芯耀
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近年來(lái)，3D 感知技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其是工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、自動(dòng)駕駛、醫(yī)療保健、AR/VR 和安全領(lǐng)域。3D 感知是用于捕捉環(huán)境與物體三維形狀并進(jìn)行數(shù)字化處理的技術(shù)的統(tǒng)稱，而深度感知在其中起著關(guān)鍵作用。
深度感知是實(shí)現(xiàn) 3D 測(cè)繪、物體識(shí)別、空間感知等高級(jí)認(rèn)知功能的基礎(chǔ)技術(shù)。對(duì)于需要精確實(shí)時(shí)處理環(huán)境與物體的形狀、位置和運(yùn)動(dòng)的領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)不可或缺。通過(guò)深度感知技術(shù)，可以準(zhǔn)確獲取目標(biāo)物體的位置信息，有助于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)和智能化操作。
本文為第一篇，將主要介紹深度感知應(yīng)用、深度感知的方法。
深度感知應(yīng)用
工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人
隨著智能工廠的發(fā)展，深度感知正被應(yīng)用于生產(chǎn)線的自動(dòng)化和質(zhì)量檢驗(yàn)。它能夠捕捉傳統(tǒng)二維視覺(jué)難以處理的三維形狀，從而實(shí)現(xiàn)高精度定位和自適應(yīng)控制。
協(xié)作機(jī)器人（取放）
為了準(zhǔn)確識(shí)別和抓取隨機(jī)放置的零件，垂直方向的距離檢測(cè)至關(guān)重要。通過(guò)深度感知生成 3D 點(diǎn)云，并結(jié)合基于 AI 的物體識(shí)別算法，機(jī)器人就能適應(yīng)環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)拾取操作。
此外，確保人機(jī)協(xié)作的安全性也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)上，為了安全起見(jiàn)，機(jī)器人工作區(qū)域的周?chē)鷷?huì)放置物理屏障；當(dāng)有人靠近時(shí)，機(jī)器人必須停止工作，這會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)線暫停和生產(chǎn)效率降低。2D 攝像頭可以檢測(cè)到有物體進(jìn)入工作區(qū)域，但是很難準(zhǔn)確判斷物體靠近的距離。如果能夠獲取實(shí)時(shí)深度信息，機(jī)器人就可以在不停止生產(chǎn)線的情況下控制運(yùn)轉(zhuǎn)速度。
自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR) 和自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)輛 (AGV)
在工廠和倉(cāng)庫(kù)中，負(fù)責(zé)貨物運(yùn)輸?shù)膫}(cāng)庫(kù)機(jī)器人 (AGV/AMR) 為了安全工作，需要識(shí)別周?chē)h(huán)境并確定自己的位置。SLAM（同步定位與地圖構(gòu)建）技術(shù)可用于生成必要的 3D 地圖、估算機(jī)器人的位置并避開(kāi)障礙物。深度感知對(duì)于 SLAM 的定位起著至關(guān)重要的作用。此外，深度感知還用于人機(jī)協(xié)作時(shí)檢測(cè)人員和動(dòng)態(tài)避讓，或是用于手勢(shì)識(shí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)控制目的。
測(cè)量包裹尺寸
使用深度傳感器可以實(shí)時(shí)捕捉傳送帶上移動(dòng)的物料和包裹的形狀、體積與尺寸，從而有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品識(shí)別和根據(jù)配送目的地分揀等流程的自動(dòng)化。
檢驗(yàn)和質(zhì)量控制
在產(chǎn)品外觀檢查環(huán)節(jié)，利用深度感知技術(shù)可以高精度地檢測(cè)出細(xì)微的形狀瑕疵。它能夠檢測(cè)高度方向上的異常（例如表面不規(guī)則或扭曲），而傳統(tǒng)的二維圖像處理很難做到這一點(diǎn)。
門(mén)禁控制
在門(mén)禁控制（出入口管理）和監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用深度感知技術(shù)，可以顯著增強(qiáng)傳統(tǒng)的安全技術(shù)。深度感知在生物識(shí)別認(rèn)證和非法入侵偵測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
3D 人臉識(shí)別（生物識(shí)別驗(yàn)證）
與傳統(tǒng)的 2D 人臉識(shí)別相比，采用深度感知技術(shù)的 3D 人臉識(shí)別具有更高的安全性。通過(guò)利用深度傳感器和基于深度學(xué)習(xí)的人臉識(shí)別算法，可以實(shí)現(xiàn)以下先進(jìn)的身份驗(yàn)證功能：
防止深度偽造和照片偽造（利用 3D 深度信息實(shí)現(xiàn)反詐騙）
提高弱光和夜間環(huán)境下的識(shí)別準(zhǔn)確度（NIR 深度傳感器）
大型設(shè)施中的實(shí)時(shí)身份驗(yàn)證和監(jiān)控（同時(shí)識(shí)別多人）
非法入侵檢測(cè)
將監(jiān)控?cái)z像頭與深度感知技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的非法入侵檢測(cè)。3D 邊界監(jiān)控和人員追蹤系統(tǒng)在增加了距離信息后，能夠識(shí)別傳統(tǒng) 2D 監(jiān)控?cái)z像頭難以檢測(cè)到的情況，從而降低誤檢的可能性。
自動(dòng)駕駛、ADAS（先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)）、DMS、OMS
自動(dòng)駕駛汽車(chē)利用激光雷達(dá)和立體攝像頭實(shí)現(xiàn)深度感知，從而識(shí)別周?chē)h(huán)境。此技術(shù)使得汽車(chē)能夠?qū)崟r(shí)了解周?chē)目臻g情況，有助于汽車(chē)檢測(cè)障礙物和規(guī)劃行駛路徑。 此外，深度感知越來(lái)越多地用于座艙應(yīng)用，例如駕駛員監(jiān)控系統(tǒng) (DMS) 和乘客監(jiān)控系統(tǒng) (OMS)。
AR/VR 和娛樂(lè)
VR 頭戴設(shè)備和 AR 設(shè)備利用深度感知技術(shù)識(shí)別用戶周?chē)h(huán)境，讓用戶實(shí)現(xiàn)與虛擬物體的交互。最近，飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器的引入大幅提升了空間測(cè)繪的精度。運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)利用深度信息可以實(shí)現(xiàn)流暢的運(yùn)動(dòng)分析，不再需要使用傳統(tǒng)的標(biāo)記點(diǎn)。
圖 1. 深度感知在倉(cāng)庫(kù)中的應(yīng)用
醫(yī)療保健
手術(shù)輔助機(jī)器人利用深度感知技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí) 3D 成像，提升內(nèi)窺鏡手術(shù)的精準(zhǔn)度。結(jié)合 ToF 攝像頭和立體視覺(jué)，手術(shù)機(jī)器人可以測(cè)量器官組織的深度，從而提高手術(shù)的安全性。此外，在康復(fù)治療中，可以利用深度攝像頭分析患者的運(yùn)動(dòng)情況；當(dāng)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)時(shí)，可以制定優(yōu)化的康復(fù)方案。
深度感知的主要方法
立體視覺(jué)
立體視覺(jué)是一種利用左右兩個(gè)攝像頭拍攝的圖像的視差來(lái)識(shí)別三維物體的技術(shù)。通過(guò)分析兩幅圖像的視差來(lái)獲取深度信息，再利用三角測(cè)量原理確定物體的距離。由于它僅依賴光線接收，因此目標(biāo)物體的反射率一般不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。
然而，測(cè)量精度會(huì)受到攝像頭之間的距離（基線）、鏡頭的焦距和圖像傳感器的像素?cái)?shù)量的影響。因此，攝像頭尺寸與精度之間存在反比關(guān)系。此外，在夜間或弱光條件下，測(cè)量精度通常會(huì)降低。為獲取深度信息所需的計(jì)算量相對(duì)較大。
結(jié)構(gòu)光
結(jié)構(gòu)光方法涉及投射特定的光圖案，并分析反射光圖案的失真度，以此獲取深度信息。通過(guò)使用高分辨率投影儀和高靈敏度 / 高分辨率 CMOS 傳感器，從多個(gè)角度捕捉圖像，可以構(gòu)建高精度的 3D 掃描儀。該方法廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)等測(cè)量應(yīng)用。
獲取深度信息所需的計(jì)算量相對(duì)較大。此外，如果物體在測(cè)量過(guò)程中移動(dòng)，則無(wú)法獲得準(zhǔn)確信息，因此該方法通常不適合動(dòng)態(tài)移動(dòng)目標(biāo)。
飛行時(shí)間 (ToF)
飛行時(shí)間法利用光線往返時(shí)間來(lái)測(cè)量深度（距離）。ToF 方法主要分為兩類：直接飛行時(shí)間 (dToF) 和間接飛行時(shí)間 (iToF)。
直接飛行時(shí)間 (dToF)：直接飛行時(shí)間 (dToF) 是一種直接測(cè)量光脈沖發(fā)射后從物體反射回來(lái)所需時(shí)間的方法。通過(guò)精確測(cè)量從激光脈沖發(fā)射到反射光接收的時(shí)間，可以計(jì)算出目標(biāo)的距離。該方法適合于需要長(zhǎng)距離測(cè)量和高精度的場(chǎng)合，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛和機(jī)器人領(lǐng)域，例如光檢測(cè)和測(cè)距 (LiDAR)。然而，它測(cè)量的是光脈沖的飛行時(shí)間，所以本質(zhì)上測(cè)量的是點(diǎn) (1D)。為了實(shí)現(xiàn) 2D 或 3D 成像，必須掃描光源，或者采用多個(gè)光源和光電探測(cè)器組成的陣列。因此，用這種方法實(shí)現(xiàn)高分辨率通常很困難。
間接飛行時(shí)間 (iToF)：間接飛行時(shí)間 (iToF) 是一種通過(guò)發(fā)射調(diào)制連續(xù)光并測(cè)量反射光的相移來(lái)計(jì)算距離的方法。該技術(shù)涉及以恒定頻率調(diào)制照射光，并分析反射光的相移，從而獲取深度信息。iToF 支持同時(shí)獲取整個(gè)畫(huà)面中每個(gè)像素的距離信息，這使得實(shí)時(shí)距離測(cè)量（即錄制包含距離信息的視頻）和高分辨率成像成為可能。但是，它容易受到環(huán)境光干擾，并且測(cè)量范圍相對(duì)較短。此外，深度計(jì)算需要多次曝光，這在目標(biāo)快速移動(dòng)時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致圖像模糊。
與其他方法相比，利用飛行時(shí)間 (ToF) 法獲取深度信息所需的計(jì)算量較小。直接飛行時(shí)間 (dToF) 技術(shù)廣泛用于 LiDAR 等眾多應(yīng)用。然而，它在提高 3D 分辨率方面存在結(jié)構(gòu)性挑戰(zhàn)，而且成本高昂。 另一方面，間接飛行時(shí)間 (iToF) 技術(shù)雖然更容易實(shí)現(xiàn)高分辨率，但較易受到環(huán)境光干擾，導(dǎo)致應(yīng)用范圍受限。
未完待續(xù)，后續(xù)推文將介紹安森美的 iToF 方案：Hyperlux? ID等。
