隨著攝像頭成本和尺寸的不斷下降以及圖像處理軟件功能的不斷增強(qiáng)，機(jī)器人系統(tǒng)在新型視覺(jué)引導(dǎo)應(yīng)用中大量出現(xiàn)，尤其是3D應(yīng)用。AspenCore視覺(jué)引導(dǎo)機(jī)器人專(zhuān)題通過(guò)一系列文章探討了圍繞該技術(shù)的硬件、軟件和商業(yè)問(wèn)題。

機(jī)器人能夠快速準(zhǔn)確地抓取和操縱物體，這種能力使其非常適于執(zhí)行重復(fù)、危險(xiǎn)或繁瑣的任務(wù)，例如零件檢查，以及在霧、火、水下作業(yè)或焊接等操作。作為收集和分析信息的傳感器，攝像頭對(duì)于機(jī)器人在地面上行走導(dǎo)航并避免其與附近物體碰撞十分重要。不同類(lèi)型的攝像技術(shù)包括：2D成像、3D感應(yīng)、超聲和紅外等。

機(jī)器人視覺(jué)攝像頭的技術(shù)類(lèi)型

2D成像技術(shù)

對(duì)于具有機(jī)器視覺(jué)，但不需要深度或距離信息的機(jī)器人，普通2D數(shù)碼攝像頭是比較通用的選擇。數(shù)碼攝像頭盡管看起來(lái)像膠片相機(jī)，實(shí)際上它基于完全不同的科學(xué)原理。它與電視也不同，電視投射出數(shù)百萬(wàn)個(gè)微小的彩色光點(diǎn)或像素以合成圖像，而數(shù)碼攝像頭則捕獲從物體反射回來(lái)的光粒子（光子），并將其轉(zhuǎn)換成可作為數(shù)字存儲(chǔ)起來(lái)的電信號(hào)，或叫像素。一張數(shù)碼照片實(shí)際上是一長(zhǎng)串描述每個(gè)像素的數(shù)字。在屏幕上，這一長(zhǎng)串?dāng)?shù)字又被轉(zhuǎn)換為像素并合成圖像。

2D數(shù)碼攝像頭有兩種類(lèi)型，即電荷耦合器件（CCD），以及互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）。相比CMOS攝像頭，CCD攝像頭分辨率更高且噪聲更低，但價(jià)格更高且能效較低。本文將提供選擇2D攝像頭的絕佳指南。另外，2D攝像頭也在不斷創(chuàng)新中，不斷增加新的功能。例如，Pinnacle的高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）成像技術(shù)能夠幫助2D攝像頭捕獲更佳的視頻和圖像。

優(yōu)點(diǎn)：2D攝像頭可有效地識(shí)別物體。它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)：2D攝像頭對(duì)環(huán)境中的光照條件比較敏感。它會(huì)將鏡像圖像識(shí)別為第二個(gè)物體，而不是圖像。最后，2D相機(jī)的圖像捕獲過(guò)程較慢，需要攝像頭和物體相對(duì)靜止。

對(duì)于需要獲取3D信息的場(chǎng)景，使用超聲、紅外或3D感測(cè)技術(shù)的攝像頭會(huì)更適合。

3D感應(yīng)技術(shù)

3D感應(yīng)是一種強(qiáng)大的機(jī)器人導(dǎo)航工具，它提供的信息包括體積、形狀、位置、方向以及與物體的距離。3D數(shù)據(jù)可以通過(guò)不同的測(cè)量過(guò)程產(chǎn)生，如立體視覺(jué)、結(jié)構(gòu)光和激光三角測(cè)量。立體視覺(jué)采用三角測(cè)量原理，使用來(lái)自一個(gè)位置的多個(gè)2D攝像頭的圖像，或來(lái)自不同位置的單個(gè)攝像頭的圖像，來(lái)計(jì)算深度。

結(jié)構(gòu)光非常適合測(cè)量物體的3D形狀，它使用投影光模式和2D攝像頭系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)分析所觀察到的條紋圖案，可以收集有關(guān)物體深度的大量信息。

激光三角測(cè)量則使用2D攝像頭和激光。激光投射到目標(biāo)區(qū)域上，然后2D攝像頭捕獲反射的激光束。根據(jù)多張照片上的激光束彎曲程度就可以計(jì)算出物體的輪廓。但是，這種方法速度相對(duì)較慢，并且只能用于靜止圖像，這意味著必須中斷某個(gè)進(jìn)程才能進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。

優(yōu)點(diǎn)：3D感測(cè)技術(shù)在近距離測(cè)量物體時(shí)具有很高的精確度，比超聲和紅外分辨率要高，并且在環(huán)境混亂時(shí)更加可靠。特別是在難以操控的表面或在環(huán)境光較暗的情況下，激光三角測(cè)量也可以工作，即使是低對(duì)比度的物體，它也可以提供精確的數(shù)據(jù)。

缺點(diǎn)：3D感測(cè)技術(shù)無(wú)法識(shí)別鏡面或玻璃，因?yàn)樗鼤?huì)將反射物識(shí)別為第二個(gè)物體。此外，它們對(duì)光線條件敏感，在環(huán)境過(guò)于單調(diào)且缺乏特性時(shí)表現(xiàn)不佳。此外，其感應(yīng)速度很慢，只能用于感測(cè)靜止圖像，這意味著必須中斷某個(gè)進(jìn)程才能進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。最后，3D感測(cè)攝像頭價(jià)格昂貴、體積龐大且較難校準(zhǔn)。

超聲波技術(shù)

超聲攝像頭也稱(chēng)為聲納攝像頭，它通過(guò)測(cè)量聲波的發(fā)射和接收之間的時(shí)間差來(lái)測(cè)量攝像頭與物體之間的距離。超聲攝像頭還可以檢測(cè)到附近的其它超聲傳感器、或其它帶有超聲傳感器的機(jī)器人。

優(yōu)點(diǎn)：相比其它類(lèi)型的傳感器，超聲攝像頭感測(cè)范圍更長(zhǎng)、更寬。它們不受光照條件（太亮或太暗）或空氣顆粒（如灰塵、煙霧、薄霧、蒸氣和絨毛）的影響。而且，它們不受對(duì)象的顏色、透明度、反射特性或表面紋理的阻礙。因此，超聲攝像頭非常適合測(cè)量液體高度和距離，檢測(cè)物體時(shí)可避免在陸地或水下發(fā)生碰撞。

缺點(diǎn)：超聲攝像頭在定義目標(biāo)邊緣方面表現(xiàn)不佳。它在感測(cè)具有高密度和反射性表面的目標(biāo)時(shí)效果很好，但不適用于泡沫或布料等低密度物體。超聲攝像頭還會(huì)受高噪音、溫度、濕度和壓力的影響。最后，它要求盡可能小的感測(cè)距離，但又不能檢測(cè)距離太近的物體。

紅外技術(shù)

紅外傳感器通過(guò)檢測(cè)物體發(fā)出的紅外線（IR）來(lái)工作。它還可以通過(guò)向物體投射紅外光并接收反射光來(lái)計(jì)算目標(biāo)物體的距離或接近程度。

優(yōu)點(diǎn)：紅外傳感器可以檢測(cè)大范圍的紅外光，它可以實(shí)時(shí)運(yùn)行，極具成本效益。與超聲傳感器相比，它們?cè)诙x對(duì)象的邊緣方面表現(xiàn)優(yōu)良，并且易于識(shí)別不同的對(duì)象。例如，它們可以識(shí)別人和其它有熱量的物體，并與其反射圖像（例如鏡子）區(qū)分開(kāi)來(lái)。此外，紅外攝像頭能夠在煙塵或霧氣等低可見(jiàn)度條件下進(jìn)行感測(cè)。像超聲攝像頭一樣，IR相機(jī)可以檢測(cè)水下材料，目前已經(jīng)在建筑絕緣或泄漏檢測(cè)中得到了應(yīng)用。

缺點(diǎn)：紅外傳感器對(duì)紅外光和陽(yáng)光非常敏感，只能在弱光下使用。而且，紅外傳感器對(duì)不同材料的感測(cè)效果也不盡相同，因?yàn)椴煌牧蠈?duì)紅外光的傳遞和折射均不同。

到底該選擇哪種攝像頭？

根據(jù)特性的不同，每種傳感器類(lèi)型都更適合某些任務(wù)，而不適合另一些任務(wù)。例如，超聲傳感器對(duì)堅(jiān)硬對(duì)象感測(cè)效果好，但卻不適于感測(cè)柔軟的物體或有絨毛的物體。而且，它也不擅于將一個(gè)對(duì)象與另一個(gè)對(duì)象區(qū)分開(kāi)。另一方面，盡管3D傳感攝像頭的精確性很高，但它卻無(wú)法在黑暗條件或水下工作。因此，在開(kāi)始選擇攝像頭之前，必須先了解清楚機(jī)器人的目標(biāo)屬性、工作條件，以及任務(wù)目標(biāo)。

攝像頭的安裝是另一個(gè)要考慮的因素：將相機(jī)安裝在機(jī)器人手臂的末端附近，可以更近距離地感測(cè)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)器人一起移動(dòng)，在捕獲圖像時(shí)，機(jī)器人必須停下來(lái)。但如果固定攝像頭的位置，則將犧牲分辨率才能獲取連續(xù)的成像。攝像頭技術(shù)開(kāi)發(fā)人員正在迅速整合各種先進(jìn)的技術(shù)。例如，FLIR Systems的FLIR Firefly攝像頭系列能夠?qū)z像頭和視覺(jué)處理單元（VPU）集成在一起，提供增強(qiáng)的人工智能功能。
? ? ? ?責(zé)任編輯：tzh