机器人“3D之眼”设计痛点，一文掌握

过去数十年中，2D成像技术有了长足的发展，分辨率从几十万像素发展到现在的上亿像素，色彩还原更真实，逆光环境下也能通过HDR技术提升图像质量。

然而，2D图像仅能够提供纹理（色彩）信息，无法提供实现更精准识别、追踪等功能所需的空间形貌、几何尺寸、位姿等信息。

3D视觉技术相对于2D技术提供了更丰富的被摄目标信息，可以在六个自由度（x、y、z、旋转、俯仰、横摆）上定位被摄目标，还原人眼视角的三维立体世界。基于3D视觉传感器采集的信息，不但有纹理（色彩）信息，还增加深度信息，也就是视场内的空间几何尺寸信息。这样围绕着物体、空间扫描一圈，就能得到点云图和精准的1∶1还原的3D模型。而有了这些信息作为输入，应用场景会大为增多，性能也会大幅提升。

目前市场上的3D相机产品主要是双目相机、结构光相机、ToF相机，每种设计都有其局限性。例如，双目相机在低照度下精度不佳，面对特征点少的平坦墙壁也存在挑战，对计算能力要求较高；结构光则需要复杂的光源系统，测量距离偏短；ToF则存在多路径反射，分辨率普遍较低，在室外阳光下存在挑战。各种挑战归纳如下：

• 工程师在开发过程中会遇到镜头选型设计的难点，比如景深、光圈、角度、畸变、MTF、成本之间的平衡，往往为了一个最佳的产品需要进行镜头的定制。

• 在AGV/AMR等移动设备上，双目相机的设计往往还需要考虑体积，需要选择芯片封装较小且高性能的GS图像传感器芯片，2颗芯片的控制和输出需要严格同步。同时双目相机在组装精度方面也有较高的要求。同时因为是电池应用，对于低功耗的需求也是非常重要的。

• 在进行ToF产品设计的时候，电源设计以及VCSEL驱动电路设计往往会存在挑战，如何能确保VCSEL能达到满意的反光功率是需要重点考虑，存在一版不成功需要改版的风险；iToF相机的内参校正硬件治具设计和方案往往也是工程师比较头疼的地方。

由发射和反射光信号之间的时间延迟来测量，给定固定的光速。为了精确地测量时延，经常使用短光脉冲。这种技术与3D激光传感器原理基本类似，只不过3D激光传感器是逐点扫描，而ToF相机则是同时得到整幅图像的深度信息。

特点是：和结构光方式相比，ToF并不需要对光的图案做复杂解析，只需要反射回来即可，这大大提高了鲁棒性，深度信息还原度比结构光好很多，点云的完整性更好。主要表现在：深度图质量要高于结构光，抗强光的干扰能力也更强一些，精度也要更高一些。但对于玻璃，是光技术的死穴，只能靠其他技术来弥补了。ToF速度高，但精度只有毫米级。ToF技术的难度较高，成本也较高。

ToF分为dToF和iToF。dToF和iToF在传感器原件上的区别是：iToF是使用CMOS工艺开发的图像传感器，而dToF需要使用单光子雪崩二极管（SPAD）的传感器。dToF有长距离与抗干扰性的特点，较适用于长距离的量测。而iToF由于有成本与空间图像分辨率的优势，很适合AI应用。由于iToF除了对于距离与空间的重现具有高度的可靠度外，还有分辨率的优势，近年发展很快。iToF之所以流行，因为相比于结构光、多目等3D感知方案，iToF是相对简单的。

安森美提供了一套全面的解决方案，以支持3D视觉技术的发展。对于每款传感器，安森美都会提供一份推荐镜头选型表，涵盖了市场上常用的镜头选项，并且能够根据客户需求进行镜头定制及性能测试评估。除了提供高性能的图像传感器芯片外，安森美还提供了详尽的参考设计文档和应用手册，帮助客户简化设计流程，缩短产品开发周期。安森美的图像传感器支持多种相机同步模式，并且在功耗控制方面优于同类产品。特别地，针对主流应用场景，安森美都进行了PRISM模组的设计与生产，使得客户可以直接采购这些预先集成好的模组，从而大大节省了开发成本和时间。

此外，为了解决市场上iToF产品普遍存在的分辨率低、测量距离短以及抗阳光干扰能力弱的问题，安森美推出了全新的1.2 M 像素的iToF产品AF0130。这款小尺寸（1/3英寸）的背照式（BSI）全局快门传感器内置了深度计算模块，可以直接输出深度信息。内部缓存机制有效减少了运动物体产生的伪影。其特有的Smart iToF模式加上940nm波长下超过40%的QE，即使在室外强光条件下也能保持良好的测量精度。更重要的是，AF0130采用了简化的校准方法，无需复杂的移动治具即可完成校正，这不仅降低了开发成本，也提高了生产效率。

在3D传感技术的加持下，未来机器视觉将朝向3D视觉方向不断发展和精进。安森美将通过不断更新的创新性解决方案，为3D视觉技术的应用提供强有力的支持。

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