機(jī)器視覺

機(jī)器視覺是指利用相機(jī)、攝像機(jī)等傳感器，配合機(jī)器視覺算法賦予智能設(shè)備人眼的功能，從而進(jìn)行物體的識別、檢測、測量等功能。機(jī)器視覺是在上世紀(jì) 50 年代從統(tǒng)計模式識別開始的，當(dāng)時的工作主要集中在二維圖像分析和識別。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)器視覺從二維向三維過渡不但成為可能，更是必須的方向。

機(jī)器視覺從2D進(jìn)化到3D立體“視界”，常見常用的刷臉支付、Face ID、VR、無人便利店、智能機(jī)器人等產(chǎn)品技術(shù)，背后關(guān)鍵的科技便是3D視覺技術(shù)。

在過去幾年里，3D視覺概念迭出，大量資本涌入這個賽道，新進(jìn)企業(yè)眾多。業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，3D視覺在工業(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)市場有50倍以上的滲透率增長空間。

從2D到3D的賽道變化

2D技術(shù)起步較早，技術(shù)也相對成熟，在過去的30年中已被證明在廣泛的自動化和產(chǎn)品質(zhì)量控制過程中非常有效。

2D技術(shù)根據(jù)灰度或彩色圖像中對比度的特征提供結(jié)果。2D適用于缺失/存在檢測、離散對象分析、圖案對齊、條形碼和光學(xué)字符識別(OCR)以及基于邊緣檢測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視覺利用近紅外線光來掃描周圍環(huán)境，再由CMOS圖像傳感器接收并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后通過芯片計算出物體在三維空間中的遠(yuǎn)近與相對位置，因此能了解物體的動作、與環(huán)境的互動，由此即能發(fā)展出由動作控制計算機(jī)的體感操控，檢測出前方的物體等。

由于2D視覺逐漸無法滿足對復(fù)雜對象識別和尺寸測量精度日益增加的要求，因此也催生了3D視覺的增長。從2D轉(zhuǎn)向3D，需要所獲取信息質(zhì)量和數(shù)量的飛躍。相對來說，2D視覺市場積淀深，3D視覺方案只有達(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，沒有更高階的智慧判斷。如果采用3D視覺后，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)器視覺技術(shù)門檻高，涉及到光學(xué)、結(jié)構(gòu)、散熱等跨學(xué)科設(shè)計問題，再加上芯片、算法構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計，需要一定的技術(shù)實(shí)力，投入足夠的時間和人才，才可以研發(fā)相關(guān)方案。技術(shù)門檻高、投入大、研發(fā)企業(yè)少都是3D視覺發(fā)展路上的攔路虎。

在3D視覺興起之后，選擇2D視覺還是3D視覺，成為一個有爭議的問題。有業(yè)內(nèi)人士表示，3D視覺將全面替代2D視覺；但也有觀點(diǎn)認(rèn)為，3D視覺價格高，在可以應(yīng)用2D視覺的場合，沒有必要用3D視覺；當(dāng)然還有第三方觀點(diǎn)認(rèn)為，2D視覺和3D視覺可以融合應(yīng)用。

就具體技術(shù)角度而言，2D顏色和3D幾何數(shù)據(jù)的采集是從兩個不同的物理通道進(jìn)行的。

從落地來看，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)用場景等，從探索到突破，在落地的路上逐顯繁榮。

3D視覺的不同技術(shù)形態(tài)?

目前市場上主流的有四種3D視覺技術(shù)，雙目視覺、TOF、結(jié)構(gòu)光3D成像和激光三角測量。

總的來說，無論是立體視覺、結(jié)構(gòu)光、激光三角測量還是TOF，沒有哪種技術(shù)是更好的，只有哪種技術(shù)是更適合的。

雙目視覺

雙目技術(shù)是目前較為廣泛的3D視覺系統(tǒng)，它的原理就像我們?nèi)说膬芍谎劬Γ脙蓚€視點(diǎn)觀察同一景物以獲取在不同視角下的感知圖像，然后通過三角測量原理計算圖像的視差，來獲取景物的三維信息 。

由于雙目技術(shù)原理簡單，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)簡單、實(shí)現(xiàn)靈活和成本低的優(yōu)點(diǎn)。適合于制造現(xiàn)場的在線、產(chǎn)品檢測和質(zhì)量控制，不過雙目技術(shù)的劣勢是算法復(fù)雜，計算量大，而且光照較暗或者過度曝光的情況下效果差。

3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)

它通過一個光源投射出一束結(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）的光線打到想要測量的物體上表面，因?yàn)槲矬w有不同的形狀，會對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，通過算法可以計算出距離、形狀、尺寸等信息從而獲得物體的三維圖像。

激光三角測量法

它基于光學(xué)三角原理，根據(jù)光源、物體和檢測器三者之間的幾何成像關(guān)系，來確定空間物體各點(diǎn)的三維坐標(biāo) 。

通常用激光作為光源，用CCD相機(jī)作為檢測器，具有結(jié)構(gòu)光3D視覺的優(yōu)點(diǎn)，精準(zhǔn)、快速、成本低。

TOF飛行時間法成像技術(shù)

TOF是Time Of Flight的簡寫。它的原理通過給目標(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，通過探測光脈沖的飛行時間來得到目標(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，不需要用類似雙目視覺的算法來計算，所以具有響應(yīng)快、軟件簡單、識別距離遠(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)每秒可測量物體上10,000至100,000個點(diǎn)的距離。不過TOF技術(shù)的缺點(diǎn)是：分辨率低、不能精密成像、而且成本高。

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