新 3D 视觉技术，以帮助机器更像人类一样感知环境

可以帮助做家务、为我们提供司机和替代工厂工人的自主机器人的梦想比 1960 年代播出的 Jetsons 系列的存在时间更长。现实情况是，许多公司已承诺到 2020 年推出自动驾驶汽车，但我们仍在等待。服务机器人和工业自动化领域的情况并没有太大的不同。

为什么需要这么长时间？

一个关键方面是机器如何感知他们的环境。虽然机器人视觉在过去十年中取得了长足的进步，部分原因在于更高分辨率的相机和新的 3D 视觉技术，但它在感知环境方面的效率仍然远低于人类。

事实上，目前的方法可能从一开始就错了。例如，我们人类不会以数百万像素的分辨率将我们的周围环境数字化，然后小心翼翼地尝试寻找物体的轮廓并逐帧比较这些轮廓以得出它们的运动路径。

想象一下，我们用放大镜筛选数百万像素的图像，将对比度和颜色的细微变化标记为可能的对象，然后以每秒 10 帧的速度进行此操作，以跟踪和预测假设对象的运动。

人类感知的工作方式不同。我们的眼睛是大脑的延伸，可以预处理大量信息。结果，我们的视网膜中有更多的运动敏感细胞，如果有东西在我们的视野中移动，我们会立即意识到。只有这样，我们才能使用黄斑中的高分辨率细胞来识别感兴趣的对象——这是一种更有效的对象识别、跟踪和预测方式。

输入现在可用的新 3D 视觉技术，以帮助机器更像人类一样感知环境。它被称为连贯的视觉。

该技术发出相干激光并捕获的不仅仅是来自返回光子的强度信息。它还捕获由物体运动引起的微小频率变化，并提供有关通过偏振变化感测到的材料和表面的信息。

现有的 3D 传感技术包括直接和间接飞行时间方法、投影 IR 模式（也称为结构光）和立体视觉等三角测量技术。并非所有这些都提供瞬时运动信息，并且通常在范围、眼睛安全、串扰抗扰度和精度方面存在重大权衡。

相干 3D 传感方法不依赖于检测光强度变化（现有 3D 传感技术的常用方法），而是依赖于来自高相干激光器的低功率频率啁啾。这也称为调频连续波 (FMCW) 技术，已用于最先进的雷达传感器。

相干光子可以行进数百米，相互作用并获取目标的特征，然后在保持相干状态的同时返回，它们可以与一部分出射光混合，实现近乎无损的放大。

将返回的光子与出射光子混合会导致拍频从太赫兹区域的光频率下变频到低千兆赫兹区域，并且可以通过可用的电子电路轻松分析。

测量的距离以光学频移的形式反映。如果测量点也具有径向速度，则反射啁啾会增加多普勒频移。

使用上下啁啾允许连贯的 3D 传感器即时解析每个像素的范围和速度。此功能有效地将 3D 感测扩展到 4D，这意味着同时感测对象的 x、y、z 和速度矢量。

返回光子与一部分出射激光的混合导致几乎无损的光学放大，从而实现更高的检测灵敏度和准确度。由于相干系统具有更高的检测灵敏度，百毫瓦区域内的激光功率水平通常足以测量数百米外的物体，从而使该技术能够集成到芯片上以用于移动应用。

线偏振光子还可以在与目标相互作用时改变它们的偏振状态，从而可以检测材料和表面特征，例如窗户或人体皮肤。

技术进步和成本降低使 3D 视觉成为工业制造自动化中用于提高生产力、效率和质量的关键技术。由于有许多竞争技术可用，技术的选择通常由应用程序决定，范围从一般质量检查、验证、验证和分类以及安全和安保。

FMCW 承诺在多个维度上提高性能向量，允许在更远的范围内进行更高精度的扫描，同时对人眼安全且不受室外照明条件或多系统串扰的影响。最重要的是，它通过为每次测量提供速度信息来提供原生 4D 视觉。

为什么连贯的 3D 传感系统需要这么长时间才能成为主流？

创建 FMCW 解决方案的关键挑战是低成本、大批量制造高性能组件。相干方法需要具有长相干长度（窄线宽）的激光器和相干光处理来提取光子携带的额外信息。

这需要非常精确和低噪声的光信号处理电路来形成相干接收器。此外，偏振在这里也起作用，因为相干拍频仅适用于具有相同偏振的光子。激光源的波长稳定性和线性度在测量过程中至关重要；否则，信噪比会显着降低。

使用分立元件创建这样一个稳定、稳健且精确定义的光学系统非常具有挑战性且成本高昂。为了解决这个问题，SiLC Technologies 创建了一种解决方案，该解决方案使用用于制造电子 IC 的半导体制造工艺将所有需要的光学功能集成到单个硅芯片中。

换句话说，集成到硅中的非常复杂的电子电路背后的相同方法已经可以以非常低的成本实现消费产品，现在可以部署用于制造用于光子学应用的高度复杂的光学电路。

硅光子集成平台使用成熟的半导体制造工艺将高性能组件集成到单个芯片中，提供低成本、紧凑和低功耗的解决方案。硅制造还为复杂的设备和技术提供了经济实惠的大批量扩展。

总之，3D 视觉对于机器感知至关重要。使用 FMCW 技术的相干 3D 传感是这些技术中的最新技术，将视觉系统的性能特征扩展到多个层面——甚至扩展到第四维度。FMCW 传感不是依赖飞行时间、立体视觉、三角测量或结构光，而是利用光子本身的特性。

成本和所需的组件数量阻碍了利用这种方法。可以利用硅集成的力量和将硅光子产品推向市场的传统，最终将具有成本效益的相干视觉传感器商业化。使用额外的瞬时速度信息，这将帮助机器更像人类一样感知他们的环境。