3D机器人视觉照明解决方案
Coherent VCSEL-based illumination modules address the unique challenges faced in 3D vision systems for autonomous robots.
December 2, 2024 by Coherent
在关于3D传感技术基础知识的介绍中，我们探讨了使机器能够感知深度的核心概念和技术。在本篇后续文章中，我们将深入探讨3D传感的一个具体应用——机器人视觉——并了解照明解决方案 如何解决方案 该领域的发展。
机器的崛起
家用机器人已不再是未来主义的概念。扫地机器人、拖地机器人、擦窗机器人和割草机器人等设备已成为日常生活中的便利之选。随着时间的推移，它们变得越来越智能、越来越先进。例如，早期的扫地机器人往往沿随机路径移动，而现代机型则利用先进的传感器绘制房间地图。它们能够避开障碍物，并系统地覆盖每个区域，从而更高效地完成清洁工作。
如今，得益于人工智能（AI）和机器学习的飞速发展，新一代功能更强大的机器人正在崭露头角。这些机器人不再局限于执行简单任务，而是开始承担诸如叠衣服、做饭和摆餐具等复杂工作。推动这一变革的关键技术之一，便是不断改进的3D视觉技术。
机器人视觉：开启新能力的钥匙
要让机器人变得更加熟练和多功能，更先进的视觉系统至关重要。视觉传感器使机器人能够在复杂环境中导航、识别和操作物体，并与人类安全互动。例如，一款在厨房中提供帮助的机器人必须能够感知深度，以避免碰撞、准确抓取物品，并在太空 人类太空 进行操作。正如人类依靠立体视觉来理解世界一样，机器人也需要这种能力才能有效地完成任务。
3D视觉至关重要，因为机器人必须在三维空间中运作——无论是穿行于家中、拾取物品，还是与人类及宠物互动。如果无法感知环境中的深度，它们的功能将仅限于非常基础的交互。
3D机器人视觉的方法
在机器人领域，实现3D视觉有多种方法。立体视觉是一种方法，它利用两台摄像头来模拟人类的深度感知能力。然而，立体视觉系统通常计算量很大，且往往受限于光照条件以及被观察物体的纹理。
正因如此，许多机器人视觉系统都采用了更高效的技术，例如结构光和飞行时间（ToF）传感。这两种方法均利用主动照明（通常在红外光谱范围内）来更可靠地捕获深度信息，且环境 较少。关于这些技术的详细讨论，请参阅我们的博客 文章《3D传感深度解析》。
简而言之，结构光的工作原理是将一种图案（如网格或点阵）投射到场景中，并测量该图案在接触表面时产生的变形情况。它非常适合短距离、高精度的任务，例如识别小型物体或细微细节。 相比之下，基于飞行时间（ToF）的技术通过测量光线从物体表面反射回来的时间来工作，其应用范围更为广泛。虽然它可能无法提供与结构光相同级别的细节，但它既适用于短距离也适用于长距离，因此特别适合用于机器人视觉。
ToF照明选项
ToF 系统通常采用两种照明方式：面照明和点投影。面照明可生成密集且均匀的点云，从而捕捉整个场景。然而，这种方式有时会面临信噪比较低的问题，且更容易受到多路径效应的影响——即光线在到达传感器之前会从多个表面反射。这可能会限制其在长距离下的测量精度。
另一方面，点阵投影仪生成的点云虽然更为稀疏，但通过减少多径干扰的影响，能提供更优的信噪比和更高的精度。此外，点阵投影仪通常具有更远的探测距离，因此在较大空间或复杂环境中的导航中更为有效。
机器人的潜在应用范围非常广泛。根据具体应用场景的不同，机器人开发者可以在泛光照明和点阵投影仪之间进行选择，或者在某些情况下将两者结合使用。例如，利用泛光照明进行大视场范围的感知，并在需要扩展感知范围时辅以点阵投影仪。
此外还值得注意的是，功耗对于自主机器人而言往往至关重要，因为它们在两次充电之间可能需要长时间运行。在这种情况下，由于点光源通常功耗较低，因此可能比泛光照明器更受青睐。
Coherent Illumination Solutions
Each robotic application has unique challenges, such as varying levels of ambient light, different viewing angles, and the need to operate effectively over a wide range of distances. For this reason, Coherent offers a range of off-the-shelf illumination modules that are ideally suited for robot vision applications. These include both flood illuminators and dot projectors, designed for seamless integration and optimal performance.
我们的泛光灯提供多种功率规格，从 4.5 瓦到 11 瓦不等，并提供从 60° × 45° 到 140° × 110° 的多种视场角选项。这些灯具效率极高，即使在电池供电的设备中也能确保可靠的性能。
我们的点阵投影仪同样用途广泛，提供多种配置，从67°×53°、1,100点到130°×110°、3,000点不等。它们具有光斑尺寸小、对比度高以及出色的眼部安全性等特点，因此适用于各种机器人应用。
我们所有的照明模块，无论是泛光照明器还是点阵投影器，均采用表面贴装技术（SMT）封装。这种紧凑的外形设计使其易于集成，并且与各大飞行时间（ToF）传感器制造商的参考设计完全兼容。
结论
With off-the-shelf SMT flood and dot projector modules from Coherent, it has never been easier to design customized illumination solutions for time-of-flight cameras in robot vision systems. Whether you’re developing the next generation of household robots or working on advanced applications in smart home automation, security, or mobile devices, our solutions provide the flexibility and performance you need to succeed.
