從2D走向3D的視覺傳感器

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃山明）作為機器視覺系統(tǒng)的主要信息源，視覺傳感器一直在眾多視覺設(shè)備中占據(jù)重要位置。尤其是通過視覺傳感器，可以幫助機器對物品進行測量與判斷，從而賦予這些機器更豐富的應(yīng)用場景。而今，視覺傳感器開始向3D發(fā)展，帶給家用場景下更豐富和完善的功能。

視覺傳感器的發(fā)展

視覺傳感器的概念最早在20世紀(jì)50年代后期開始形成，并隨著計算機技術(shù)的進步和機器人研究的發(fā)展而逐漸興起。當(dāng)時出現(xiàn)了光學(xué)倍增管（PMT），這是一種真空光電管，它通過光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子來檢測光信號。隨后在1965至1970年間，IBM、Fairchild等企業(yè)開發(fā)了光電和雙極二極管陣列。

在這一階段，視覺系統(tǒng)主要用于處理簡單環(huán)境中的物體識別，如機器人的“積木世界”識別任務(wù)。

到了1970年，CCD（Charge-Coupled Device）圖像傳感器在Bell實驗室被發(fā)明，由于其高量子效率、高靈敏度等優(yōu)點，CCD成為了圖像傳感器市場的主導(dǎo)技術(shù)。這一時期，隨著圖像傳感器技術(shù)的進步和計算機性能的提升，視覺傳感器在工業(yè)檢測、軍事偵察等領(lǐng)域得到初步應(yīng)用，但受限于當(dāng)時的技術(shù)水平，功能較為有限。

90年代末，隨著技術(shù)的進步，CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）圖像傳感器開始出現(xiàn)，它在成本和集成度上具有優(yōu)勢，逐漸在市場中占據(jù)一席之地。

到了20世紀(jì)80年代，隨著半導(dǎo)體工藝的成熟，CMOS和CCD圖像傳感器的成像質(zhì)量、響應(yīng)速度和集成度都有了顯著提升。這一進步推動了機器視覺技術(shù)的發(fā)展，使得視覺傳感器成為工業(yè)自動化中不可或缺的組成部分。同時，機器視覺系統(tǒng)的集成度增強，出現(xiàn)了更多基于PC或嵌入式系統(tǒng)的解決方案。

隨著進入到21世紀(jì)，視覺技術(shù)經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)變，視覺傳感器作為機器視覺系統(tǒng)的核心，其功能不僅限于圖像捕捉，還包括圖像處理和分析?，F(xiàn)代視覺傳感器通常配備有先進的光學(xué)元件和電子元件，能夠提供高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)，以支持復(fù)雜的視覺處理任務(wù)。

尤其是3D視覺感知技術(shù)正在迎來快速增長時期，它能夠提供比2D圖像更豐富的空間信息。

視覺傳感器從2D向3D邁進

隨著工業(yè)自動化、機器人技術(shù)以及自動駕駛等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對物體識別和環(huán)境感知的精度要求越來越高，2D視覺傳感器雖然能夠提供平面圖像信息，但在處理深度信息和三維空間中的物體位置時存在局限性。

3D視覺傳感器，如立體相機、結(jié)構(gòu)光相機、飛行時間（ToF）相機、激光雷達(dá)（LiDAR）等，能捕捉到場景或物體的三維幾何信息，從而實現(xiàn)更精確的位置測量、體積計算、形狀分析以及在復(fù)雜環(huán)境下的智能決策。這些傳感器通過不同的原理生成深度數(shù)據(jù)，大大提升了系統(tǒng)對周圍環(huán)境的理解能力和反應(yīng)速度。

3D視覺感知技術(shù)是計算機視覺領(lǐng)域的一個重要分支，它涉及到如何從多個視角捕獲的圖像中恢復(fù)和理解三維場景。這項技術(shù)的發(fā)展對于提高機器的視覺感知能力至關(guān)重要，尤其是在自動駕駛、智能交通、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域。

在智能家居中，3D視覺感知技術(shù)不僅提高了家居產(chǎn)品的智能化水平，也為用戶帶來了更加便捷和舒適的生活體驗。比如在智能安防上，3D視覺技術(shù)可以用于智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過識別家庭成員的身形和行為模式，區(qū)分訪客與潛在入侵者，從而提高家庭安全。

而在智能家電產(chǎn)品中，尤其是掃地機器人，3D視覺識別技術(shù)被用來識別家中的障礙物，實現(xiàn)精準(zhǔn)避障和高效清潔工作。此外，3D視覺技術(shù)還可以應(yīng)用于智能烹飪設(shè)備，通過識別食物的形狀和大小來調(diào)整烹飪參數(shù)。

3D視覺技術(shù)可以提升智能家居中的互動娛樂體驗，例如通過3D感知硬件實現(xiàn)的AR游戲和應(yīng)用，讓用戶能夠與虛擬內(nèi)容進行更自然的交互。

根據(jù)機構(gòu)GGII預(yù)測，至2025年我國機器視覺市場規(guī)模將達(dá)到468.74億元。其中，2D視覺市場規(guī)模將超過360億元，3D視覺市場規(guī)模將超過100億元。

小結(jié)

越來越多的應(yīng)用場景開始采用3D視覺技術(shù)來替代或補充傳統(tǒng)的2D視覺方案，這一趨勢在智能家居中同樣明顯。盡管3D視覺技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用門檻相對較高，但其帶來的性能提升和技術(shù)進步使得行業(yè)內(nèi)的研究與投資不斷加大，加速了從2D向3D轉(zhuǎn)變的過程。