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牽手機(jī)器視覺，但激光雷達(dá)仍是掃地機(jī)器人定位導(dǎo)航的原配。
掃地機(jī)器人上機(jī)器視覺這一技術(shù)已經(jīng)不是什么秘密，科沃斯終于在年初發(fā)布了其首款搭載AIVI視覺技術(shù)的DG70掃地機(jī)器人，小米的第二代米家掃地機(jī)器人(1S)也搞上了視覺導(dǎo)航。廠商亦步亦趨，小心翼翼地配上了這一“新”技術(shù)，或者說是“新”概念。
而在機(jī)器視覺技術(shù)領(lǐng)域中，又有諸多分類，包括近年來在手機(jī)上廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)光、ToF，在無人機(jī)上應(yīng)用較多的雙目視覺，掃地機(jī)器人這波機(jī)器視覺浪潮的標(biāo)配究竟是什么?
單目，還是雙目?
在機(jī)器視覺領(lǐng)域，目前，單目視覺和雙目視覺是兩類備受關(guān)注的定位技術(shù)，二者在結(jié)構(gòu)和工作原理上的巨大差異，也導(dǎo)致了不同的市場應(yīng)用現(xiàn)狀。
雙目視覺定位是指通過三角測量原理來對目標(biāo)點(diǎn)的三維空間位置進(jìn)行定位。雙目視覺定位算法流程包括相機(jī)標(biāo)定、雙目標(biāo)定、圖像處理、特征檢測、立體匹配、三維測量和姿態(tài)測量。
雙目視覺由于定位精度高、進(jìn)入門檻低、容易實(shí)現(xiàn)3D構(gòu)圖，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)光源定位，因而業(yè)內(nèi)做雙目視覺的公司較多，包括圖漾科技、縱目科技、云光技術(shù)等。
盡管如此，“在實(shí)際應(yīng)用中，雙目視覺仍會有一定的局限性，”深圳市歡創(chuàng)科技創(chuàng)始人兼CEO周琨告訴雷鋒網(wǎng)。
作為清華大學(xué)深圳研究生院碩士生導(dǎo)師，周琨在視覺人機(jī)交互技術(shù)方面有深入的研究，當(dāng)下任職CEO的歡創(chuàng)科技主要提供單目視覺空間定位技術(shù)。據(jù)周琨介紹，此前，其曾創(chuàng)辦泰山在線，并對雙目視覺技術(shù)有過深入研究。對于雙目視覺，周琨認(rèn)為，主要有以下三點(diǎn)缺點(diǎn)：
模組體積大。雙目視覺定位精度受到基線(兩個(gè)攝像頭之間的距離)影響，基線越長，測量精度越高，因此雙目視覺較少應(yīng)用到諸如手機(jī)此類對空間要求較高的產(chǎn)品中做定位;
成本較高。相對單目視覺技術(shù)，雙目視覺技術(shù)成本也更高;
有效視角小。相對單目視覺技術(shù)，雙目視覺的有效視角會更小。
相對而言，周琨更看好單目視覺技術(shù)的應(yīng)用前景。
單目視覺僅利用一臺攝像機(jī)完成定位工作。單目視覺定位的方法主要有兩種：基于單幀圖像的定位方法和基于兩幀或多幀的定位方法。其中應(yīng)用比較廣泛的有基于單幀圖像定位方法中的基于特征點(diǎn)定位(PnP原理)方法，以及加入IMU慣性傳感器輔助測量法。
隨著近年來SLAM技術(shù)的逐漸走向成熟，視覺技術(shù)應(yīng)用場景也越來越廣泛，尤其在室內(nèi)場景，單目視覺定位技術(shù)應(yīng)用較為廣泛。
在掃地機(jī)器人領(lǐng)域，當(dāng)下應(yīng)用更多的是單目視覺技術(shù)，包括前文提到的科沃斯和小米的新款掃地機(jī)器人產(chǎn)品都加入了一顆可見光攝像頭進(jìn)行輔助定位，更好實(shí)現(xiàn)避障功能。國外對視覺導(dǎo)航應(yīng)用較早的iRobot也是以單目攝像頭在移動(dòng)過程中對圖像連續(xù)跟蹤，進(jìn)行相機(jī)姿態(tài)和跟物體之間相對位置變化的估計(jì)，從而建立起地圖。
單目視覺的輔助定位
在消費(fèi)領(lǐng)域應(yīng)用中，掃地機(jī)器人越來越多地配備上了機(jī)器視覺;與此同時(shí)，在工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域，也逐漸有相應(yīng)廠商開始嘗試和探索。
單目視覺技術(shù)雖然在體積、成本上有一定優(yōu)勢，但是在關(guān)鍵的定位精度上卻不如雙目視覺。為了提高單目視覺的定位精度，在實(shí)際應(yīng)用中，輔助定位技術(shù)得以被引入。
第一個(gè)比較常用的輔助定位技術(shù)是：在受控環(huán)境中，對被測物體加裝標(biāo)記點(diǎn)。
針對工業(yè)檢測、醫(yī)療等可控環(huán)境中，單目視覺基于PnP原理，通過在被測量物體上加裝多個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，從而提升定位精度。例如在醫(yī)療領(lǐng)域的手術(shù)導(dǎo)航中，可以通過在醫(yī)生用到的手術(shù)刀加裝特定標(biāo)記點(diǎn)，可以大幅度高定位精度。
第二個(gè)輔助定位技術(shù)是：引入多傳感器融合技術(shù)，加入IMU慣性傳感器。
通過采集IMU慣性傳感器(陀螺儀、加速度計(jì)等)的加速度和角速度，從而確定被測物體的運(yùn)動(dòng)模式，結(jié)合單目攝像頭采集的圖像，通過諸如基于視覺的特征點(diǎn)匹配、稀疏光流等算法來實(shí)現(xiàn)最終定位。此外，引入IMU慣性傳感器，也使得通過單目視覺技術(shù)進(jìn)行3D構(gòu)圖成為可能。
單目視覺、輔助定位……，機(jī)器視覺如此之火，作為掃地機(jī)器人原配的激光雷達(dá)真會被逐漸取代?
在回答這個(gè)關(guān)鍵問題之前，有必要先了解一下機(jī)器視覺和激光雷達(dá)的“姻親”關(guān)系。
機(jī)器視覺和激光雷達(dá)的“姻親”關(guān)系
在SLAM導(dǎo)航定位技術(shù)興起之前，激光雷達(dá)一直作為掃地機(jī)器人的原配久居正統(tǒng)之位。隨著視覺導(dǎo)航技術(shù)的興起，機(jī)器視覺備受關(guān)注，成為有別于激光雷達(dá)的一種導(dǎo)航技術(shù)。
“其實(shí)，現(xiàn)在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用的短距離激光雷達(dá)也是用單目視覺傳感器來做的，”周琨告訴雷鋒網(wǎng)。
在機(jī)器人領(lǐng)域，無論是當(dāng)下談?wù)摰膙SLAM機(jī)器視覺，還是激光雷達(dá)，其實(shí)都屬于機(jī)器視覺定位技術(shù)。無論是vSLAM方案中的可見光攝像頭，還是激光雷達(dá)方案中的紅外攝像頭，本質(zhì)區(qū)別不大。但是由于激光雷達(dá)采用主動(dòng)光源定位技術(shù)，因而定位更為精準(zhǔn);單目可見光攝像頭采用被動(dòng)光源做定位導(dǎo)航，精度要差一些。因此，目前業(yè)內(nèi)公認(rèn)激光雷達(dá)更適合做定位導(dǎo)航。
這樣看來，在掃地機(jī)器人中應(yīng)用的機(jī)器視覺和激光雷達(dá)更像是一種“姻親”關(guān)系，常被提及的機(jī)器視覺更多是采用可見光攝像頭，激光雷達(dá)采用的則是紅外攝像頭。
有所不同的是，機(jī)器視覺(可見光攝像頭)屢被提及，除去定位導(dǎo)航功能之外，其實(shí)更多在于其可以實(shí)現(xiàn)3D構(gòu)圖，以及未來圖像識別帶來的諸多應(yīng)用拓展。
激光雷達(dá)會否被取代?
激光雷達(dá)是否會被機(jī)器視覺取代?
尤其是在掃地機(jī)器人應(yīng)用中，這究竟是技術(shù)迭代，還是技術(shù)融合?
目前來看，尚且屬于后者。包括上述兩家國內(nèi)掃地機(jī)器人銷量大廠，仍是以視覺做避障，輔助整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)。
目前用可見光單目攝像頭實(shí)現(xiàn)的仍是2D視覺，但是由于沒有主動(dòng)光源，定位精度較差，構(gòu)建的地圖和軌跡路線質(zhì)量相對較差;而采用諸如ToF、單目結(jié)構(gòu)光、雙目視覺可以較容易實(shí)現(xiàn)3D建模，可以做避障，但是做SLAM算法的時(shí)，由于水平視野狹窄(小于90度)，效率就會差很多。
由此可見，機(jī)器視覺想要完全替代激光雷達(dá)，尚且還需要些年頭。周琨也認(rèn)為，掃地機(jī)器人的發(fā)展方向更多是一個(gè)融合趨勢：標(biāo)配激光雷達(dá)做SLAM算法、做導(dǎo)航定位，機(jī)器視覺做避障、做3D視覺、深度學(xué)習(xí)等相應(yīng)功能。
這同時(shí)也使得百萬量級的掃地機(jī)器人市場，對激光雷達(dá)的需求量依然可觀。“我們今年整體業(yè)務(wù)重點(diǎn)是在掃地機(jī)器人領(lǐng)域，預(yù)計(jì)占比將會達(dá)到90%以上，其中，CAMSense X1(激光雷達(dá))是我們今年的主要產(chǎn)品，”對于歡創(chuàng)科技今年的產(chǎn)品規(guī)劃，周琨這樣告訴雷鋒網(wǎng)。
X1：紅外光學(xué)空間定位算法、
定制面陣紅外傳感器
歡創(chuàng)科技在2015年就開始進(jìn)行高精度定位算法的研發(fā)工作，這里提到的算法，正是歡創(chuàng)科技基于紅外光學(xué)空間定位和識別的算法——Camsense HPP(High Precision Positioning)。據(jù)官方信息顯示，Camsense HPP可以在5m x 5m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)亞毫米級空間定位分辨率，適用于精密設(shè)備測量、醫(yī)療手術(shù)導(dǎo)航等室內(nèi)環(huán)境短距離精準(zhǔn)定位。
這一算法，也正是歡創(chuàng)科技的核心技術(shù)。
此外，周琨告訴雷鋒網(wǎng)，相對于現(xiàn)在市面上的激光雷達(dá)，歡創(chuàng)科技針對光源、鏡頭、圖像傳感器做了諸多改進(jìn)，一方面在性能上有所提升，另一方面也規(guī)避了傳統(tǒng)三角測量法中的專利風(fēng)險(xiǎn)。
“相對于亞洲光學(xué)采用工業(yè)級線性圖像傳感器做激光雷達(dá)有所不同，歡創(chuàng)科技使用的是定制面陣圖像傳感器。”這樣帶來的改進(jìn)包括：
相對于工業(yè)級圖像傳感器，定制面陣圖像傳感器成本更低;
采用面陣式圖像傳感器，比線性式圖像傳感器垂直視野更大。
據(jù)周琨介紹稱，“當(dāng)下工業(yè)級線性圖像傳感器垂直視野一般為0.15度，采用我們定制紅外傳感器激光雷達(dá)的垂直視野可以達(dá)到40度。這也使得生產(chǎn)過程中的光源校準(zhǔn)、調(diào)焦更容易。”
激光雷達(dá)是歡創(chuàng)科技現(xiàn)在的重頭戲，也是其在轉(zhuǎn)向機(jī)器人、工業(yè)檢測、醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域后的重要產(chǎn)品。在此之前，歡創(chuàng)科技的單目視覺技術(shù)也曾應(yīng)用于電視、vr等領(lǐng)域。
電視、VR，再到機(jī)器人的技術(shù)打磨
2014年，深圳歡創(chuàng)科技有限公司正式成立。成立之初，歡創(chuàng)科技定位傳統(tǒng)視覺傳感器，首先應(yīng)用于當(dāng)時(shí)電視領(lǐng)域的體感游戲。“當(dāng)時(shí)，除了TCL，國內(nèi)幾乎所有的電視廠商都是我們的客戶，我們?yōu)槠涮峁﹩文繑z像頭，以支持家庭娛樂中的體感游戲。”
為什么會放棄電視這一市場?
周琨坦然表示，“我們也深知這一領(lǐng)域有天花板，隨后，我們進(jìn)一步將我們的市場拓展到當(dāng)時(shí)火起來的VR領(lǐng)域。”2016年，歡創(chuàng)科技拿下了愛奇藝的標(biāo)，為其VR設(shè)備提供空間定位系統(tǒng)，并順利完成了技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)，但是由于國內(nèi)VR市場最終未能如預(yù)期發(fā)展起來，這款產(chǎn)品最終未能進(jìn)入量產(chǎn)。
據(jù)雷鋒網(wǎng)了解，直到現(xiàn)在，國內(nèi)VR市場也一直不溫不火，并未能出現(xiàn)諸如國外微軟HoloLens、HTC Oculus這類知名設(shè)備。
不過，在此階段，歡創(chuàng)科技研發(fā)了其M系列產(chǎn)品，Camsense M1、Camsense M2。周琨告訴雷鋒網(wǎng)(公眾號：雷鋒網(wǎng))，直到現(xiàn)在，針對電視、VR領(lǐng)域的這兩款產(chǎn)品雖然不再進(jìn)行迭代更新，但仍在穩(wěn)定出貨。截止目前，產(chǎn)品出貨量已經(jīng)達(dá)到15萬套。
像我們這類技術(shù)公司，選擇技術(shù)落地領(lǐng)域很重要。經(jīng)歷了前幾年的技術(shù)積累，2017年，我們將我們的業(yè)務(wù)領(lǐng)域正式切換到機(jī)器人、工業(yè)檢測領(lǐng)域。
隨后，歡創(chuàng)科技相繼拿下了中國商飛、華測集團(tuán)的標(biāo)，針對工業(yè)檢測研發(fā)了Camsense M Pro和Camsense S系列產(chǎn)品。
“飛機(jī)制造過程中有鉚接等很多工位的需求，鉚接過程是通過機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)的，機(jī)械臂在移動(dòng)過程需要精確的引導(dǎo)和定位，我們?yōu)樯田w提供的Camsense S定制方案就是為機(jī)械臂進(jìn)行導(dǎo)航引導(dǎo)。”此前，此類高端制造業(yè)多為國外壟斷，歡創(chuàng)科技Camsense S對標(biāo)的正是加拿大的NDI公司，Camsense S已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)0.2mm定位精度。
掃地機(jī)器人接下來的研發(fā)重點(diǎn)
前文有提到，2017年，邁入第二階段后，歡創(chuàng)科技開始將業(yè)務(wù)拓展到機(jī)器人領(lǐng)域。與此同時(shí)，機(jī)器人領(lǐng)域也逐漸摸索如何更好應(yīng)用機(jī)器視覺彌補(bǔ)現(xiàn)在機(jī)器人原有在避障上的不足，在更多圖像處理領(lǐng)域的嘗試。
周琨認(rèn)為，當(dāng)下機(jī)器人領(lǐng)域，尤其掃地機(jī)器人領(lǐng)域面臨的研發(fā)重點(diǎn)有以下三點(diǎn)：
降低SLAM導(dǎo)航定位方案成本。“激光雷達(dá)仍是目前實(shí)現(xiàn)SLAM導(dǎo)航定位最好的配置，如何將激光雷達(dá)SLAM方案做得更成本更低，如何研發(fā)出更好的算法，這是當(dāng)下業(yè)內(nèi)的一大課題。”
解決現(xiàn)在普遍面臨的避障、物體識別問題。諸多機(jī)器人廠商開始引入機(jī)器視覺來做相應(yīng)的方案;
SLAM+避障融合方案。即機(jī)器視覺+激光雷達(dá)融合方案，“這是當(dāng)下行業(yè)的重點(diǎn)，也是我們公司一個(gè)重要研發(fā)方向。”
歡創(chuàng)科技第五年：激光雷達(dá)成重點(diǎn)，
掃地機(jī)器人成押注領(lǐng)域
從2014年創(chuàng)業(yè)至今，歡創(chuàng)科技已經(jīng)走到了第五個(gè)年頭。
技術(shù)上，仍聚焦單目視覺，繼與清華大學(xué)聯(lián)合成立高精度定位實(shí)驗(yàn)室后，又于今年2月成立光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，為光學(xué)高精度定位系統(tǒng)提供專業(yè)研發(fā)及測試場所，截止目前配備有20+研發(fā)人員;
市場上，從最初的電視、VR領(lǐng)域走到現(xiàn)在的工業(yè)、醫(yī)療、機(jī)器人領(lǐng)域。
此外，周琨還特別強(qiáng)調(diào)了量產(chǎn)問題。
消費(fèi)級激光雷達(dá)，量產(chǎn)是一大難關(guān)。歡創(chuàng)科技有自己的試產(chǎn)品車間，所有的產(chǎn)品在量產(chǎn)之前都會在試產(chǎn)車間進(jìn)行試生產(chǎn)。自2018年建成自己的試產(chǎn)車間，我們已經(jīng)試生產(chǎn)5000臺產(chǎn)品，這些產(chǎn)品僅用作規(guī)模化量產(chǎn)前的試生產(chǎn)，不會作為最終產(chǎn)品售賣。
據(jù)周琨稱，“今年歡創(chuàng)科技將會實(shí)現(xiàn)盈利。”
在醫(yī)療領(lǐng)域，歡創(chuàng)科技已有意向廠商。而今年主要產(chǎn)品是Camsense X1激光雷達(dá)，目標(biāo)出貨量為50萬臺以上;目標(biāo)市場為掃地機(jī)器人，預(yù)計(jì)其在今年整體業(yè)務(wù)占比高達(dá)90%以上。
周琨告訴雷鋒網(wǎng)，目前歡創(chuàng)科技的激光雷達(dá)有三類客戶：
第一類是掃地機(jī)器人整機(jī)廠商，像360這樣自己有能力做SLAM算法的整機(jī)廠商;
第二類是方案廠商，他們基于歡創(chuàng)科技的激光雷達(dá)做SLAM算法，然后將完整SLAM方案給整機(jī)廠商;
第三類是ODM廠商，他們基于歡創(chuàng)科技的激光雷達(dá)做SLAM算法，然后做整機(jī)方案進(jìn)行量產(chǎn)。
“目前我們?nèi)惡献鲝S商已有十余家。”
歡創(chuàng)科技的第五年，激光雷達(dá)成重點(diǎn)，掃地機(jī)器人成押注領(lǐng)域;就整個(gè)掃地機(jī)器人國內(nèi)現(xiàn)狀來看，機(jī)器視覺剛剛興起，激光雷達(dá)仍是原配，仍作為重點(diǎn)領(lǐng)域?yàn)闃I(yè)內(nèi)持續(xù)關(guān)注。
