機(jī)器視覺——即機(jī)器解讀并根據(jù)視覺輸入進(jìn)行反應(yīng)的能力——是廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化與制造、物流與倉儲、汽車與運(yùn)輸、安全與監(jiān)控、農(nóng)業(yè)等多個行業(yè)的核心技術(shù)。

以倉庫自動化為例。根據(jù)市場調(diào)研公司 Markets.us 的數(shù)據(jù)，預(yù)計該市場將從2023年的210億美元增長到2033年的910億美元，2024年至2033年復(fù)合年增長率（CAGR）為15.9%。這一激增源于對更快訂單履行的需求、人工成本上升以及客戶對速度和準(zhǔn)確性的期望提升，所有這些因素促使企業(yè)采用先進(jìn)的自動化技術(shù)來簡化運(yùn)營。

與此同時，對毫米級自動化工業(yè)和機(jī)器人系統(tǒng)的需求正在加速增長。隨著全球勞動年齡人口持續(xù)下降，倉儲、制造、建筑和農(nóng)業(yè)等行業(yè)正轉(zhuǎn)向智能自動化以填補(bǔ)勞動力缺口并維持產(chǎn)能。機(jī)器視覺是這一變革的核心，使機(jī)器人能夠執(zhí)行需要卓越靈巧、視覺敏銳和實(shí)時決策的任務(wù)。

在工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)所需的高速精度絕非易事。機(jī)器必須在動態(tài)、雜亂且光線昏暗的環(huán)境中做出瞬間決策。考慮以下任務(wù)相關(guān)的挑戰(zhàn)，例如：

• 高精度測量高速輸送帶上箱子的尺寸，實(shí)現(xiàn)自動分揀和發(fā)貨。

• 測量輸送帶或卡車和火車車廂內(nèi)散裝貨物的體積，用于物流和庫存管理。

• 處理大型物品如托盤，安裝在機(jī)械臂上的系統(tǒng)必須在不丟失準(zhǔn)確性的情況下捕捉完整的三維尺寸。

• 掃描道路、鐵路或跑道等表面，以在磨損、裂縫或碎片成為安全問題之前發(fā)現(xiàn)。

• 采礦作業(yè)中的傳送帶監(jiān)測，塵埃、黑暗和振動使光學(xué)系統(tǒng)不可靠。

滿足這些需求需要視覺系統(tǒng)，這些系統(tǒng)不僅能完成拍攝圖像。它們必須提供精確的深度感知，應(yīng)對多變的光照條件，并在惡劣或不可預(yù)測的環(huán)境中可靠地表現(xiàn)。它們必須超越靜態(tài)圖像供人類解讀，而是以豐富、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)驅(qū)動感知形式提供視覺，這正是機(jī)器實(shí)現(xiàn)真正自主所需的。為此，工程師可以利用多種機(jī)器視覺技術(shù)，每種技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢和局限，從傳統(tǒng)攝像頭到先進(jìn)的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

相機(jī)與光學(xué)系統(tǒng)

相機(jī)廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兡軌虿蹲礁叻直媛实亩S圖像，并且通過立體視覺或結(jié)構(gòu)化光投影等技術(shù)，能夠推斷深度。這些方法非常適合表面檢查、條碼或標(biāo)簽讀取以及顏色分析等任務(wù)。

然而，光學(xué)系統(tǒng)存在重要的局限性。它們的性能高度依賴受控光照，通常景深有限，且校準(zhǔn)和維護(hù)較為復(fù)雜。即使是環(huán)境條件的微小變化也會降低準(zhǔn)確性，使得攝像機(jī)不適合高速、大規(guī)模或需要強(qiáng)大深度感應(yīng)的惡劣工業(yè)環(huán)境。

激光雷達(dá)系統(tǒng)

激光雷達(dá)系統(tǒng)主要有三種類型：

1. dToF（直接飛行時間），測量透射光脈沖返回所需的時間。

2. iToF（間接飛行時間），測量發(fā)射波形與接收波形之間的相位偏移。

3. FMCW（頻率調(diào)制連續(xù)波），新一代相干光學(xué)傳感器，能夠測量距離和速度。

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，ToF激光雷達(dá)廣泛用于基礎(chǔ)的深度感測。例如，線掃描dToF系統(tǒng)可以安裝在傳送帶上，發(fā)射光脈沖并測量其往返時間，構(gòu)建一個由經(jīng)過物體組成的三維點(diǎn)云。iToF系統(tǒng)的工作原理不同：它們發(fā)射連續(xù)的幅度調(diào)制束，測量發(fā)射信號與反射信號之間的相位偏移。

對透明水瓶箱在激光雷達(dá)下方輸送機(jī)上以最高4米/秒速度移動的高精度3D成像。來源：SiLC這兩個ToF選項(xiàng)面臨類似的挑戰(zhàn)。在明亮環(huán)境條件下，它們的性能會下降，因?yàn)榧t光或藍(lán)紫激光容易“沖淡”。眼部安全考慮進(jìn)一步限制了可用功率水平，通常需要在帶有額外保護(hù)措施的二級激光輸出下運(yùn)行。ToF系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的靈敏度遠(yuǎn)不足以捕捉工業(yè)自動化中許多涉及“難以看見”物體如透明塑料外殼的角落情況。因此，雖然這些系統(tǒng)成本效益高且適合短程或受控環(huán)境，但在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中所需的準(zhǔn)確性、穩(wěn)健性和測距性能方面可能存在困難。

FMCW 激光雷達(dá)系統(tǒng)

雖然ToF激光雷達(dá)系統(tǒng)在許多短距離和成本敏感的應(yīng)用中有效，但它們受到精度有限、在明亮環(huán)境中的穩(wěn)健性降低以及嚴(yán)格的激光安全限制所限制其可用功率的限制。這些權(quán)衡使得它們難以擴(kuò)展到最具要求的工業(yè)自動化任務(wù)，而在這些任務(wù)中，更長的范圍、高分辨率和在各種條件下的可靠性是必不可少的要求。

這正是FMCW激光雷達(dá)的強(qiáng)項(xiàng)。與ToF不同，F(xiàn)MCW發(fā)射的是頻率隨時間變化的連續(xù)激光束。通過分析部分透射光與反射光混合產(chǎn)生的拍頻音，F(xiàn)MCW系統(tǒng)可以以極高的精度同時測量距離和速度。這種相干方法不僅能在廣泛的距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)亞毫米級（數(shù)百微米級）的精度，還使FMCW天生抗環(huán)境光或其他激光雷達(dá)系統(tǒng)干擾。

大多數(shù)FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)采用1550納米激光，波長超出了人類視網(wǎng)膜的敏感范圍。這在保持一級眼部安全要求的同時實(shí)現(xiàn)了顯著更高的輸出功率，使這些系統(tǒng)非常適合長距離、高分辨率和高精度測量應(yīng)用。

例如，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)支持毫米級精度，范圍可達(dá)10厘米至10米，且無“窗口”，且掃描速率快（每秒600線）和高分辨率（每行超過1300點(diǎn)）。FMCW激光雷達(dá)基于相干檢測原理，具有極高的靈敏度，使得能夠“看到”難以成像的物體，如透明水瓶。

這是一個由SiLC Technologies領(lǐng)先的FMCW線路掃描儀提供的示例性能。來源：SiLC

機(jī)器視覺的新時代

硅光子學(xué)和芯片集成FMCW激光雷達(dá)的最新進(jìn)展正在重塑工業(yè)自動化，使新一代智能、具備視覺驅(qū)動的機(jī)器能夠在動態(tài)、無結(jié)構(gòu)環(huán)境中以前所未有的速度、精度和可靠性運(yùn)行。

FMCW結(jié)合了長距離毫米級精度、對環(huán)境光的免疫以及速度/偏振感測——這些能力正成為高通量行業(yè)的關(guān)鍵任務(wù)。FMCW是實(shí)現(xiàn)物理人工智能的關(guān)鍵組成部分，機(jī)器能夠感知、理解并與現(xiàn)實(shí)世界互動，連接數(shù)字與物理領(lǐng)域。

隨著全球?qū)π省踩涂蓴U(kuò)展性的加速需求，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)不僅作為漸進(jìn)式改進(jìn)，更成為下一代機(jī)器視覺的定義性技術(shù)。