本文是視覺引導(dǎo)機(jī)器人 AspenCore 特別項(xiàng)目的一部分。隨著相機(jī)成本和尺寸的下降以及圖像處理軟件功能的增強(qiáng)，機(jī)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(gè)特別項(xiàng)目通過一系列相互關(guān)聯(lián)的文章來探索圍繞這項(xiàng)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(jī)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(xiǎn)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(jī)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(jī)技術(shù)包括 2D 成像、3D 傳感、超聲波和紅外線。

機(jī)器人視覺相機(jī)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(jī)器視覺機(jī)器人來說，傳統(tǒng)的二維數(shù)碼相機(jī)是最受歡迎的選擇。雖然數(shù)碼相機(jī)看起來像膠片相機(jī)，但它們基于完全不同的科學(xué)原理。與投射數(shù)百萬個(gè)微小彩色光點(diǎn)或像素來組成圖像的電視不同，數(shù)碼相機(jī)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(gè)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(jī)有兩種類型：電荷耦合器件（CCD）和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）。CCD 相機(jī)比 CMOS 相機(jī)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(gè)極好的選擇 2D 相機(jī)的指南。此外，最近的創(chuàng)新為 2D 相機(jī)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(jī)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(gè)（右）產(chǎn)生了更好的結(jié)果。（圖片：Pinnacle 成像系統(tǒng)）

優(yōu)點(diǎn)：二維相機(jī)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(diǎn)：二維相機(jī)對環(huán)境中的光線條件敏感。他們還將鏡像識別為第二個(gè)對象而不是圖像。最后，圖像捕捉是一個(gè)緩慢的過程，需要相機(jī)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(jī)可能更合適。

3D 傳感技術(shù) 3D 傳感是機(jī)器人導(dǎo)航的強(qiáng)大工具，因?yàn)樗峁┯嘘P(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(gè)位置的多個(gè) 2D 相機(jī)或不同位置的一個(gè)相機(jī)的圖像使用三角測量原理計(jì)算深度。

結(jié)構(gòu)光非常適合使用投影光模式和 2D 相機(jī)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(jī)和激光。激光將一條線投射到目標(biāo)區(qū)域，二維相機(jī)捕捉反射的激光束。可以從多張照片上的激光束彎曲計(jì)算出物體的輪廓。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(gè)進(jìn)程來收集數(shù)據(jù)。

優(yōu)點(diǎn)：3D傳感技術(shù)在近距離測量物體時(shí)精度高，分辨率優(yōu)于超聲波和紅外，在環(huán)境雜亂時(shí)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(diǎn)：3D 感應(yīng)技術(shù)無法識別鏡子或玻璃，因?yàn)樗鼈儠⒎瓷渥R別為第二個(gè)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(shí)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(gè)進(jìn)程來收集數(shù)據(jù)。最后，3D 傳感中使用的相機(jī)價(jià)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(jī)，超聲波相機(jī)通過測量聲波的傳輸和接收之間的時(shí)間間隔來測量相機(jī)和物體之間的距離。超聲波相機(jī)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(jī)器人。

優(yōu)點(diǎn)：超聲波相機(jī)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(jī)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(diǎn)：超聲波相機(jī)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(jì)算目標(biāo)物體的距離或接近度。

優(yōu)點(diǎn)：紅外傳感器可以大面積檢測紅外光，實(shí)時(shí)運(yùn)行，性價(jià)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(gè)物體和另一個(gè)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(jī)使您能夠在煙霧或霧等低能見度條件下進(jìn)行觀察。與超聲波相機(jī)一樣，紅外相機(jī)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(diǎn)：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?yàn)椴牧蟼鬏敽驼凵浼t外光的方式不同。

選擇使用哪種類型的相機(jī)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(gè)對象和另一個(gè)對象。另一方面，雖然 3D 傳感相機(jī)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(jī)之前，必須編譯機(jī)器人目標(biāo)的屬性、機(jī)器人將運(yùn)行的條件以及機(jī)器人任務(wù)的目標(biāo)。

攝像頭安裝是另一個(gè)考慮因素：將攝像頭安裝在機(jī)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(jī)器人移動，并且機(jī)器人必須在圖像顯示時(shí)停止采取。如果您固定相機(jī)的位置，您將犧牲分辨率以獲得連續(xù)成像。相機(jī)技術(shù)開發(fā)商正在迅速整合先進(jìn)技術(shù)。例如，FLIR Systems 的 FLIR Firefly 相機(jī)系列能夠集成相機(jī)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(jī)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(jìn)行選擇，下面提供了一個(gè)流程圖，可幫助您確定最適合您需求的相機(jī)類型以及代表性相機(jī)供應(yīng)商圖表，以便您開始搜索。

相機(jī)選擇流程圖

相機(jī)屬性

審核編輯 黃昊宇