3D工業視覺

前言

本文主要介紹3D視覺技術、工業領域的應用、市場格局等，主要技術包括激光三角測量、結構光、ToF、立體視覺。

一、核心內容

3D視覺技術滿足工業領域更高精度、更高速度、更柔性化的需求，擴大工業自動化的場景。

2D視覺技術基于物體平面輪廓，無法獲得曲度、空間坐標等三維參數，檢驗精度低。
激光三角測量、結構光、 ToF、多目視覺等技術共同推動了3D視覺發展。?
生產線在線檢測和裝配難，需要復雜的解決方案來適應不同的生產場景，并在振動和環境光干擾下實現高速度和高精度，主要技術是激光三角測量和結構光。
高精度缺陷檢測場景技術要求高，主要采用激光三角測量、干涉和共聚焦技術；
倉庫自動化（尺寸測量、環境感知、手勢識別、隨機揀箱）主要采用結構光和立體視覺。?

移動機器人視覺引導是一個前景的場景，主要技術包括結構光、ToF、立體視覺。

環境感知具備寬視場、高速度(用于實時視覺伺服)、高精度的要求，技術路徑尚未確定。
特斯拉Optimus的3D傳感模塊以多目視覺為主，全身搭載8個攝像頭，自研SoC芯片FSD，純視覺方案硬件成本低，對軟件算法要求高。
國內外其余廠商多采用3D相機+激光雷達方案，優必選WALKERX的視覺模塊采用多目視覺，小米CyberOne的Mi-Sense采用iToF+RGB，追覓采用ToF+結構光，智元A1采用RGBD相機。?

從深度學習到通用視覺大模型，AI助力機器視覺提升效率，拓展應用場景。

過去工業機器視覺主要針對垂直場景的少量數據進行小模型訓練，模型處理問題的復雜程度受限。
23年4月Meta發布通用圖像分割大模型SAM，視覺大模型賦能3D視覺，可以實現：
a.大模型在廣泛下游場景中具備優勢，降低定制化開發成本，提升機器視覺產品毛利率，快速拓展應用場景。
b.大模型在零樣本或少量樣本上表現優秀，機器視覺將在這些領域得以拓展，如從代碼驅動變為視覺驅動的機器人、流程工業場景。?

二、3D視覺技術

2D視覺與3D視覺對比：

2D視覺發展

2D視覺技術在工業自動化過程的應用已經超過30年時間，
2D視覺基于物體平面輪廓驅動，解決部分二維層面的讀條識別、邊緣檢測等問題，
無法獲得曲度、空間坐標等三維參數，但可以滿足外觀檢測、識別等應用，但檢驗精度低。

3D視覺發展

3D視覺技術在2014年前后開始興起，利用立體攝像、激光雷達等技術準確地完成物體三維信息的采集，
對于光照條件、物體對比度等客觀因素適應能力更強，可以實現2D視覺無法實現或者不好實現的功能，
例如檢測產品的高度、平面度、體積等和三維建模等，
更加適配半導體、汽車、3C等領域的高精度工業需求，檢測要求精度達到＜1μm。?

目前3D視覺最有前景的工業應用場景：高精度的測量及缺陷識別、高速高精度的在線檢測、自動裝配、視覺引導機器人等。

3D視覺常用四種技術：

激光三角測量、結構光、飛行時間(ToF)、多目視覺

1）激光三角測量 (Laser Triangulation)

激光三角測量是一種基于三角幾何原理的測距技術。其基本原理如下：

激光器發射一束激光，照射到目標物體上。
激光反射回來，并由一個角度固定的攝像頭接收。
通過測量激光反射點在攝像頭圖像中的位置，可以根據已知的幾何關系（激光器、攝像頭和反射點之間的角度和距離）計算出目標物體的距離。

這種方法通常用于高精度的距離測量，適合于表面較為平整的物體。

2）結構光 (Structured Light)

結構光技術通過投射已知圖案（如條紋、網格等）到目標物體表面，并用攝像頭拍攝反射圖案來測量物體的三維形狀。其原理如下：

投影設備發射特定結構的光圖案到物體表面。
光圖案在物體表面發生變形，并由攝像頭捕捉到。
通過分析捕捉到的變形圖案，可以重建物體的三維形狀。

結構光適用于獲取復雜物體表面的高分辨率三維圖像。

3）飛行時間 (ToF, Time of Flight)

飛行時間技術通過測量光信號從發射到返回所需的時間來計算距離。其原理如下：

光源發射短脈沖光信號（通常是激光或紅外光）。
光信號遇到目標物體后反射回來。
通過測量光信號從發射到接收的時間差，并結合光速，可以計算出目標物體的距離。

ToF技術能夠快速獲取物體的距離信息，適合于實時性要求高的應用場景。

4）多目視覺 (Multi-view Stereo)

多目視覺是一種利用多個攝像頭從不同角度拍攝同一場景，并通過圖像處理算法重建場景的三維信息的技術。其原理如下：

多個攝像頭從不同角度同時拍攝目標物體或場景。
通過圖像配準和匹配算法，確定各攝像頭拍攝的圖像中相同點的對應關系。
利用幾何方法（如三角測量），計算出對應點的三維坐標，進而重建出整個場景的三維模型。

多目視覺適用于大范圍場景的三維重建，廣泛應用于攝影測量、機器人導航等領域。

3D視覺檢測方法性能對比?

?3D視覺在工業的應用：

三、3D視覺市場格局

主要機器視覺廠商，產業鏈布局情況對比：

國內外機器視覺廠商，零部件核心技術指標比較：

各公司視覺軟件對比，基恩士3D精度最高：

國內主要視覺引導機器人廠商：

公司	簡介
海康機器人	面向全球的移動機器人、機器視覺產品提供商。
梅卡曼德	已形成包括 Mech-Eye 工業級 3D 相機、Mech-Vision 圖形化機器視覺軟件、Mech-Viz 機器人智能編程環境等在內的智能機器人基礎設施產品線，可應用于無序抓取、高精度定位、裝配、工業檢測/測量、自動生成軌跡等典型場景。
圖漾科技	全球領先的 3D 機器視覺供應商，為工業和行業應用提供高性價比的 3D 工業相機和配套軟件方案。滿足工業自動化、工業測量、物流科技、商業應用和其他多種場景。
燧智科技	公司的激光結構光 3D 相機產品主要應用于智能機器人引導，線光譜共聚焦 3D 成像系統應用于半導體、一、超分辨和共聚焦成像系統應用于生命科學。
邁德威視	專注提供各種工業相機類產品的開發及服務，是一家純粹的相機硬件供應商，公司產品系列齊全，核心產品包含面陣相機、線陣相機、熱成像相機、智能相機、3D 相機、雙目相機模組、定制相機整機、攝像頭模組等多條產品線。
知象光電	知象光電擁有自主研發的微結構光投射芯片、成像算法芯片、模組和整機，產品體積小、精度高、可靠性高。自研 3D 焊接視覺軟件可實現復雜焊縫特征提取、軌跡導入、工件擬定定位等功能，焊接機器人落地生產。
埃爾森	埃爾森為多樣化應用場景提供 3D 視覺方案，雙目線掃激光 3D 技術應對嚴酷工作場景，雙目面掃光柵 3D 成像技術應用于高精度成像場景，單線激光 3D 成像技術適合動態定位、測量、檢測場景等。
燧智科技	面向工藝類場景，切坡口、焊接、上下料推拉流程化解決方案。
遷移科技	專注于 3D 工業相機和 3D 視覺機械臂引導系統，2022 年實現規模化量產。
如本科技	公司的 RVC 3D 工業相機、VDA 視覺位移測量分析系統以及垂直行業手眼配合產品，協同打造先進的機器人智能手眼方案。
藍芯科技	新一代移動機器人全球引領者和制造業柔性物流解決方案一流提供商，核心技術 LX-MRDVS（藍芯-移動機器人深度視覺系統）賦予機器人 3D 視覺感知能力。行業聚焦 3C、新能源（光伏/鋰電）、包裝，合作客戶包括華為、中興、比亞迪、德賽、美的、富士康、SHARP、LG、新能源等。
靈動科技	全球領先的視覺導航移動機器人（AMR）企業，第四代移動機器人（視覺 AMR）的開拓者和引領者，亞洲出貨量、市場占率第一的“訂單到人”方案商，擁有前瞻性的視覺導航 AMR 和全球領先的集群調度系統，以及全球化的銷售、服務和運營能力。靈動科技已為眾多世界 500 強頭部企業提供服務，包括京東物流、順豐供應鏈中國、歐萊雅、TCL、東風乘用車等，并成為華為嚴選唯一的機器人合作伙伴。
馬路創新	多場景機器人大集群方案解決方案商，深耕人工智能大數據、調度算法、控制中樞等專業技術，聚焦搬運、揀選、分揀、智慧倉庫、智慧工廠等場景。