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机器视觉加速从2D走向3D

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国民彩票路线导航  机器视觉是指利用相机、摄像机等传感器,配合机器视觉算法赋予智能设备人眼的功能,从而进行物体的识别、检测、测量等功能。机器视觉是在上世纪 50 年代从统计模式识别开始的,当时的工作主要集中在二维图像分析和识别。随着 5G、AI 等技术的不断发展,行业应用需求的不断提升,机器视觉从二维向三维过渡不但成为可能,更是必须的方向。机器视觉从2D进化到3D立体“视界”,常见常用的刷脸支付、Face ID、VR、无人便利店、智能机器人等产品技术,背后关键的科技便是3D视觉技术。在过去几年里,3D视觉概念迭出,大量资本涌入这个赛道,新进企业众多。业内人士普遍认为,3D视觉在工业领域的产值和产出,可能要远远大于消费领域,但因为渗透率很低,推进速度不够快,当前3D工业相机的规模在几亿美金区间,设备和软件在20亿美金水平,但行业市场有50倍以上的渗透率增长空间。

  从2D到3D的赛道变化2D技术起步较早,技术也相对成熟,在过去的30年中已被证明在广泛的自动化和产品质量控制过程中非常有效。2D技术根据灰度或彩色图像中对比度的特征提供结果。2D适用于缺失/存在检测、离散对象分析、图案对齐、条形码和光学字符识别(OCR)以及基于边缘检测的各种二维几何分析,用于拟合线条、弧线、圆形及其关系(距离,角度,交叉点等)。3D视觉利用近红外线光来扫描周围环境,再由CMOS图像传感器接收并转换为数字信号,

  最后通过芯片计算出物体在三维空间中的远近与相对位置,因此能了解物体的动作、与环境的互动,由此即能发展出由动作控制计算机的体感操控,检测出前方的物体等。

  由于2D视觉逐渐无法满足对复杂对象识别和尺寸测量精度日益增加的要求,因此也催生了3D视觉的增长。从2D转向3D,需要所获取信息质量和数量的飞跃。相对来说,

  2D视觉市场积淀深,3D视觉方案只有达到一定的成熟度,才可以全面实现2D向3D的转变。过去工业生产采用的机械臂都是盲取,闭着眼睛照着设定好的路径加工,没有更高阶的智慧判断。如果采用3D视觉后,就可以在更复杂的环境里更精准的夹取物件。业界认为,从2D到3D的过渡将成为继黑白到彩色,低分辨率到高分辨率以及静态图像到电影之后的第四次革命。但是3D机器视觉技术门槛高,涉及到光学、结构、散热等跨学科设计问题,再加上芯片、算法构成的复杂系统设计,需要一定的技术实力,投入足够的时间和人才,才可以研发相关方案。技术门槛高、投入大、研发企业少都是3D视觉发展路上的拦路虎。在3D视觉兴起之后,选择2D视觉还是3D视觉,成为一个有争议的问题。有业内人士表示,

国民彩票路线导航  3D视觉将全面替代2D视觉;但也有观点认为,3D视觉价格高,在可以应用2D视觉的场合,没有必要用3D视觉;当然还有第三方观点认为,2D视觉和3D视觉可以融合应用。就具体技术角度而言,2D颜色和3D几何数据的采集是从两个不同的物理通道进行的。从落地来看,目前3D主要应用于大型工业制造业企业、物流、智慧城市监控,以及少部分消费应用场景等,从探索到突破,在落地的路上逐显繁荣。

  

  3D视觉的不同技术形态目前市场上主流的有四种3D视觉技术,双目视觉、TOF、结构光3D成像和激光三角测量。

   1.双目视觉

双目视觉.png

国民彩票路线导航     双目技术是目前较为广泛的3D视觉系统,它的原理就像我们人的两只眼睛,用两个视点观察同一景物以获取在不同视角下的感知图像,然后通过三角测量原理计算图像的视差,来获取景物的三维信息 。

  

  由于双目技术原理简单,不需要使用特殊的发射器和接收器,只需要在自然光照下就能获得三维信息,所以双目技术具有系统结构简单、实现灵活和成本低的优点。适合于制造现场的在线、产品检测和质量控制,不过双目技术的劣势是算法复杂,计算量大,而且光照较暗或者过度曝光的情况下效果差。

  2.3D结构光技术

3D结构光技术.png

国民彩票路线导航  它通过一个光源投射出一束结构光,这结构光可不是普通的光,而是具备一定结构(比如黑白相间)的光线打到想要测量的物体上表面,因为物体有不同的形状,会对这样的一些条纹或斑点发生不同的变形,有这样的变形之后,通过算法可以计算出距离、形状、尺寸等信息从而获得物体的三维图像。

  3. 激光三角测量法

激光三角测量法.png

  它基于光学三角原理,根据光源、物体和检测器三者之间的几何成像关系,来确定空间物体各点的三维坐标 。

国民彩票路线导航  通常用激光作为光源,用CCD相机作为检测器,具有结构光3D视觉的优点,精准、快速、成本低。4. TOF飞行时间法成像技术TOF是Time Of Flight的简写。它的原理通过给目标物连续发送光脉冲,然后用传感器接收从物体返回的光,通过探测光脉冲的飞行时间来得到目标物距离。

  TOF的核心部件是光源和感光接收模块,由于TOF是根据公式直接输出深度信息,不需要用类似双目视觉的算法来计算,所以具有响应快、软件简单、识别距离远的特点,而且由于不需要进行灰度图像的获取与分析,因此不受外界光源物体表面性质影响。典型的TOF 3D扫描系统每秒可测量物体上10,000至100,000个点的距离。不过TOF技术的缺点是:分辨率低、不能精密成像、而且成本高。总的来说,无论是立体视觉、结构光、激光三角测量还是TOF,没有哪种技术是更好的,只有哪种技术是更适合的。

国民彩票路线导航  3D或将成为主流机器人、自动驾驶、金融支付已经体现出对3D视觉的强需求,当然,还有虚实相融的元宇宙,AR、VR等XR设备和3D交互需求已经率先凸显。这些需求带来了庞大的市场,但这也是极度碎片化的市场。GGII数据显示,预计到2023年我国机器视觉市场规模将达到208.6亿元,其中3D视觉市场规模将达到34.28亿元,预计到2025年我国3D视觉市场规模将超过100亿元。在这个未来的百亿级市场中,3D视觉将趋于智能化、集成化、实时性、高性能、多场景应用等方向。2D视觉虽为当前主流,但随着测量精度要求越来越高,被测物体条件越来越复杂,2D系统的缺陷也愈发突出,而3D视觉技术不断获得突破,在精度、灵活性和速度方面都是2D无可比拟的,所以3D机器视觉检测有取代2D系统的趋势,相信3D视觉未来将成为主流视觉系统。