隨著攝像頭成本和尺寸的不斷下降以及圖像處理軟體功能的不斷增強，機器人系統在新型視覺引導應用中大量出現，尤其是3D應用。AspenCore視覺引導機器人專題通過一系列文章探討了圍繞該技術的硬體、軟體和商業問題。
機器人能夠快速準確地抓取和操縱物體，這種能力使其非常適於執行重複、危險或繁瑣的任務，例如零件檢查，以及在霧、火、水下作業或焊接等操作。作為收集和分析信息的傳感器，攝像頭對於機器人在地面上行走導航並避免其與附近物體碰撞十分重要。不同類型的攝像技術包括：2D成像、3D感應、超聲和紅外等。
機器人視覺攝像頭的技術類型
2D成像技術
對於具有機器視覺，但不需要深度或距離信息的機器人，普通2D數碼攝像頭是比較通用的選擇。數碼攝像頭儘管看起來像膠片相機，實際上它基於完全不同的科學原理。它與電視也不同，電視投射出數百萬個微小的彩色光點或像素以合成圖像，而數碼攝像頭則捕獲從物體反射回來的光粒子（光子），並將其轉換成可作為數字存儲起來的電信號，或叫像素。一張數碼照片實際上是一長串描述每個像素的數字。在螢幕上，這一長串數字又被轉換為像素併合成圖像。
2D數碼攝像頭有兩種類型，即電荷耦合器件(CCD)，以及互補金屬氧化物半導體(CMOS)。相比CMOS攝像頭，CCD攝像頭解析度更高且噪聲更低，但價格更高且能效較低。本文將提供選擇2D攝像頭的絕佳指南。另外，2D攝像頭也在不斷創新中，不斷增加新的功能。例如，Pinnacle的高動態範圍（HDR）成像技術能夠幫助2D攝像頭捕獲更佳的視頻和圖像。
圖1：上面的照片顯示了兩個具有不同動態範圍的圖像。右側具有高動態範圍性能的照片效果更佳。 （圖片來源：Pinnacle Imaging Systems）
優點：2D攝像頭可有效地識別物體。它可以清晰地定義目標的邊緣，並以高解析度收集目標的許多細節。
缺點：2D攝像頭對環境中的光照條件比較敏感。它會將鏡像圖像識別為第二個物體，而不是圖像。最後，2D相機的圖像捕獲過程較慢，需要攝像頭和物體相對靜止。
對於需要獲取3D信息的場景，使用超聲、紅外或3D感測技術的攝像頭會更適合。
3D感應技術
3D感應是一種強大的機器人導航工具，它提供的信息包括體積、形狀、位置、方向以及與物體的距離。3D數據可以通過不同的測量過程產生，如立體視覺、結構光和雷射三角測量。立體視覺採用三角測量原理，使用來自一個位置的多個2D攝像頭的圖像，或來自不同位置的單個攝像頭的圖像，來計算深度。
結構光非常適合測量物體的3D形狀，它使用投影光模式和2D攝像頭系統進行測量。通過分析所觀察到的條紋圖案，可以收集有關物體深度的大量信息。
雷射三角測量則使用2D攝像頭和雷射。雷射投射到目標區域上，然後2D攝像頭捕獲反射的雷射束。根據多張照片上的雷射束彎曲程度就可以計算出物體的輪廓。但是，這種方法速度相對較慢，並且只能用於靜止圖像，這意味著必須中斷某個進程才能進行數據收集。
優點：3D感測技術在近距離測量物體時具有很高的精確度，比超聲和紅外解析度要高，並且在環境混亂時更加可靠。特別是在難以操控的表面或在環境光較暗的情況下，雷射三角測量也可以工作，即使是低對比度的物體，它也可以提供精確的數據。
缺點：3D感測技術無法識別鏡面或玻璃，因為它會將反射物識別為第二個物體。此外，它們對光線條件敏感，在環境過於單調且缺乏特性時表現不佳。此外，其感應速度很慢，只能用於感測靜止圖像，這意味著必須中斷某個進程才能進行數據收集。最後，3D感測攝像頭價格昂貴、體積龐大且較難校準。
超聲波技術
超聲攝像頭也稱為聲納攝像頭，它通過測量聲波的發射和接收之間的時間差來測量攝像頭與物體之間的距離。超聲攝像頭還可以檢測到附近的其它超聲傳感器、或其它帶有超聲傳感器的機器人。
優點：相比其它類型的傳感器，超聲攝像頭感測範圍更長、更寬。它們不受光照條件（太亮或太暗）或空氣顆粒（如灰塵、煙霧、薄霧、蒸氣和絨毛）的影響。而且，它們不受對象的顏色、透明度、反射特性或表面紋理的阻礙。因此，超聲攝像頭非常適合測量液體高度和距離，檢測物體時可避免在陸地或水下發生碰撞。
缺點：超聲攝像頭在定義目標邊緣方面表現不佳。它在感測具有高密度和反射性表面的目標時效果很好，但不適用於泡沫或布料等低密度物體。超聲攝像頭還會受高噪音、溫度、濕度和壓力的影響。最後，它要求儘可能小的感測距離，但又不能檢測距離太近的物體。
紅外技術
紅外傳感器通過檢測物體發出的紅外線（IR）來工作。它還可以通過向物體投射紅外光並接收反射光來計算目標物體的距離或接近程度。
優點：紅外傳感器可以檢測大範圍的紅外光，它可以實時運行，極具成本效益。與超聲傳感器相比，它們在定義對象的邊緣方面表現優良，並且易於識別不同的對象。例如，它們可以識別人和其它有熱量的物體，並與其反射圖像（例如鏡子）區分開來。此外，紅外攝像頭能夠在煙塵或霧氣等低可見度條件下進行感測。像超聲攝像頭一樣，IR相機可以檢測水下材料，目前已經在建築絕緣或泄漏檢測中得到了應用。
缺點：紅外傳感器對紅外光和陽光非常敏感，只能在弱光下使用。而且，紅外傳感器對不同材料的感測效果也不盡相同，因為不同材料對紅外光的傳遞和折射均不同。
到底該選擇哪種攝像頭？
根據特性的不同，每種傳感器類型都更適合某些任務，而不適合另一些任務。例如，超聲傳感器對堅硬對象感測效果好，但卻不適於感測柔軟的物體或有絨毛的物體。而且，它也不擅於將一個對象與另一個對象區分開。另一方面，儘管3D傳感攝像頭的精確性很高，但它卻無法在黑暗條件或水下工作。因此，在開始選擇攝像頭之前，必須先了解清楚機器人的目標屬性、工作條件，以及任務目標。
攝像頭的安裝是另一個要考慮的因素：將相機安裝在機器人手臂的末端附近，可以更近距離地感測物體並獲得更好的解析度，但這也意味著攝像頭將隨著機器人一起移動，在捕獲圖像時，機器人必須停下來。但如果固定攝像頭的位置，則將犧牲解析度才能獲取連續的成像。攝像頭技術開發人員正在迅速整合各種先進的技術。例如，FLIR Systems的FLIR Firefly攝像頭系列能夠將攝像頭和視覺處理單元（VPU）集成在一起，提供增強的人工智慧功能。
圖2：FLIR Systems的FLIR Firefly相機系列集成了攝像頭和Intel的Movidius Myriad 2視覺處理單元（VPU）。
現在市場上已經有無數的攝像頭可用於視覺引導機器人，而且每天都有更多的攝像頭出現。為幫助您進行選擇，下面提供了一個流程圖，它可以幫助您確定最適合需要的攝像頭類型；還提供了一個有代表性的攝像頭供應商列表，以方便搜索。
責編：Amy Guan