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技術(shù)文章
導(dǎo)讀
傳統(tǒng)工業(yè)3D視覺深陷兩難困局：要么高價(jià)換取高性能，要么犧牲精度以控制成本。智能iToF技術(shù)的崛起成功打破了這一局面。它通過片上深度處理、全局快門與高頻調(diào)制等創(chuàng)新，在維持成本優(yōu)勢的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了高分辨率、復(fù)雜光照穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)物體精準(zhǔn)捕捉。
一、現(xiàn)代iToF技術(shù)讓3D圖像處理動(dòng)起來
并非每款應(yīng)用都需要系統(tǒng)—但品質(zhì)不應(yīng)因此妥協(xié)。迄今為止，工業(yè)3D圖像處理僅有兩種選擇：要么性能良好但價(jià)格昂貴，要么價(jià)格低廉但需在分辨率和圖像質(zhì)量上做出妥協(xié)。然而，新型高集成度iToF傳感器憑借其高分辨率和集成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理功能，為注重成本的應(yīng)用場景提供了快速、易用的精準(zhǔn)3D技術(shù)解決方案。這是否不僅是填補(bǔ)市場空白的一種解決方案，更有望成為注重成本但要求嚴(yán)苛的3D應(yīng)用的？
場景與物體的三維捕捉是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化中的核心組成部分。基于圖案投影的主動(dòng)立體視覺等方法已被證明特別有效—尤其在需要細(xì)節(jié)、分辨率以及處理復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)時(shí)。基于投影的圖像相關(guān)技術(shù)，此類系統(tǒng)即使在復(fù)雜表面上也能捕捉大量可靠圖像點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)精確三角測量和生成詳細(xì)深度圖。這意味著您始終處于基于圖像的測量技術(shù)的前沿。
與此同時(shí)，飛行時(shí)間技術(shù)在近年經(jīng)歷了顯著的成熟進(jìn)程。雖然飛行時(shí)間（ToF）相機(jī)此前主要用于簡單的距離測量，但由于其分辨率、測量范圍或集成能力有限，在許多工業(yè)應(yīng)用中僅能發(fā)揮有限的作用。有限的探測范圍、較低的分辨率、對(duì)環(huán)境光的高敏感度以及無法準(zhǔn)確檢測移動(dòng)物體的深度，這些因素顯著限制了其實(shí)際應(yīng)用。
二、3D入門級(jí)相機(jī)，集成深度處理功能
隨著更多的傳感器架構(gòu)的出現(xiàn)，例如onsem推出的新型AF0130 iToF傳感器，其采用背照式像素（BSI技術(shù)）、全局快門、改進(jìn)的信號(hào)處理以及集成評(píng)估電子元件，使得情況發(fā)生了顯著變化。新型iToF相機(jī)搭載智能像素管理技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了更高的深度分辨率和更遠(yuǎn)的探測距離，更能從容應(yīng)對(duì)復(fù)雜光照環(huán)境。
與此同時(shí)，系統(tǒng)邏輯正在發(fā)生轉(zhuǎn)變：傳感器不再將原始數(shù)據(jù)發(fā)送至外部計(jì)算機(jī)，而是直接在芯片上執(zhí)行關(guān)鍵處理步驟—例如計(jì)算深度圖像、強(qiáng)度值和置信度圖。這種在傳感器端實(shí)現(xiàn)高度集成的3D處理趨勢，顯著簡化了集成過程—這是邁向智能緊湊型3D視覺系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)廣泛工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵一步。
三、分辨率與深度的精準(zhǔn)度
三維測量的質(zhì)量不僅取決于捕獲的像素?cái)?shù)量，更關(guān)鍵的是深度數(shù)據(jù)的精度。友思特合作伙伴IDS的新型3D相機(jī)采用onsemi 120萬像素AF0130傳感器，提供高XY分辨率，可掃描大面積區(qū)域內(nèi)的精細(xì)表面細(xì)節(jié)。
然而，另一個(gè)因素對(duì)實(shí)際深度精度至關(guān)重要：光信號(hào)的調(diào)制頻率，它在很大程度上決定了基于相位的飛行時(shí)間系統(tǒng)的精度和測量范圍。與市面上的標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)相比，onsemi可實(shí)現(xiàn)高達(dá)200 MHz的頻率—這無疑具有顯著優(yōu)勢。這是因?yàn)闇y量范圍被劃分為更小的區(qū)間，從而獲得了更高的深度分辨率。簡而言之：頻率越高，相機(jī)就越能精確地檢測相位位置的差異，從而更準(zhǔn)確地測量微小的距離變化。
即使的1毫米結(jié)構(gòu)，也能被IDS Nion 3D相機(jī)精準(zhǔn)解析
另一個(gè)優(yōu)勢：在高頻條件下，該系統(tǒng)對(duì)環(huán)境光干擾的敏感度降低—這對(duì)許多戶外工業(yè)應(yīng)用或光照條件快速變化的場景至關(guān)重要。onsemi的AF0130器件實(shí)現(xiàn)了高達(dá)200 MHz的調(diào)制能力，由此創(chuàng)造了顯著的技術(shù)空間。在近距離情況下，高頻可確保精度。另一方面，在遠(yuǎn)距離區(qū)域，頻率可進(jìn)行專門調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)具有穩(wěn)定深度分辨率的長距離探測。這種可擴(kuò)展性使系統(tǒng)更具靈活性—相較于采用固定且通常較低調(diào)制頻率的傳統(tǒng)飛行時(shí)間傳感器，這構(gòu)成顯著優(yōu)勢。
四、在復(fù)雜光照條件下仍能保持高圖像質(zhì)量
新推出的onsemi傳感器另一項(xiàng)應(yīng)用相關(guān)特性是其在940納米近紅外波段的高靈敏度—該波長范圍相較于850納米等波段，受日光干擾顯著較小。友思特合作伙伴IDS使用的iToF相機(jī)正是利用了這一特性，配合調(diào)諧至940納米的激光器工作。結(jié)果：即使在復(fù)雜的光照條件下，也能實(shí)現(xiàn)特別高的干擾光抑制和穩(wěn)定的3D測量。這使得該相機(jī)非常適合戶外應(yīng)用場景，在過去，直射或變化的陽光常常是戶外拍攝面臨的難題。
光學(xué)技術(shù)在此發(fā)揮著關(guān)鍵作用，確保3D相機(jī)能夠充分發(fā)揮其潛力。必須使用經(jīng)過專門優(yōu)化以適應(yīng)相機(jī)波長范圍的鏡頭。這是確保即使在戶外等復(fù)雜光照條件下，光輸出和圖像質(zhì)量仍能保持穩(wěn)定高水平的途徑。此外，非球面鏡片可確保整個(gè)成像區(qū)域的銳度均勻，并減少光學(xué)畸變，從而顯著提升圖像質(zhì)量，同時(shí)省去了耗時(shí)的后期校正步驟。為滿足近距離與遠(yuǎn)距離的多元工業(yè)應(yīng)用需求，鏡頭設(shè)計(jì)必須確保從近距離到遠(yuǎn)距離都能提供穩(wěn)定的清晰度—無需重新對(duì)焦。
五、挑戰(zhàn)—移動(dòng)物體的3D數(shù)據(jù)
可靠捕捉動(dòng)態(tài)場景的能力正日益成為工業(yè)3D相機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。這正是許多傳統(tǒng)技術(shù)迄今為止所達(dá)到的極限所在。特別是在結(jié)構(gòu)光方法或基于立體視覺的系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致偽影或測量誤差—例如通過多重曝光、圖像模糊或圖像對(duì)相關(guān)性錯(cuò)誤。對(duì)于許多涉及動(dòng)態(tài)過程、快速移動(dòng)物體或傳送帶速度的應(yīng)用場景而言，這意味著要么忍受功能限制，要么依賴復(fù)雜且昂貴的專用解決方案。
旋轉(zhuǎn)的140毫米風(fēng)扇輪的3D點(diǎn)云（左）、深度圖像（中）和強(qiáng)度圖像（右），拍攝距離為40厘米，轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分鐘。
具備集成數(shù)據(jù)處理和全局快門功能的3D相機(jī)，為該領(lǐng)域帶來了根本性的范式轉(zhuǎn)變。由于深度信息是直接在設(shè)備上按像素進(jìn)行采集并實(shí)時(shí)評(píng)估的，因此數(shù)據(jù)傳輸至PC后，許多關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)處理步驟已不再必要。現(xiàn)代傳感器如AF0130，即使面對(duì)移動(dòng)物體也能實(shí)現(xiàn)無縫3D檢測，且不會(huì)影響檢測精度或響應(yīng)速度。這對(duì)于機(jī)器人技術(shù)、物流、包裝以及持續(xù)生產(chǎn)中的質(zhì)量保證等應(yīng)用尤為有益。
無需停止傳送帶或機(jī)器人，生產(chǎn)流程便能以更快的速度和更高的效率運(yùn)行，從而提升生產(chǎn)效率。 要計(jì)算單個(gè)深度值，通常需要四個(gè)不同相位位置（通常為0°、90°、180°和270°）的協(xié)調(diào)曝光。這四個(gè)信號(hào)隨后被用于計(jì)算相位差—從而測得距離。得益于其特殊的像素架構(gòu)和集成式片上處理，AF0130 iToF傳感器能夠快速連續(xù)捕獲全部四個(gè)相位圖像，并將其直接完整地存儲(chǔ)在芯片內(nèi)存中—無需任何中間讀出過程。這顯著縮短了兩次曝光之間的時(shí)間，并明顯減少了運(yùn)動(dòng)模糊。連續(xù)閱讀的另一個(gè)優(yōu)勢：深度信息可高效重新排序并直接進(jìn)行后續(xù)處理—無需耗時(shí)的后處理。這不僅使相機(jī)更抗震動(dòng)，還能實(shí)現(xiàn)更高的幀率并減輕主機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載。這具有決定性優(yōu)勢，尤其在機(jī)器人技術(shù)、物流或拾取放置等動(dòng)態(tài)應(yīng)用中。
onsemi傳感器的Hyperlux技術(shù)能夠?qū)⑾辔粓D像快速采樣至內(nèi)部存儲(chǔ)器，并實(shí)現(xiàn)完整讀出，從而在運(yùn)動(dòng)過程中減少運(yùn)動(dòng)偽影.（圖像來源：onsemi）
六、智能iToF
憑借Hyperlux傳感器，onsemi在iToF技術(shù)發(fā)展中取得了重大里程碑。全球快門、內(nèi)部存儲(chǔ)器與片上深度處理技術(shù)的集成，有效解決了傳統(tǒng)飛行時(shí)間系統(tǒng)的核心難題，例如探測距離受限、環(huán)境光敏感性及系統(tǒng)級(jí)延遲等問題。這使得iToF技術(shù)對(duì)那些此前依賴其他3D技術(shù)的應(yīng)用場景具有吸引力。然而，僅憑傳感器還不足以打造出相機(jī)解決方案。決定性因素在于光學(xué)、電子、軟件與系統(tǒng)集成之間的協(xié)同互動(dòng)。
因此，onsemi特別注重與經(jīng)驗(yàn)豐富的相機(jī)制造商開展緊密合作—例如友思特合作伙伴IDS，該公司在工業(yè)3D相機(jī)市場深耕多年。由此誕生的uEye 3D相機(jī)，生動(dòng)詮釋了智能iToF技術(shù)如何轉(zhuǎn)化為實(shí)用的整體系統(tǒng)。因此，iToF正日益從工業(yè)3D圖像處理領(lǐng)域的補(bǔ)充方案，轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾奶娲桨浮绕洚?dāng)需要易用性、高集成能力和在多變操作條件下穩(wěn)定的成像結(jié)果時(shí)。
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