揭秘國(guó)內(nèi)獨(dú)家TOF深度攝像頭，助力機(jī)器人避障與室內(nèi)導(dǎo)航
TOF深度攝像頭利用光的飛行工夫測(cè)量距離，能夠?qū)崟r(shí)快速的計(jì)算深度信息，進(jìn)行精確的三維探測(cè)，是完成機(jī)器人避障和室內(nèi)定位與導(dǎo)航等運(yùn)用的一大法寶。
深度攝像頭是一切需求三維視覺設(shè)備的必需模塊，有了它，設(shè)備就能夠?qū)崟r(shí)獲取周圍環(huán)境物體三維尺寸和深度信息，更全面的讀懂世界。深度攝像頭給室內(nèi)導(dǎo)航與定位、避障、動(dòng)作捕捉、三維掃描建模等運(yùn)用提供了基礎(chǔ)的技術(shù)支持，成為現(xiàn)今行業(yè)研討熱點(diǎn)，而機(jī)器人、VR/AR等市場(chǎng)的火爆更是大力推進(jìn)了深度攝像頭的需求。
大家耳熟能詳?shù)纳疃葦z像頭技術(shù)和運(yùn)用有英特爾的RealSense、微軟的 Kinect、蘋果的 PrimeSense、以及谷歌的Project Tango等。不過可以看到這一技術(shù)的研討和開發(fā)多為國(guó)外公司，國(guó)內(nèi)計(jì)算視覺方面的公司或創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)屈指可數(shù)，技術(shù)上的壁壘相當(dāng)大。但《智慧產(chǎn)品圈》筆者了解到國(guó)內(nèi)的一家企業(yè)——深圳樂行天下科學(xué)有限公司在深度攝像頭的開發(fā)上已取得不錯(cuò)成績(jī)。
目前完成物體深度檢測(cè)的主流技術(shù)有三類：第一種是(單目)結(jié)構(gòu)光技術(shù)，其代表產(chǎn)品是Kinect I代，次要優(yōu)勢(shì)有辨認(rèn)距離遠(yuǎn);不過硬件難度和成本稍高，只合適室內(nèi)環(huán)境。第二種是雙目視覺技術(shù)，采用兩個(gè)RGB攝像頭，模仿人的兩眼進(jìn)行測(cè)距，精度更高，但容易受光照影響。第三種是飛行工夫法(TOF Time of flight)，能夠?qū)崟r(shí)快速的計(jì)算深度信息，進(jìn)行精確的三維探測(cè)，在體感運(yùn)用上非常好，但是成本較高、像素較低，目前能看到的運(yùn)用是微軟的Kinect II代。
樂行天下采用的正是第三類TOF技術(shù)，其原理是采用光的飛行工夫測(cè)量方法，將特定波長(zhǎng)(850nm)的紅外光經(jīng)過調(diào)制后發(fā)射出去，在遇見妨礙物后會(huì)反射回來(lái)，深度攝像頭的CMOS Sensor會(huì)捕捉到之間不同的相位，經(jīng)過計(jì)算光的飛行工夫，得出相應(yīng)的距離信息。
圖1：TOF測(cè)量原理
該公司開發(fā)的RGBD 3D視覺深度攝像頭設(shè)備除了有一顆TOF深度攝像頭以測(cè)量視覺范圍內(nèi)的景物深度信息和輪廓信息外，還有另外一顆普通RGB拍照攝像頭，用于獲得物理表面紋理信息，兩者結(jié)合就可以很好的判斷前方物體距離和外形，再配合樂行自主開發(fā)的人物辨認(rèn)、人臉辨認(rèn)、輪廓分離、骨骼追蹤、動(dòng)作辨認(rèn)等算法，可運(yùn)用于機(jī)器人定位和導(dǎo)航、VR/AR手勢(shì)辨認(rèn)、體感游戲、三維建模、工業(yè)智能化檢測(cè)等等領(lǐng)域。
圖2：樂行天下RGBD 3D深度攝像頭結(jié)構(gòu)圖
該公司機(jī)器人事業(yè)部聯(lián)合創(chuàng)始人陳鎏指出，相較于普通RGB雙目深度攝像頭，TOF優(yōu)勢(shì)明顯。由于前者對(duì)光照非常敏感，不同光照情況下效果不一樣，容易出錯(cuò)，特別到了早晨沒有光照的情況下基本失效。后者不受外界環(huán)境影響，無(wú)論白天亮夜都可以知道前方能否有妨礙物。而且發(fā)射的特定波長(zhǎng)的紅外光經(jīng)過樂行天下自主研發(fā)的微透鏡陳列后，會(huì)均勻地分散在攝像頭前方的空間內(nèi)，進(jìn)一步的進(jìn)步了發(fā)光的效率，使得該設(shè)備適用于復(fù)雜環(huán)境的室內(nèi)，也適用于無(wú)強(qiáng)烈陽(yáng)光直射的室外。
深度攝像頭有幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)規(guī)格，一個(gè)是檢測(cè)范圍，看最大檢測(cè)距離;第二是檢測(cè)精度，看誤差多少;第三是檢測(cè)角度，看鏡頭的視角多大;第四是檢測(cè)速度，每秒能刷新多少次。該設(shè)備的測(cè)量范圍為0.5-5m，精度誤差可達(dá)10mm，視場(chǎng)角可達(dá)80°(對(duì)角)，幀率30 FPS，其功能參數(shù)相當(dāng)不錯(cuò)。雖然其深度攝像頭像素是320×240，像素并不高，不過這個(gè)像素大小對(duì)于機(jī)器人等曾經(jīng)完全夠用。另一個(gè)RGB攝像頭有1920×1080的高清像素，視場(chǎng)角86×62×90，幀率亦是30FPS。
圖3：樂行天下RGBD 3D深度攝像頭效果圖
“目前利用TOF技術(shù)開發(fā)的深度攝像頭在國(guó)內(nèi)來(lái)說僅我們一家，國(guó)外做的公司也不多，能看到有實(shí)踐運(yùn)用的也只要微軟一家。”陳鎏表示。深度視覺本身就是一項(xiàng)開發(fā)難度很大的技術(shù)，要進(jìn)入這一領(lǐng)域需求有深沉的技術(shù)積累和跨越兩大壁壘，“一是工夫壁壘，我們的TOF傳感器采用的是TI的方案，由于不斷與TI有深度合作，所以可以比其別人提早半年將方案做出來(lái);TOF是TI去年才推出的，但是如今我們的板子(模塊)曾經(jīng)做出來(lái)了。二是算法壁壘，光拿到傳感器輸入的數(shù)據(jù)還不夠，由于噪點(diǎn)很大，需求做非常多的校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理等算法工作，這個(gè)非常關(guān)鍵，影響到整個(gè)輸入效果。”他說道。
為了能讓有需求的用戶可以快速集成深度攝像頭，樂行天下提供整個(gè)視覺模塊，包括光學(xué)部分，對(duì)不同的平臺(tái)都有相應(yīng)的支持，如提供Windows、Linux、Android零碎下的API庫(kù)，支持OPENNI接口和ROS零碎，同時(shí)也可以提供包括人物檢測(cè)、動(dòng)作捕捉等相關(guān)算法庫(kù)，還可以根據(jù)用戶實(shí)踐需求定制相關(guān)內(nèi)容。目前已有一些機(jī)器人公司在與該公司進(jìn)行合作。
陳鎏表示，大家對(duì)于樂行天下比較熟識(shí)的是其體感平衡車，但公司在機(jī)器人導(dǎo)航定位相關(guān)技術(shù)也曾經(jīng)有多年的技術(shù)沉淀，除了前面提到的3D深度攝像頭外，樂行機(jī)器人事業(yè)部還有基于自主研發(fā)的低成本激光雷達(dá)的模組套件和方案，包含SLAM全套算法，測(cè)量距離6米，可完成室內(nèi)定位與導(dǎo)航、避障;還有針對(duì)機(jī)器人零件，結(jié)合激光雷達(dá)、深度攝像頭、超聲波等模組以及碰撞傳感器等多種技術(shù)的方案，可進(jìn)行環(huán)境的混合感知，很好處理機(jī)器人在室內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中的定位和導(dǎo)航以及動(dòng)態(tài)妨礙物探測(cè)等成績(jī)。
“在以上三大領(lǐng)域，我們可提供良好的效果展現(xiàn)，優(yōu)質(zhì)的技術(shù)服務(wù)，以及低成本的模組套件，”他說道，“我們希望努力于機(jī)器人智能化和產(chǎn)業(yè)化的推行，將人工智能真正引入人們的生活。”
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