如何通过智能软件和硬件解决方案克服实时立体视觉中的挑战

立体视觉是一种强大的成像技术，通过使用两台或多台相机以略微不同的角度拍摄，模拟人类通过双眼感知深度的方式，从而捕捉环境的三维结构。这项技术能够提供全视野的高密度三维测量，并在非结构化和动态环境中表现出色，特别适用于工业机器人应用。

从料箱捡取到自主导航，立体视觉使得各种机器人应用成为可能。然而，在实时应用场景中部署立体视觉系统时，常常面临以下几个挑战：

• 图像处理的高计算需求

• 对低延迟性能的要求

• 环境变数，如阴影、眩光或光线不足

• 嵌入式机器人平台上有限的处理能力

01 智能解决方案：结合软件效率与硬件性能

为应对这些挑战，必须通过优化算法与专用硬件的结合来提供解决方案。在深度估计方面，像半全局匹配（SGM）这样的算法，在速度和精度之间提供了良好的平衡。同时，深度学习技术可以进一步优化视差图，提升深度精度，特别是在纹理较少或被遮挡的区域。

立体图像中的噪声是另一个常见问题。噪声通常由光照条件或镜头伪影引起，但可以通过边缘保持滤波器（如双边滤波器或引导滤波器）来最小化。这些滤波器在去除噪声的同时，能够保留重要的结构细节，这对于高精度机器人任务至关重要。

然而，即使使用优越的软件，也需要强大的硬件支持才能发挥出色效能。这时，像Bumblebee X这样的机载处理立体相机就显得尤为重要。它通过在设备上直接处理计算密集型任务（如立体匹配、图像校正和视差计算），将主机器人处理器的负载卸载，从而释放出更多系统资源用于AI决策、运动规划或传感器融合，使机器人运行更加高效、智能。

02  高分辨率立体相机

在实时系统中的计算负载管理

平衡实时响应与有限计算能力，尤其是在高精度应用（如外科导航）中，一直是机器人技术面临的重要挑战。高效处理传感器数据至关重要。现代立体相机通过提供预处理的深度图，显著减少了带宽需求，并简化了系统集成，避免了将原始图像数据传输给系统。

尽管GPU在并行计算中表现出色且被广泛应用，但立体匹配是一项计算密集型任务，尤其是在其他AI或控制任务并行执行时，容易迅速消耗大量GPU资源。在这种情况下，基于FPGA的处理方式提供了显著的优势。通过将视觉处理任务卸载到专用的FPGA平台，像Bumblebee X这样的系统能够优化计算负载，从而实现更平稳、更快速和更高效的运行，特别是在资源受限的嵌入式环境中。

03 应对恶劣和不可预测环境中的挑战

户外和工业环境对立体视觉系统提出了巨大的挑战。强烈阳光、深阴影、雾霾和雨水等因素会导致图像质量下降，并影响深度精度。与此相对，主动传感器（如结构光或飞行时间（ToF）相机）在这些环境中往往难以达到理想的效果，因为它们对环境光干扰极为敏感。

相比之下，依赖自然图像对比的被动立体系统在这些环境中表现得更为稳定，因此在光照变化较大的情况下具有更强的鲁棒性。结合高动态范围（HDR）成像技术，立体相机能够在不同亮度级别之间捕捉丰富的细节，从而在高光和阴影区域都保留关键信息。

对于需要进一步提升图像清晰度的场景，基于深度学习的去噪技术也可以改善深度图质量。然而，这些方法计算量大，并且需要经过精心准备的训练数据才能达到出色的效果。

尽管如此，在不同的应用场景中，并不存在一种“完美”的深度感知解决方案。每个应用场景，无论是自主导航、物体追踪，还是高精度的抓取和放置，都需要结合多种技术进行量身定制。然而，从设计一个具备HDR能力的高质量被动立体系统开始，将为在动态和不可预测环境中提供稳定性能奠定坚实基础。

04 高分辨率3D点云

在路面检查中的应用

05  解决工业环境中的标定漂移问题

保持立体视觉系统的长期标定精度至关重要，但这在实际应用中往往充满挑战。在实际部署中，振动、温度变化和物理操作等因素可能会导致标定漂移，即相机的内外参数发生细微变化，从而影响深度的准确性。

在机器人应用中，哪怕是微小的标定误差，也可能会导致托盘堆叠不稳定、抓取失败或导航错误等问题。为减缓这些问题，可以采取以下措施：

• 使用热稳定的材料来设计相机

• 设计能够减少振动的支架

• 将定期重新标定纳入预防性维护计划

Bumblebee X凭借超过20年的标定经验和强大的标定算法，专为工业级可靠性而设计。其坚固的外壳和热稳定的机械设计，以及工厂标定的镜头，有效减少了标定漂移，确保在长时间运行中保持稳定性能。这种精心设计确保了即便在恶劣环境下，系统仍能持续提供一致的性能，减少停机时间，并在仓储自动化、托盘化和机器人引导等应用中实现出色的工作效率。

最后思考

立体视觉使机器人能够实时感知深度，提供丰富的3D数据，这对于动态环境中的自动化至关重要。然而，要充分发挥其潜力，仅仅依靠两台相机是不够的。高分辨率立体成像技术需要在智能软件和专用硬件之间找到恰当的平衡，以克服现实环境中的各种挑战。

从应对高计算负载、处理复杂光照环境，到确保长期标定精度，每一个环节都至关重要。这正是像Bumblebee X这样先进平台设计的核心—不仅仅为了捕捉图像，更是为了在机载系统中解决立体视觉的关键技术难题。