3D影像系統促進工業自動化
前言：
為在廠房自動化內追求安全與人體工學，以簡易且符合成本效益的方式控制廠區設備，自是一大要務，藉由手勢的無觸控機制，能夠建立更安全、更直覺的人機介面，此外，這些3D系統亦可指引
為在廠房自動化內追求安全與人體工學，以簡易且符合成本效益的方式控制廠區設備，自是一大要務，藉由手勢的無觸控機制，能夠建立更安全、更直覺的人機介面，此外，這些3D系統亦可指引與控制機器人系統。本文介紹數種3D影像方法的基礎，包括時差測距 (ToF)、結構光、立體視覺等，再從功能與安全兩種角度切入，分析時差測距如何改善各種自動化應用。
3D影像方法
立體視覺原則與人類視覺相同，以兩具精準調校的標準2D相機（雙眼）捕捉景色，鏡頭同時拍下畫面後，經系統控制器（腦部）處理與分析，判斷視野內每個物件的景深。這套系統優點在於運用現成市售相機，可提供最高解析度所需；此外，相機價格相對透明與低廉，不過缺點在於：
•實際調校非常重要，也可能所費不貲
•影像處理演算式極為複雜，若需即時完成，需要功能更強大的處理器，尤其在工廠內，準確調校可能是一大難題
•實際調校非常重要，也可能所費不貲
•影像處理演算式極為複雜，若需即時完成，需要功能更強大的處理器，尤其在工廠內，準確調校可能是一大難題
圖1 透過手勢辨識管理的廠房控制室（資料來源：德州儀器）
大多數人想像3D影像時，腦海中都浮現結構光系統，目前以微軟的Kinect為主，透過眾多光線折射形成影像，再使用一部標準2D相機拍攝畫面，再由處理器修改反射影像次序，產生畫面中物件的景深。這種系統的優點在於，若運用高畫素相機與精密的光影模式，可產生非常精準的景深圖；缺點在於必須分析多張影像，才能判斷景深，故勢必會延遲。此外，影像處理必須修改畫素，造成相機原本捕捉的影像解析度降低。由於光線必須保持一定距離，影像處理系統才能正確解讀光線反射結果，對於近距離互動應用不利；最後一項缺點與立體視覺相仿，光源與相機系統必須準確調校，才能分析得當。
時差測距系統以恆久不變的光速為基礎，光源來自紅外線脈衝，並由特殊景深感測裝置接收反射能量，其中採用特別畫素架構，能瞭解每一畫素位置的接收能量相位，再對比已知發射相位，最後將相位換算為時間，由於能量是以光速傳輸，即可再換算為距離。
相較於其他技術，時差測距最大優點在於，畫面拍攝後，計算景深時不需後續處理，其可避免時間延遲、排除採用強大後處理系統的相關成本，並確保在景深圖內，維持感測器原始解析度。另一項優點在於，因為相對相位才是重點所在，光源與接收器之間的機械調校與配置並非成敗關鍵。
時差測距規模頗具彈性，大多只需改變光源強度、光學視野、發射器脈衝頻率即可，適合在約一公尺外追蹤手指的近距互動系統，或是在虛擬戰場追蹤多名玩家的遠距互動遊戲系統。專業景深相機成本高於其他影像方法使用的標準2D相機，不過因為機械需求成本較低，後處理系統成本較低，故可相互抵銷。
如表1所示，時差測距系統的綜合表現、成本、應用難易度較佳，立體視覺系統可使用標準高解析度相機，故最適合製作3D電影，任何應用若重視低延遲性、準確追蹤手勢、中級精準掃描，時差測距即為最合適選項。
表1:三種系統優缺點比較表（資料來源：德州儀器）
無論使用何種方法，一旦系統獲得景深資訊，後續資料流皆會相同。3D影像系統需要兩種等級的軟體，中介軟體用來分析景深圖，辨別物件與模式，汲取終端應用所需的重要資料點。例如在手勢應用內，中介軟體辨別肢體主要部位（雙手、頭部、雙腳、手指等），再建立追蹤軀體的資料點；在掃描應用內，需汲取資料包括物件表面彎曲點。應用層接收中介軟體匯整的追蹤資料後，執行使用者想要的功能，例如移動工具、啟動／停止程序、翻轉物件檢查等。
工業自動化的人機介面
由於製造業使用的系統日益複雜，作業員安全與使用難易度成為焦點，作業員可能得同時管理多種系統，若以手勢取代觸控，工作將更簡單、更安全，也能專心觀察移動中的設備，不必分心顧慮控制面板，如此更迅速發現問題，並立刻暫停程序，不需走至控制系統操作按鈕、開關或控制桿。試想若只需舉起雙拳，或是讓雙臂在胸前交叉，即可停下機器，可省下多少時間；又或是藉由手指移動，即可將精密工具移動至理想位置，不再受限於控制機台上的把手，能夠在最理想的視線角度以立體操作，取代人工移動工具，也避免讓作業員受到工具傷害。
機器人控制
機器人視覺已發展一段時間，若能使用真正的3D資訊，而非2D影像，機器人動作將準確許多，時差測距系統因為延遲時間短，又不需精準機械調校，故最為合適。反觀立體視覺與結構光均需要精準調校，機器人又常以高速移動，不時出現機械震動，所以很容易造成這兩種系統偏差、降低表現、需要更常維護與調整系統。另一方面，時差測距延遲時間短，適合更快速的行動與決策，德州儀器時差測距系統可支援最高每秒120格的拍攝速率，讓景深資訊產生速度比市售其他解決方案快四倍以上。
掃描與檢查
如上所述，結構光很適合用於相當精確的掃描系統，但假若掃描精準度需求較低，時差測距系統便已足夠。尤其在許多製造業環境裡，都希望最終放行與否的決定能夠自動化，時差測距既精準、延遲時間又短，能夠快速做出決定，並增加製造業處理量。無論採用何種方法，掃描系統都可能需要翻轉物件檢查，或在物件周圍設置影像系統，而工廠內常出現各種震動或衝擊，故機械需求可能限制結構光系統應用範圍。
工廠自動化可運用3D影像，增進系統效能與確保作業員安全，手勢控制功能有助作業員專注於操作程序，而非控制面板，並建立更自然的機器介面。機器視覺若能瞭解景深與XY座標，機器人系統行動將更加準確；3D掃描系統可促進物件量測及分析，德州儀器等企業均推出3D時差測距系統，為工廠自動化與機器控制創造前所未有的新功能。
