3Dロボットビジョンのための照明ソリューション
Coherent VCSELベースの照明モジュールは、自律ロボットの3Dビジョンシステムで直面する固有の課題に対処します。
2024年12月2日、Coherent
3Dセンシング技術の基礎を紹介するにあたり、機械が深さを認識できるようにするコアコンセプトと技術について説明しました。このフォローアップでは、ロボットビジョンという3Dセンシングの特定の用途について掘り下げ、照明ソリューションがこの分野における進歩をどのように推進しているかを学びます。
マシンの台頭
家庭用ロボットはもはや未来的な概念ではありません。ロボット掃除機、フロアモッパー、窓用クリーナー、芝刈り機などのデバイスは、日常の利便性になっています。時間が経つにつれて、彼らはよりスマートで洗練されたものになりました。たとえば、初期のロボット掃除機はランダムな経路をたどることがよくありましたが、現代のモデルでは高度なセンサーを使用して部屋をマッピングしています。障害物をナビゲートし、あらゆるエリアを体系的にカバーすることで、より効率的に清掃できます。
現在、人工知能（AI）と機械学習の急速な進歩のおかげで、ロボットのさらに有能な世代が生まれています。これらのロボットは、もはや単純なタスクにとどまらず、洗濯物の折りたたみ、食事の準備、ディナーテーブルの設定などの複雑な責任を引き受け始めています。この進化を可能にする重要な技術の1つは、3Dビジョンの改善です。
ロボットビジョン：新しい能力の鍵
ロボットがスキルと汎用性を高めるためには、より良いビジョンシステムが不可欠です。ビジョンセンサーにより、ロボットは複雑な環境をナビゲートし、物体を認識して操作し、人と安全に対話することができます。たとえば、台所を手伝うロボットは、衝突を回避し、品目を正確に把握し、人間のように3D空間で動作するために、深さを認識できなければなりません。人間が世界を理解するためにステレオビジョンに依存するのと同じように、ロボットもタスクを効果的に実行するために同じ能力を必要としています。
3Dビジョンは重要です。ロボットは、家の中をナビゲートしたり、物体を拾ったり、人間やペットと交流したりなど、3次元の世界で動作する必要があるからです。環境の深さを知覚する能力がなければ、その有用性は非常に基本的な相互作用に限定されます。
3Dロボットビジョンのアプローチ
ロボット工学に3Dビジョンを実装する方法はいくつかあります。ステレオビジョンは、2台のカメラを使用して人間の深度認識を模倣することを伴い、1つの方法です。しかし、ステレオビジョンシステムは計算集約的であり、多くの場合、観察される物体の照明条件とテクスチャによって制限されます。
このため、多くのロボットビジョンシステムは、構造化光や飛行時間（ToF）センシングなどのより効率的な技術に依存しています。これらの方法はいずれも、通常赤外スペクトルのアクティブ照明を利用して、より信頼性が高く、環境上の制約が少ない深度情報を取得します。これらの技術の詳細な議論は、当社のブログAn In-D-D Look at 3D Sensingで提供されています。
簡単に言えば、構造化光は、パターン（グリッドやドットなど）をシーンに投影し、表面に当たるとパターンがどのように変形するかを測定することで機能します。小さな物体や細かい細部の特定など、短距離、高精度の精密作業に最適です。対照的に、光が表面から跳ね返るのにかかる時間を測定するToF技術は、より多用途です。構造化光と同程度の詳細を提供できないかもしれませんが、短距離でも長距離でも動作できるため、ロボットビジョンに特に適しています。
To F照明オプション
ToFシステムは、通常、フラッド照明とドット投影の2種類の照明で動作します。フラッド照明は、シーン全体をキャプチャする高密度で均一な点群を提供します。ただし、信号対ノイズ比が低く、センサーに到達する前に光が複数の表面から跳ね返るマルチパス効果の影響を受けやすい場合があります。これにより、長距離にわたって精度が制限される可能性があります。
一方、ドットプロジェクターは、よりスパーな点群を作成しますが、マルチパス干渉の影響を減らすことで、より良い信号対雑音性能とより高い精密を提供します。また、ドットプロジェクターは、より広い範囲の能力を持つ傾向があり、より大きなスペースや複雑な環境のナビゲートに効果的です。
ロボットのさまざまな用途は、非常に広範です。特定の用途に応じて、ロボット開発者はフラッド照明とドットプロジェクターから選択したり、場合によっては2つを組み合わせることができます。たとえば、フラッド照明を使用して広い視野を感知し、広範囲の感知が必要な場合にドットプロジェクターでこれを補完します。
また、自律ロボットは充電セッションの間に長時間動作する必要があるため、多くの場合、電力消費が重要であることも注目に値します。この場合、ドットプロジェクターは、一般的に消費電力が低いため、フラッド照明よりも好ましい場合があります。
Coherent照明ソリューション
各ロボットアプリケーションには、さまざまなレベルの周囲光、さまざまな視野角、幅広い距離にわたって効果的に動作する必要性など、独自の課題があります。そのため、Coherentはロボットビジョンアプリケーションに最適な市販の照明モジュールを幅広く提供しています。これらには、シームレスな統合と最適なパフォーマンスを実現するように設計されたフラッド照明とドットプロジェクターの両方が含まれます。
当社のフラッド照明は、4.5 W～11 Wのさまざまな出力レベルがあり、60° x 45°～140° x 110°のさまざまな視野オプションを提供します。高効率で、バッテリー駆動デバイスでも信頼性の高い性能を発揮します。
当社のドットプロジェクターは、67° x 53°と1,100ドットから130° x 110°と3,000ドットまでのさまざまな構成で、同様に汎用性が高く、利用可能です。小さなスポットサイズ、高いコントラスト、優れた眼の安全性を提供し、さまざまなロボット用途に適しています。
フラッド照明装置とドットプロジェクターの両方を含む当社の照明モジュールはすべて、表面実装技術（SMT）パッケージで提供されます。このコンパクトなフォームファクターにより、統合が容易で、主要なToFセンサーメーカーのリファレンスデザインと完全に互換性があります。
まとめ
Coherentの既製のSMTフラッドおよびドットプロジェクターモジュールにより、ロボットビジョンシステムの飛行時間型カメラ向けにカスタマイズされた照明ソリューションを設計することがこれまでになく簡単になりました。次世代の家庭用ロボットを開発している場合でも、スマートホームオートメーション、セキュリティ、モバイルデバイスの高度なアプリケーションに取り組む場合でも、当社のソリューションは、成功するために必要な柔軟性とパフォーマンスを提供します。
