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作者：Teledyne e2v 簡(jiǎn)述 3D成像技術(shù)早在數十年前已經(jīng)出現，但是民用化產(chǎn)品卻只在2000年代才推出市場(chǎng)，那時(shí)主流電影企業(yè)發(fā)布利用高清攝影機拍攝的3D電影。從那時(shí)開(kāi)始，這一應用范圍里，不論在速度、精度和3D圖像分辨率都有飛躍進(jìn)展，并且獲得從消費性市場(chǎng)到機器視覺(jué)工業(yè)的廣泛應用。 隨著(zhù)工業(yè)4.0變革來(lái)臨，面對諸如復雜的物件辨識和尺寸量度任務(wù)，以至人機互動(dòng)所需要的復雜互動(dòng)，2D視覺(jué)在精度和距離測量方面均出現技術(shù)限制，市場(chǎng)對3D視覺(jué)的需求因而與日俱增。 3D視覺(jué)能提高機器人/機器系統在工業(yè)自動(dòng)化應用的自主性和效率，提供2D視覺(jué)不能比擬的高精度質(zhì)量檢測，反向工程和物件度量等關(guān)鍵能力。另一方面，視覺(jué)系統導向機器人的應用正在增長(cháng)中，這一技術(shù)需要3D視覺(jué)來(lái)實(shí)現更好的遙距導向、障礙物辨識和精確移動(dòng)。 3D視覺(jué)也能保護需要大量人機互動(dòng)的工廠(chǎng)工人，在系統級預防和排除危險狀況，并通過(guò)監控系統，點(diǎn)算工場(chǎng)工人數目并把工人和機器人或物件分辨出來(lái)。 3D視覺(jué)的能力能夠實(shí)現更安全、性能更好和更高效的終端用戶(hù)輔助系統，正在對社會(huì )帶來(lái)影響力。舉個(gè)例子，3D視覺(jué)已成為無(wú)人駕駛車(chē)輛的先進(jìn)自動(dòng)駕駛者輔助系統和人機合作機器人等應用的關(guān)鍵技術(shù)。 2D視覺(jué)在條形碼掃描或光學(xué)字體辨識等應用的功用是無(wú)可置疑的。它在工廠(chǎng)或倉庫應用有不可或缺的角色，而隨著(zhù)區塊煉技術(shù)的引進(jìn)和電商市場(chǎng)發(fā)展，它在物流中心和運輸應用有顯著(zhù)的增長(cháng)。Teledyne e2v 擁有專(zhuān)為條形碼掃描而設計的2D 成像產(chǎn)品，例如是集合高性能和能夠實(shí)現高可靠性高速掃描的Snappy 傳感器系列。 3D圖像的生成有好幾種技術(shù)和科技。主流技術(shù)計有： • 立體視覺(jué)： 使用兩部相機從不同角度對準主體，并使用校準技術(shù)把相機和具體深度信息之間的像素信息對齊。這類(lèi)似于人類(lèi)腦部目測距離的工作。 • 結構化光線(xiàn)： 把一個(gè)已知的光線(xiàn)圖案投射到主體上，然后根據圖案在主體上的扭曲狀況，計算深度信息。 • 激光三角測量：激光三角測量通過(guò)將一部相機和一個(gè)激光光源配對，實(shí)現三維測量。系統根據激光光源和相機之間已知的角度偏距，以三角幾何理論量度出激光線(xiàn)的幾何抵銷(xiāo)(數值與主體的高度成比例)。這是一項基于掃描主體的技術(shù)。 • 飛行時(shí)間：一個(gè)光源與一個(gè)圖像傳感器同步，根據發(fā)出脈沖光線(xiàn)和光線(xiàn)反射回饋到傳感器的時(shí)間計算出距離。 每一種技術(shù)都有它的優(yōu)缺點(diǎn)，所以技術(shù)的適用程度取決于應用類(lèi)型(其中距離范圍和深度精度要求是重點(diǎn))。表一列出了相對不同條件的技術(shù)比較。 表 1 3D 成像技術(shù)“頂層”比較 
雖然3D系統仍然占工業(yè)自動(dòng)化和倉庫應用視覺(jué)系統的一小部分，現在越來(lái)越多基于3D立體視覺(jué)、結構光線(xiàn)或激光技術(shù)的3D系統正在引進(jìn)中。這些系統有固定的工作距離，需要大量校準工作以實(shí)現特定的偵測范圍。而飛行距離系統則能解決這些挑戰，并從應用角度提供更高靈活性，不過(guò)圖像分辨率仍然是大部分這類(lèi)技術(shù)面對的制肘。 Teledyne e2v在機器視覺(jué)擁有長(cháng)遠的成功歷史，例如是線(xiàn)陣相機和影像傳感器，而近期則積極打造用于3D成像的專(zhuān)用平臺。這一平臺將支持最新的工業(yè)應用，包括視覺(jué)導引機器人、物流應用自動(dòng)化無(wú)人車(chē)輛、工廠(chǎng)監控和安全、手持式掃描儀以及戶(hù)外應用。Teledyne e2v致力長(cháng)期提供基于多種3D技術(shù)的產(chǎn)品，以滿(mǎn)足客戶(hù)應用的需求。 3D 視覺(jué)實(shí)現高速準確檢測提高產(chǎn)能，表現超越2D 工廠(chǎng)已進(jìn)入自動(dòng)化工作，以提高產(chǎn)能和在產(chǎn)品查驗和庫存的方方面面節省時(shí)間和金錢(qián)。要優(yōu)化這些因素，擁有視覺(jué)系統的機器需要更高速和以更佳性能工作。 因應這些發(fā)展，2D視覺(jué)遇上了限制，使得3D視覺(jué)被廣泛引進(jìn)，以實(shí)施更高精度的質(zhì)量檢驗，反向工程或物件量度任務(wù)。三角測量技術(shù)正在這些應用中獲大量使用，鑒于三軸圖像要求高分辨率，需要非常高速的的傳感器。 3D查驗 外型量度 尺寸查驗(物流)
圖 1 激光三角測量應用范例 自十多年前起， Teledyne e2v已經(jīng)和3D三角測量的市場(chǎng)領(lǐng)導者一同工作，以開(kāi)發(fā)訂制化傳感器。去年Teledyne e2v 發(fā)布了能配合高速尺寸測量和查檢技術(shù)挑戰的標準傳感器，以滿(mǎn)足高速生產(chǎn)線(xiàn)的要求。 這一快閃 CMOS傳感器系列很好地組合了一個(gè) 4,096 x 1,024像素分辨率和一個(gè)2,048 x 1,024 像素傳感器，二者的幀率分別為1800 fps 和 1500 fps (8 位) ，兼容標準光學(xué)格式(APS兼容和 C-Mount)，讀出速度分別為61.4 Gbps 和 25.6 Gbps。 新型的傳感器設計用于為相機生商實(shí)現輕松和高性?xún)r(jià)比的集成解決方案，包括提供一系列片上功能，已達到寬廣應用范圍以及高靈活性： 高達100dB的高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)模式，實(shí)現對同一影象里的高反光表面和陰暗范圍進(jìn)行測量和查驗 多重取景窗口(Region of Interest，ROI)模式兼顧高測量速度和范圍/分辨率 個(gè)別參數提供幀間“熱”配置模式有助于實(shí)現靈活性和對環(huán)境條件的實(shí)時(shí)適配 多種曝光觸發(fā)模式能夠完全配合生產(chǎn)線(xiàn)速度 這些傳感器能夠為工業(yè)市場(chǎng)提供以下優(yōu)勢： 以2K或4K分辨率實(shí)現市場(chǎng)最高速率，提高產(chǎn)能 高性?xún)r(jià)比系統： Flash產(chǎn)品系列提供高性?xún)r(jià)比(市場(chǎng)最佳Gbps/售價(jià)比率) 允許對實(shí)時(shí)環(huán)境條件和生產(chǎn)線(xiàn)速度作出適應，實(shí)現高靈活性應用 3D 視覺(jué)提高工廠(chǎng)自主性和效率，性能超越2D 為了改進(jìn)工廠(chǎng)自動(dòng)化的自主性和效率，無(wú)人操作機器人的應用正在不斷增加。隨著(zhù)工廠(chǎng)和倉庫自動(dòng)化程度越來(lái)越高，車(chē)間出現了人機密集工作，因而防止事故和提高安全度成為至關(guān)重要的任務(wù)。 在這些日益多變的工作環(huán)境里，飛行時(shí)間(Time-of-Flight，ToF)系統成為理想的解決方案，因為它們擁有實(shí)時(shí)3D信息和決策能力，以及能夠在快速移動(dòng)的場(chǎng)景中偵測出物件或人員。 飛行時(shí)間技術(shù)可分為兩大類(lèi)：直接飛行時(shí)間和間接飛行時(shí)間。 直接飛行時(shí)間是指系統通過(guò)直接計算光線(xiàn)從物件反射的時(shí)間量度出距離。 而間接飛行時(shí)間則是系統通過(guò)計算光波發(fā)射到物件以及從對像反射的相位差異而得出距離，從而建立3D圖。
圖2 直接飛行時(shí)間和間接飛行時(shí)間的優(yōu)缺點(diǎn)比較 間接飛行時(shí)間 – 相移 優(yōu)點(diǎn) • 全速(多相像素) • 背景去除，兼容戶(hù)外環(huán)境 • 低軟件復雜性 缺點(diǎn) • 混疊 直接飛行時(shí)間 – 脈沖重建 優(yōu)點(diǎn) • 無(wú)混疊 • 無(wú)錯誤距離測量(不受霧水、塵埃、多路反光影響) 缺點(diǎn) • 嚴苛的速度要求(光脈沖速度以納秒計算) • 相對高的計算復雜性 Teledyne e2v提供采用訂制化傳感器的直接飛行時(shí)間系統，以及使用完整標準產(chǎn)品的間接飛行時(shí)間系統。 Teledyne e2v 在飛行時(shí)間技術(shù)和解決方案上有超過(guò)10年的經(jīng)驗，并以在用于自動(dòng)化、機器人、汽車(chē)和監控工業(yè)專(zhuān)有傳感器方面的成功范例為基礎，實(shí)現創(chuàng )新飛行時(shí)間像素的強大能力。 我們的標準飛行時(shí)間傳感器通過(guò)以下特點(diǎn)，對應客戶(hù)需求： 高空間分辨率，實(shí)現大視場(chǎng)范圍和高角度分辨率 快速實(shí)時(shí)無(wú)運動(dòng)模糊3D測定，在全分辨率下實(shí)現超過(guò)30fps深度圖 提供近、中、遠距離偵測和管理 能在任何環(huán)境條件實(shí)現超高可靠度測距：具有在環(huán)境光條件下的出色高精度和強大功能，以及多系統工作 飛行時(shí)間技術(shù)處理復雜環(huán)境工作 相較其它3D技術(shù)，飛行時(shí)間具有快速、簡(jiǎn)單、低成本，以及在中至遠距離提供出色的3D性能的特點(diǎn)。 再者，正如上文提及，飛行時(shí)間技術(shù)具有高靈活性 – 由于它無(wú)需按設定校準(如工廠(chǎng)校準)，因而可以固定在活動(dòng)機器人上。系統也可以適應任何工作設定，使得飛行時(shí)間系統很好的配合復雜的環(huán)境和條件工作。 以下是一些飛行時(shí)間在工廠(chǎng)或倉庫應用的的最適用范例：
圖 3 飛行時(shí)間應用范例 量度箱子或包裝的外形尺寸和體積：飛行時(shí)間系像系統能夠量度箱子或包裝的尺寸和體積，以便于最有效裝盤(pán)或集運(優(yōu)化裝箱和貨車(chē)載荷)或提高產(chǎn)線(xiàn)效率 用于智能高效倉存管理的貨件識別：相較于2D傳統成像處理系統，飛行時(shí)間成像系統能夠以更短的時(shí)間檢測貨件或包裝尺寸 抓取與放置：飛行時(shí)間系統檢測和識別合適的物件進(jìn)行抓取，并放置到合適的位置，相較使用2D傳統成像處理系統，可實(shí)現更高準確性和更短時(shí)間。 與市場(chǎng)現有產(chǎn)品相比， Bora傳感器(Teledyne e2v去年發(fā)布產(chǎn)品)為需要為固定物件進(jìn)行分析的應用提供獨特的優(yōu)勢。這一款傳感器具有1.3MP高分辨率，能夠以2D和3D擷取具有寬廣視場(chǎng)的大面積現場(chǎng)，實(shí)現高性?xún)r(jià)比的優(yōu)化系統。我司所有飛行時(shí)間傳感器均設計用于高靈活性應用，可適應不同的工作條件并提供具有深度圖的實(shí)時(shí)3D影像擷取，并在全分辨率下以四相工作實(shí)現超過(guò)30fps的高速度。 Bora傳感器的功能亮點(diǎn)： 創(chuàng )新10μm 像素設計 1,280 x 1,024 像素空間分辨率 卓越的靈敏度和獨有的片上門(mén)控全局快門(mén)模式，實(shí)現最快42ns 門(mén)控時(shí)間 飛行時(shí)間系統助力機器人在工廠(chǎng)環(huán)境以及其它應用中無(wú)人操控安全工作，比其它3D技術(shù)提供更多優(yōu)勢
圖4 機器人導向應用范例 今日的導向系統大多使用傳統激光雷達(Lidar)掃描儀和偵測物件，但由于它們有一些缺點(diǎn)，使得有越來(lái)越多使用如非直接飛行時(shí)間等其它技術(shù)的解決方案。相較于傳統激光雷達(Lidar)掃描儀，非直接飛行時(shí)間系統能提供實(shí)時(shí)影像信息，并有快速響應時(shí)間和無(wú)運動(dòng)模糊的特點(diǎn)。由于它們不含機械部件，因而也有性能更強大、緊湊尺寸的特點(diǎn)。而固態(tài)設計更低功耗和更少計算的特點(diǎn)則可實(shí)現低成本。 表 2. 傳統Lidar 與非直接飛行時(shí)間“頂層”比較
在上述的應用中，飛行時(shí)間系統能解決不少挑戰。系統需要處理從10米起的短、中、長(cháng)距離測量，速度也要足夠的快以避免產(chǎn)生瑕疵(現在市場(chǎng)上大部分飛行時(shí)間解決方案均集中于最大5-6米的短距踓)。另外，系統有可能需要在不同光線(xiàn)變化的條件下工作，例如機器人在工廠(chǎng)或倉庫到處移動(dòng)工作，但不會(huì )對同一區域內的其它機器人構成障礙。 2020年7月， Teledyne e2v 發(fā)布了 Hydra3D傳感器，它是市場(chǎng)同級最佳飛行時(shí)間傳感器，它的創(chuàng )新的像素和高度靈活配置，實(shí)現非常高的動(dòng)態(tài)范圍，為應用提供直觀(guān)技術(shù)，以完美應付各種工作條件。Hydra3D 具有832 x 600像素分辨率，10μm三內存節點(diǎn)像素，允許最高3D性能水平，包括高深度分辨率，高速度和靈活工作條件。
Hydra3D 的創(chuàng )新多內存節點(diǎn)像素能夠提供重建3D圖像所需的三個(gè)相位，有助于在快速移動(dòng)場(chǎng)景中擷取無(wú)運動(dòng)模糊的精準3D信息。 三內存節點(diǎn)像素提供在單幀中建構3D圖所需的多相位信息擷取和存儲能力，無(wú)需像其它非直接飛行時(shí)間技術(shù)般使用多幀技術(shù)。這一技術(shù)在快速移動(dòng)場(chǎng)景應用避免任何運動(dòng)模糊是非常強大的功能。這類(lèi)似于2D視覺(jué)技術(shù)中全局快門(mén)和卷閘快門(mén)的差異。 三內存節點(diǎn)像素能夠以單個(gè)光脈沖擷取所有相位，實(shí)現光能優(yōu)化使用。在下圖的應用實(shí)例中，幀率保持不變，使得平均功耗大大減小。不過(guò)光能取決于高幀率或高精度 (配合多重捕獲)。
圖 5 單內存節點(diǎn)與三內存節點(diǎn)比較圖 Hydra3D 傳感器的其它優(yōu)勢包括配置靈活性和多重片上功能。例如強大的片上高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)功能配合高幀率和靈活配置，允許用戶(hù)對距離范圍、物件反光度、幀率等進(jìn)行權衡，以及面向環(huán)境光的強大效能。而用于強大的多重飛行時(shí)間系統工作的獨特片上功能則讓異步系統同步工作而不互相干擾。 Hydra3D 傳感器的主要特征如下：
CCD 年代的時(shí)間飛行 時(shí)間飛行的影象處理是相較傳統2D視覺(jué)系統更復雜的技術(shù)。它涉及光學(xué)和照明系統，取決于多個(gè)參數(如傳感器或視場(chǎng)、工廠(chǎng)校準、專(zhuān)有傳感器配置) 以便于完全配合應用需求。 我們經(jīng)常把時(shí)間飛行傳感器和CCD傳感器比較，因為復雜的設定需要在系統級投放大量力量以集成傳感器，應用設定的控制因而 成為關(guān)鍵因素。 基于我們在飛行時(shí)間ToF CMOS傳感器的專(zhuān)門(mén)技術(shù)以及與客戶(hù)的緊密工作，Teledyne e2v獲得關(guān)于飛行時(shí)間系統的原生挑戰的深厚經(jīng)驗。為了幫助客戶(hù)加快上市時(shí)間和獲得適合應用要求的最佳飛行時(shí)間系統，我們提供從CMOS影像傳感器到訂制相機模式等一系列技術(shù)解決方案，涵蓋完整系統到系統集成支持。這包括了一個(gè)使用我們的評估平臺的參考設計，照明和光學(xué)評估，肉眼安全考慮，建模和仿真、算法和校準。
圖 6 Teledyne-e2v 的飛行時(shí)間技術(shù)和能力可達到系統級 總結 隨著(zhù)工廠(chǎng)和物流倉庫進(jìn)入自動(dòng)化年代，帶動(dòng)了高效無(wú)人操作工業(yè)系統的需求，特別是用于導向機器人和機器(用于物件辨識，導向，高速和精準度)的3D視覺(jué)技術(shù)。市場(chǎng)上存在多種3D技術(shù)，每種各有優(yōu)缺點(diǎn)和配合技術(shù)，大部分取決于應用需求。所有的這些技術(shù)都需要具有精密功能的高效傳感器。 Teledyne e2v擁有與市場(chǎng)領(lǐng)先廠(chǎng)商合作的成功案例，并提供包括3D視覺(jué)的廣泛獨有解決方案系列，以服務(wù)諸如工廠(chǎng)自動(dòng)化、物流和測量應用。我們在高性能CMOS影像傳感器的獨有技術(shù)(集成先進(jìn)像素和獨特功能) 結合超過(guò)10年的在飛行時(shí)間系統的具體經(jīng)驗，助力我們幫助客戶(hù)解決3D視覺(jué)方面的種種挑戰。 |
