機器人視覺攝像頭的技術(shù)類型介紹

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，機器人系統(tǒng)在新型視覺引導(dǎo)應(yīng)用中大量出現(xiàn)，尤其是3D應(yīng)用。AspenCore視覺引導(dǎo)機器人專題通過一系列文章探討了圍繞該技術(shù)的硬件、軟件和商業(yè)問題。

機器人能夠快速準(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，攝像頭對于機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。不同類型的攝像技術(shù)包括：2D成像、3D感應(yīng)、超聲和紅外等。

機器人視覺攝像頭的技術(shù)類型

2D成像技術(shù)

對于具有機器視覺，但不需要深度或距離信息的機器人，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像膠片相機，實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)百萬個微小的彩色光點或像素以合成圖像，而數(shù)碼攝像頭則捕獲從物體反射回來的光粒子（光子），并將其轉(zhuǎn)換成可作為數(shù)字存儲起來的電信號，或叫像素。一張數(shù)碼照片實際上是一長串描述每個像素的數(shù)字。在屏幕上，這一長串?dāng)?shù)字又被轉(zhuǎn)換為像素并合成圖像。

2D數(shù)碼攝像頭有兩種類型，即電荷耦合器件（CCD），以及互補金屬氧化物半導(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：2D攝像頭可有效地識別物體。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)的許多細節(jié)。

缺點：2D攝像頭對環(huán)境中的光照條件比較敏感。它會將鏡像圖像識別為第二個物體，而不是圖像。最后，2D相機的圖像捕獲過程較慢，需要攝像頭和物體相對靜止。

對于需要獲取3D信息的場景，使用超聲、紅外或3D感測技術(shù)的攝像頭會更適合。

3D感應(yīng)技術(shù)

3D感應(yīng)是一種強大的機器人導(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)可以通過不同的測量過程產(chǎn)生，如立體視覺、結(jié)構(gòu)光和激光三角測量。立體視覺采用三角測量原理，使用來自一個位置的多個2D攝像頭的圖像，或來自不同位置的單個攝像頭的圖像，來計算深度。

結(jié)構(gòu)光非常適合測量物體的3D形狀，它使用投影光模式和2D攝像頭系統(tǒng)進行測量。通過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算出物體的輪廓。但是，這種方法速度相對較慢，并且只能用于靜止圖像，這意味著必須中斷某個進程才能進行數(shù)據(jù)收集。

優(yōu)點：3D感測技術(shù)在近距離測量物體時具有很高的精確度，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，激光三角測量也可以工作，即使是低對比度的物體，它也可以提供精確的數(shù)據(jù)。

缺點：3D感測技術(shù)無法識別鏡面或玻璃，因為它會將反射物識別為第二個物體。此外，它們對光線條件敏感，在環(huán)境過于單調(diào)且缺乏特性時表現(xiàn)不佳。此外，其感應(yīng)速度很慢，只能用于感測靜止圖像，這意味著必須中斷某個進程才能進行數(shù)據(jù)收集。最后，3D感測攝像頭價格昂貴、體積龐大且較難校準(zhǔn)。

超聲波技術(shù)

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

優(yōu)點：相比其它類型的傳感器，超聲攝像頭感測范圍更長、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量液體高度和距離，檢測物體時可避免在陸地或水下發(fā)生碰撞。

缺點：超聲攝像頭在定義目標(biāo)邊緣方面表現(xiàn)不佳。它在感測具有高密度和反射性表面的目標(biāo)時效果很好，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距離，但又不能檢測距離太近的物體。

紅外技術(shù)

紅外傳感器通過檢測物體發(fā)出的紅外線（IR）來工作。它還可以通過向物體投射紅外光并接收反射光來計算目標(biāo)物體的距離或接近程度。

優(yōu)點：紅外傳感器可以檢測大范圍的紅外光，它可以實時運行，極具成本效益。與超聲傳感器相比，它們在定義對象的邊緣方面表現(xiàn)優(yōu)良，并且易于識別不同的對象。例如，它們可以識別人和其它有熱量的物體，并與其反射圖像（例如鏡子）區(qū)分開來。此外，紅外攝像頭能夠在煙塵或霧氣等低可見度條件下進行感測。像超聲攝像頭一樣，IR相機可以檢測水下材料，目前已經(jīng)在建筑絕緣或泄漏檢測中得到了應(yīng)用。

缺點：紅外傳感器對紅外光和陽光非常敏感，只能在弱光下使用。而且，紅外傳感器對不同材料的感測效果也不盡相同，因為不同材料對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，超聲傳感器對堅硬對象感測效果好，但卻不適于感測柔軟的物體或有絨毛的物體。而且，它也不擅于將一個對象與另一個對象區(qū)分開。另一方面，盡管3D傳感攝像頭的精確性很高，但它卻無法在黑暗條件或水下工作。因此，在開始選擇攝像頭之前，必須先了解清楚機器人的目標(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要考慮的因素：將相機安裝在機器人手臂的末端附近，可以更近距離地感測物體并獲得更好的分辨率，但這也意味著攝像頭將隨著機器人一起移動，在捕獲圖像時，機器人必須停下來。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)開發(fā)人員正在迅速整合各種先進的技術(shù)。例如，FLIR Systems的FLIR Firefly攝像頭系列能夠?qū)z像頭和視覺處理單元（VPU）集成在一起，提供增強的人工智能功能。
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