視覺成像技術(shù)幫助機(jī)器人和汽車看得更清楚

盡管機(jī)器人的眼睛沒有視網(wǎng)膜，但幫助它們更自然、更安全地觀察和與世界互動的關(guān)鍵是眼科醫(yī)生辦公室里常見的光學(xué)相干斷層掃描（OCT）儀器。

許多機(jī)器人公司正在將一種成像技術(shù)集成到他們的傳感器包中，即光探測和測距，簡稱LiDAR。目前，無人駕駛汽車開發(fā)商對該技術(shù)的關(guān)注和投資很大，該技術(shù)的工作原理與雷達(dá)類似，但它使用的是激光產(chǎn)生的短脈沖光，而不是發(fā)射寬帶無線電波并探測反射信號。

然而，傳統(tǒng)的time-of-flight激光雷達(dá)存在許多缺點(diǎn)，使其難以在許多3D視覺應(yīng)用中使用。因?yàn)檫@需要探測非常微弱的反射光信號，對于目前大部分的激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測器，信號甚至很容易淹沒在環(huán)境光信號中。它的深度分辨率也很有限，在對高速公路或工廠車間等大片區(qū)域進(jìn)行密集掃描，通常需要很長時(shí)間。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，研究人員正轉(zhuǎn)向利用一種名為調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)的系統(tǒng)。

“FMCW激光雷達(dá)與OCT具有相同的工作原理，生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域自20世紀(jì)90年代初以來一直在發(fā)展OCT相關(guān)技術(shù)，”在杜克大學(xué)Michael J. Fitzpatrick生物醫(yī)學(xué)工程杰出教授Joseph Izatt實(shí)驗(yàn)室工作的博士生Qian Ruobing說?！暗?0年前，沒有人知道自動駕駛汽車或機(jī)器人會得到快速發(fā)展，所以O(shè)CT技術(shù)僅被用于組織成像?，F(xiàn)在，為了讓它在其他新興領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，我們需要利用它超高的分辨率來獲得更大的距離和速度?！?/p>

在3月29日發(fā)表在《Nature Communication》上的一篇論文中，杜克大學(xué)的團(tuán)隊(duì)展示了相關(guān)研究，他們在對OCT研究中學(xué)習(xí)到的一些方法，可以將之前的FMCW激光雷達(dá)數(shù)據(jù)吞吐量提高25倍，同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)亞毫米深度精度。

OCT是一種光學(xué)模擬超聲波，它的工作原理是將聲波發(fā)送到物體上，然后測量它們返回的時(shí)間。為了計(jì)算光波的返回時(shí)間，OCT設(shè)備測量了它們的相位與相同的光波相比移動了多少，這些光波經(jīng)過相同的距離，但沒有與另一個(gè)物體相互作用。

FMCW激光雷達(dá)采用了類似的方法，只是做了一些調(diào)整。 該技術(shù)發(fā)出的激光束在不同頻率之間不斷變換。 當(dāng)探測器收集光來測量其反射時(shí)間時(shí)，它可以區(qū)分特定的頻率模式和任何其他光源，這使得它可以在各種照明條件下高速工作。然后，它測量無阻礙光束下的任意相移，這是一種比目前的激光雷達(dá)系統(tǒng)更精確的確定距離的方法。

“看到我們幾十年來研究的生物細(xì)胞規(guī)模的成像技術(shù)可以轉(zhuǎn)化為大規(guī)模、實(shí)時(shí)的3D視覺技術(shù)，這是非常令人興奮的，”Izatt說?！斑@正是機(jī)器人安全地觀察人類并與人類互動所需要的能力，甚至在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，用實(shí)時(shí)3D視頻取代虛擬化身?！?/p>

之前使用激光雷達(dá)的大部分工作都依賴于旋轉(zhuǎn)鏡子來掃描被反射的激光。雖然這種方法很有效，但無論它使用的激光有多強(qiáng)，它從根本上受到機(jī)械反射鏡速度的限制。

杜克大學(xué)的研究人員使用的是一種衍射光柵，它的工作原理類似于棱鏡，可以將激光分解成彩虹般的頻率，當(dāng)它們離開光源時(shí)就會散開。因?yàn)樵嫉募す馊匀辉诳焖俚卦谝粋€(gè)頻率范圍內(nèi)掃描，這意味著掃激光雷達(dá)光束的速度要比機(jī)械反射鏡的旋轉(zhuǎn)速度快得多。這使得系統(tǒng)能夠在不損失深度和定位精度的情況下快速覆蓋廣泛的掃描區(qū)域。

雖然OCT設(shè)備是用于測量e物體內(nèi)部幾毫米深的微觀結(jié)構(gòu)的，但機(jī)器人3D視覺系統(tǒng)只需要定位人體尺度物體的表面。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員縮小了OCT使用的頻率范圍，只尋找從物體表面反射產(chǎn)生的峰值信號。這使系統(tǒng)的分辨率降低了一點(diǎn)，但成像范圍和速度比傳統(tǒng)的激光雷達(dá)要大得多。

圖1：真實(shí)世界物體的視頻速率3D成像結(jié)果。a–d軸向間隔》9 cm的兩個(gè)陶瓷咖啡杯的成像結(jié)果；e–h人體頭部模型的成像結(jié)果

結(jié)果顯示，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了亞毫米定位精度，數(shù)據(jù)吞吐量比之前的演示提高了25倍。結(jié)果表明，該方法足夠快速和準(zhǔn)確，可以實(shí)時(shí)捕捉到人體運(yùn)動部位的細(xì)節(jié)，比如點(diǎn)頭或握緊的手。

lzatt說：“就像數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)無處不在一樣，我們的愿景是開發(fā)新一代基于激光雷達(dá)的3D相機(jī)，這種相機(jī)速度快，功能強(qiáng)大，能夠?qū)?D視覺集成到各種產(chǎn)品中。”“我們周圍的世界是3D的，所以如果我們想讓機(jī)器人和其他自動化系統(tǒng)與我們自然而安全地互動，它們需要能夠看到我們，就像我們可以看到它們一樣。”

審核編輯 ：李倩