概述

3D成像技術在幾十年前就出現了，但第一個產品直到2000年代才商業化，當時許多大型電影公司使用最新的高清視頻攝像機，以3D形式發行電影。此后，該領域在速度、精度和3D成像分辨率方面都有了飛躍式的發展，不僅是在消費市場，在機器視覺行業也得到了廣泛的應用。

隨著工業4.0革命的到來，由于2D視覺在復雜物體識別、尺寸標注的精度和距離測量方面的局限性，以及人類/機器人交互等復雜情況下的局限性，3D視覺的需求正在增加。

3D視覺增強了工廠自動化市場中機器人/機器系統的自主性和有效性，因為這對于更高精度的質量檢測、逆向工程等2D視覺受限的應用至關重要。此外，視覺系統引導機器人的使用正在增長，需要3D視覺來實現更好的遠程引導、障礙識別和精確移動。

3D視覺還使用了能預防和解決危險情況的系統，以及能夠計數和區分人與機器人或物體的監視系統，實現在密集的人機交互中保護工廠工人的安全。

3D視覺正在影響社會，因為它能夠為最終用戶提供更安全、性能更好和更有效的輔助系統。例如，3D視覺是自動駕駛汽車、協作機器人等高級汽車輔助驅動系統的推動因素。

在條形碼掃描和OCR等領域，2D成像仍然存在。它在工廠和倉庫中發揮著不可或缺的作用，在這些地方，得益于區塊鏈的采用以及推動著物流中心和運輸實現驚人增長的電子商務繁榮，其使用正在上升。Teledyne e2v公司擁有專門用于代碼掃描的獨特2D成像產品，如Topaz傳感器系列，具有實現高掃描速率和可靠性的性能與特點。

為了獲得3D圖像，存在多種技術和方法。主要有：

? 立體視覺 - 使用兩個安裝在物體不同視角的攝像頭，采用校準技術對齊攝像頭之間的像素信息并提取深度信息。這類似于我們的大腦進行視覺距離測量的工作方式

? 結構光 - 一個已知的光圖案被投射到一個物體上，深度信息通過該圖案在物體上的形變方式來計算

? 激光三角測量

激光三角測量系統通過將相機與激光源配對來實現三維測量。由于已知激光和相機之間 的角偏移，該系統使用三角函數測量激光線的幾何偏移（其值與物體的高度有關）。該技術基于對物體的掃描。

? 飛行時間

光源與圖像傳感器同步，根據光脈沖與反射回傳感器的光之間的時間計算距離。

每種技術都有其優缺點，因此，取決于目標應用（特別是距離范圍和深度精度要求），有些技術比其他技術更適合。表1中進行了相對比較。

雖然它仍然代表著工廠自動化和倉庫視覺系統的一小部分，但目前越來越多的3D系統使用都是基于3D立體視覺、結構光相機或激光位移的基礎。這些系統在固定的工作距離下工作，需要對特定的檢測區域進行大量校準工作。飛行時間系統克服了這些挑戰，從應用的角度提供更多靈活性，但其中大部分仍然受到圖像分辨率的限制。

Teledyne e2v在機器視覺方面底蘊深厚，包括在線掃描相機和區域掃描傳感器，現在已經建立了一個專門用于3D成像的獨特平臺。這將支持最新的工業應用，如視覺引導機器人、物流自動化引導車輛 (AGV)、工廠監控和安全、手持掃描儀和戶外應用。Teledyne e2v旨在基于多種3D技術提供始終如一的產品，滿足客戶的應用需求。

超越2D，3D視覺帶來快速而準確的檢測，提高生產率

工廠的自動化提高了生產率，從產品檢測和庫存的所有周期中節省時間和成本。為了優化這些因素，擁有視覺系統的機器需要以更高的速度和更佳的性能運行。

隨后，由于2D視覺受到限制，3D視覺被廣泛應用于更高精度的質量檢測、逆向工程或物體尺寸檢測。激光三角測量技術通常用于這些類型的應用，因為三軸上要求高分辨率，因此需要非常高速的傳感器。

圖1：激光三角測量應用示例

10多年來，Teledyne e2v一直與3D激光三角測量市場領導者合作，開發定制傳感器。2019年，Teledyne e2v推出現成傳感器系列 Flash，以滿足高速生產線對高速體積測量和檢測的挑戰性要求。

Flash CMOS傳感器出色地將4096 x 1024像素和2048 x 1024像素的分辨率結合，分別具有1800 fps和1500 fps(8位) 的幀速率以及61.4 Gbps和25.6 Gbps的標準光學格式讀出速度 (分別對應 APS似光學和C-Mount）。

新傳感器的設計旨在為相機制造商提供低成本的便捷集成，包括廣泛的基于應用的功能，使其在使用中具有很高的靈活性，例如：

? 高達100 dB的高動態范圍模式，能夠通過高達100 dB的HDR模式測量和檢測同一圖像中的高反射表面和暗區

? 多個感興趣區域模式，允許在剖面速率和高度測量的范圍/分辨率之間進行完美的平衡

? 一些參數的幀到幀“熱”變化模式，實現靈活性和對環境條件的實時適應

? 不同的觸發模式，完美適應生產線的速度

對工業市場的主要好處：

? 更高的生產速率 - 得益于非常高的幀率與2k或4k水平分辨率結合

? 具有成本效益的系統 - Flash系列提供水平高分辨率和所需的垂直分辨率（相對于標準形狀因數），以減少硅尺寸，從而降低傳感器和系統成本

? 使用上的高度靈活性 - 例如，由于其單一捕獲HDR等功能，可以實時適應環境條件和生產線速度。

超越2D，3D視覺簡化工廠的自主性和有效性

為了提高工廠自動化的自主和有效運作，自主引導機器人的使用越來越多。隨著工廠和倉庫變得越來越自動化，工作站中人類與機器之間的合作越來越緊密，使預防和安全變得更加重要。

在這種不可預測的工作環境中，飛行時間系統 (ToF) 是理想之選，因為它們具有實時3D信息獲取和決策能力，在快速場景中檢測物體或人物的能力。飛行時間技術具有兩種方法：直接飛行時間和間接飛行時間：

? 直接飛行時間 -該系統通過直接計算光線從物體上反射回來的時間來測量距離

? 間接飛行時間 -該系統通過計算光信號發射到物體和反射回來時的相位差來測量距離。這使得系統能夠構建3D圖。

圖2：直接飛行時間與間接飛行時間的利弊

Teledyne e2v公司通過定制傳感器為直接飛行時間系統提供解決方案，通過完整的標準產品組合為間接飛行時間系統提供解決方案。

Teledyne e2v擁有超過10年的飛行時間技術和解決方案經驗，具有創新飛行時間像素的強大能力，這是基于自動化機器人汽車和監控領域領先研發的定制傳感器經驗。

我們設計的標準飛行時間傳感器具有客戶正在尋求的以下關鍵特性：

? 高空間分辨率傳感器，實現大視場覆蓋和高角度分辨率

? 快速和實時的3D檢測，沒有任何運動偽影，全分辨率下超過30 fps的深度圖

? 兼有中短距離、長距離檢測和管理

? 任何條件下的超可靠距離測量：卓越的精度以及對環境光條件和多系統操作的穩健性

處理復雜環境操作的飛行時間

與其他3D技術相比，飛行時間系統具有速度快、操作簡單、價格低廉、具有良好的中長距離3D性能等優點。

如前所述，飛行時間系統高度靈活，因此系統可以安裝在移動機器人中，因為它不需要根據設置進行校準（如工廠校準）。該系統還可以適應各種操作設置，使飛行時間系統能夠很好地適應復雜環境和條件下的操作。

下面是工廠和倉庫應用的一些示例，飛行時間是其中的最佳選擇。

圖3：飛行時間應用示例

? 測量箱子或包裝的大小和體積 - 飛行時間成像系統可以測量箱子/包裹的大小和體積，獲得最有效的托盤化或調整（包裝和卡車裝載優化）或高效的產品線

? 用于智能和高效倉庫管理的貨物識別 - 飛行時間成像系統在比常規2D圖像處理更短的時間內檢測貨物或包裹的尺寸

? 拾取和放置 - 飛行時間成像系統進行檢測和識別，使正確的對象在正確的位置被拾取和放置，具有非常高的精度水平，比傳統2D圖像的處理時間更短。

與其他3D技術相比，飛行時間系統更有利于機器人在工廠環境中自主安全導航。

如今，大多數導航系統使用傳統的激光雷達掃描儀來檢測目標，但有一些缺點，越來越多的解決方案正在出現，如間接飛行時間等替代技術。與傳統的激光雷達掃描儀相比，間接飛行時間系統提供實時圖像信息，響應速度快，無運動偽影。它們也更堅固、更緊湊，因為不涉及機械部件，而且更便宜，因為它是一種使用更少功率和更少計算的固態設計。

在上述應用程序中，飛行時間系統處理了許多挑戰。該系統需要處理從10米開始的短距離和中距離，需要在沒有任何運動偽影的情況下實現快速度（今天，市場上的大多數飛行時間解決方案都專注于5-6米的短距離）。此外，當機器人在工廠/倉庫中移動且需要在同一區域內不受其他機器人干擾的情況下操作時，該系統可以適應多種不斷變化的光照條件。

為了應對所有這些具有挑戰性的條件，Teledyne e2v公司于2020年7月推出Hydra3D傳感器。這類領先的飛行時間傳感器具有創新的像素和高度靈活的配置，提供非常高的動態范圍，這是飛行時間應用中非常深層次的東西(大范圍物體反射和距離的結合）。Hydra3D的分辨率為832 x 600像素，具有10微米三內存節點尖端像素，可實現最高水平的3D性能，包括高深度分辨率、高速度和靈活的操作條件。

表2：傳統激光雷達與間接飛行時間的“頂層”比較

Hydra3D還具有創新的多抽頭像素，能夠同時獲取構建3D圖像所需的三個相位，從而能夠在沒有任何運動偽影的情況下，從快速移動的場景中獲取準確的3D信息。

三內存節點像素能夠在一幀中捕獲和存儲重建3D圖所需的不同相位的信息，而不是其他間接飛行時間技術所需的多幀。這可以在快速移動場景中有力地避免任何運動偽影。這類似于在2D視覺中對比全局快門模式和卷簾快門模式。

三內存節點像素可以用一串光脈沖捕獲所有相位，從而優化光照功率利用。

在上述例子中，需要三個圖像（兩個相位+背景）。如果使用單內存節點像素傳感器（目前最常見），則需要循序地曝光和讀出多個相位。拍攝一次光得到相位0，另一次得到相位1，然后運行第三次沒有光的采集并讀出以獲得背景信號。然后計算3D圖像。因此，如果有一個移動的物體，運動偽影將出現，因為每個相位物體將位于不同的位置。此外，光脈沖序列需要發送并拍攝兩次，即每個相位一次。

使用多內存節點像素傳感器，例如上述三內存結點像素，所有曝光和讀出都以交錯的方式進行，因此所有相位幾乎都是并行獲得的，可以最大程度地減少運動偽影。此外，由于相位可以用單個光脈沖序列捕獲，因而降低了平均光照功率，這從眼睛安全和功耗的角度來看都很重要。

注意，運動偽影和運動模糊之間的區別類似于2D視覺中滾動快門和全局快門之間的區別。運動模糊可以稍微扭曲快速移動的對象，但不會提供錯誤信息，而運動偽影可以徹底改變對象的外觀并提供錯誤的測量，這在某些應用程序中可能產生重大后果。

Hydra3D傳感器的其他優點包括配置的靈活性和其他片上特性。例如，一個強大的片上HDR功能結合了高幀率和靈活配置，可以在距離范圍、物體反射率、幀率等之間進行平衡，同時具有抗環境光干擾的穩健性。在單一觸發序列中，Hydra3D啟動了一系列采集和讀出，易于編程，從而成為一個非常強大的工具，能夠適應各個應用的條件。多個測量序列允許在不同的距離范圍或以不同的精度測量，或執行2D捕獲，全部都在一個單觸發序列中。最重要的是，序列可以在幀與幀之間實時變化，無需停止傳感器。

獨特的片上特性，穩健的抗多飛行時間系統干擾功能，使非同步系統可以同時工作而不互相影響。由于飛行時間需要主動照明，一個系統可能會受到在同一區域同時運行的另一個系統發出的光的干擾，這可能導致不正確的距離測量。

Hydra3D傳感器的主要特點：

CCD時代的飛行時間：

飛行時間圖像處理比傳統的2D視覺系統復雜得多。它涉及光學和取決于幾個參數的光系統（如傳感器或視場、工廠內校準、特定傳感器配置），以完美地滿足應用需求。

我們經常將飛行時間傳感器與CCD傳感器進行比較，因為設置的復雜性要求在系統級別上投入大量精力來集成傳感器，因此掌握應用設置的需求變得至關重要。

Teledyne e2v 公司基于自己在飛行時間CMOS傳感器方面的專長，并與客戶密切合作，在評估飛行時間系統固有挑戰方面獲得了扎實的經驗。為了幫助客戶縮短上市時間，并獲得最佳的飛行時間系統，滿足他們的應用需求，我們提供從CMOS圖像傳感器、定制相機模塊到完整系統集成支持的技術解決方案。這包括評估平臺的參考設計、光和光學評估、人眼安全考慮、建模和仿真、算法和校準等。

總結

隨著工廠和配送倉庫的日益自動化，對有效和自主工業系統的需求日益增加，尤其是針對引導機器人和機器的3D視覺（實現物體識別、導航、高速度和高精度）。目前存在多種3D技術，每種技術都有其利弊，首選的技術在很大程度上取決于應用要求。所有這些技術都需要具有復雜功能的高性能傳感器。

Teledyne e2v公司得到市場領導者的認可，提供廣泛的獨特解決方案，包括3D視覺，服務于工廠自動化、物流和計量應用等工業市場。我們在高性能CMOS圖像傳感器（結合尖端像素和特殊功能）方面的獨特專長，加上超過10年的飛行時間系統經驗，使我們能夠幫助客戶克服當前的3D視覺挑戰。