常見(jiàn)的3D深度相機(jī)，根據(jù)工作原理的不同，分為ToF、結(jié)構(gòu)光、雙目視覺(jué)幾類。它們的工作原理和特性如何，如何才能挑選到機(jī)器人最合適的傳感器，這篇文章讓你一探究竟。

1. 雙目視覺(jué)相機(jī)工作原理

雙目視覺(jué)相機(jī)借鑒了人類雙眼的原理。它使用并排的，光軸平行的兩臺(tái)相機(jī)來(lái)觀測(cè)物體并感知被觀測(cè)到物體的深度信息。兩臺(tái)相機(jī)之間的距離是固定的，而兩臺(tái)相機(jī)光學(xué)中心之間的距離稱為基線距離。兩臺(tái)相機(jī)分別從不同的角度拍攝到被觀測(cè)物體。被觀測(cè)物體距離相機(jī)越近，其在兩臺(tái)相機(jī)上拍攝到的兩幅圖像中的相對(duì)位置變化就越明顯。這種相對(duì)的位置變化被稱為視差。根據(jù)兩臺(tái)相機(jī)拍攝產(chǎn)生的視差信息，就可以通過(guò)算法計(jì)算生成深度圖。對(duì)于被觀測(cè)物體的照明，則有被動(dòng)和主動(dòng)兩種方式。被動(dòng)方式使用外界環(huán)境光線包括普通日常人造光源來(lái)進(jìn)行照明以便于成像。而主動(dòng)方式則是在相機(jī)的拍攝視野范圍內(nèi)使用發(fā)光元件發(fā)射隨機(jī)的圖案打到待觀測(cè)物體表面，從而大大增加物體表面上便于用來(lái)識(shí)別和生成深度圖的紋理信息。一般地，多使用可生成偽隨機(jī)圖案的激光器，也可使用結(jié)構(gòu)光。雙目視覺(jué)方式的優(yōu)點(diǎn)包括對(duì)外界光線劇烈變化的魯棒性，以及多臺(tái)設(shè)備之間互相完全不會(huì)發(fā)生影響和干擾。雙目深度相機(jī)的成本根據(jù)檢測(cè)范圍、距離和要求的精度不同而變化。

1. 結(jié)構(gòu)光3D相機(jī)工作原理

結(jié)構(gòu)光的工作方式是用投影機(jī)將特定的光學(xué)圖案投射到視野中待觀測(cè)物體的表面，然后使用相機(jī)進(jìn)行拍攝，從而獲知3D深度信息。常用的光學(xué)圖案有點(diǎn)狀圖案、條紋狀圖案、或者具有色彩編碼的光學(xué)圖案，有時(shí)也使用隨時(shí)間變化的圖案。相機(jī)和投影機(jī)被固定連接在一起，因此相機(jī)相對(duì)于投影機(jī)的位置和角度是固定不變的。因此，相機(jī)拍攝到的是投射出的光學(xué)圖案打到待觀測(cè)物體表面而形成的變形后的狀態(tài)。通過(guò)計(jì)算投射出的原始圖案和拍攝到的實(shí)際圖案之間的差異，即可重建相機(jī)視場(chǎng)中的3D深度信息，并輸出深度圖像。結(jié)構(gòu)光方式對(duì)于透明物體，高反光率的表面，以及大范圍視場(chǎng)的效果不夠理想。另外這種方式的劣勢(shì)還包括：當(dāng)多臺(tái)設(shè)備的探測(cè)視場(chǎng)在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)重疊，或者外界環(huán)境光、其他光源和投影機(jī)打光的波長(zhǎng)相同的時(shí)候，會(huì)造成明顯的干擾而導(dǎo)致性能惡化。結(jié)構(gòu)光方式的優(yōu)勢(shì)則是在較小的工作范圍下，可以通過(guò)相對(duì)有限的成本得到較高的精度。

1. ToF深度相機(jī)工作原理

ToF(Time of Flight)的工作方式是通過(guò)測(cè)量光經(jīng)過(guò)一個(gè)特定距離所用的時(shí)間來(lái)計(jì)算出距離。ToF相機(jī)上分別有光發(fā)射器和接收器，由于光速是已知且固定不變的，光從發(fā)射器到待觀測(cè)物體表面再到接收器的時(shí)間和此段距離成正比，即可通過(guò)測(cè)量出所經(jīng)歷時(shí)間而計(jì)算出距離。ToF所使用的光發(fā)射器大多是紅外光LED或者激光器。

和結(jié)構(gòu)光方式類似，當(dāng)多臺(tái)ToF相機(jī)的探測(cè)視場(chǎng)在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)重疊，或者外界環(huán)境光、其他光源和ToF的光波波長(zhǎng)相同的時(shí)候，會(huì)造成明顯的干擾而導(dǎo)致性能惡化。因此，當(dāng)使用多臺(tái)ToF相機(jī)時(shí)，需要通過(guò)相機(jī)之間的同步控制來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。總體來(lái)說(shuō)，ToF工作方式的優(yōu)勢(shì)是較高的精度，不依賴外部光源，以及對(duì)于表面缺乏紋理的被測(cè)物體也能獲得深度信息。

ToF又可分為dToF和iToF兩種：

dToF(Direct Time of Flight)是指發(fā)射器發(fā)出單個(gè)的光脈沖，通過(guò)測(cè)量從發(fā)出脈沖到接受到從被測(cè)物體表面反射回來(lái)的光脈沖信號(hào)所經(jīng)歷的時(shí)間來(lái)計(jì)算出距離。

iToF(Indirect Time of Flight)的光發(fā)射器發(fā)出連續(xù)的經(jīng)過(guò)調(diào)制的光信號(hào)，測(cè)距依據(jù)的是發(fā)出的光和接受到的反射光之間的相位差。

綜合到移動(dòng)機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景中的應(yīng)用，對(duì)照上表的性能對(duì)比可以看到主動(dòng)雙目深度相機(jī)無(wú)疑是最好的選擇。首先雙目原理兼顧了室內(nèi)室外場(chǎng)景，避免了多機(jī)的干擾，對(duì)于環(huán)境具有最高的適應(yīng)性；同時(shí)在測(cè)量范圍和測(cè)量精度上也具有非常好的性能兼顧；最后雙目系統(tǒng)可以非常好地平衡成本，做到價(jià)格可控。

BIMU-OS30A/BIMU-OS20A已經(jīng)處于量產(chǎn)狀態(tài)，并通過(guò)多項(xiàng)第三方可靠性測(cè)試和認(rèn)證。