3D視覺(jué)將趨于智能化、集成化、實(shí)時(shí)性、高性能、多場(chǎng)景應(yīng)用等方向。2D視覺(jué)雖為當(dāng)前主流，但隨著測(cè)量精度要求越來(lái)越高，被測(cè)物體條件越來(lái)越復(fù)雜，2D系統(tǒng)的缺陷也愈發(fā)突出，而3D視覺(jué)技術(shù)不斷獲得突破，在精度、靈活性和速度方面都是2D的，所以3D機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)有取代2D系統(tǒng)的趨勢(shì)，相信3D視覺(jué)未來(lái)將成為主流視覺(jué)系統(tǒng)。