3D視覺(jué)感知模塊——掃地機(jī)領(lǐng)域迎來(lái)變革的新藍(lán)海

3D視覺(jué)感知火熱，應(yīng)用迎來(lái)「超級(jí)周期」

得益于摩爾定律的演進(jìn)發(fā)展，圖像處理器芯片技術(shù)不斷精進(jìn)，推動(dòng)了3D成像技術(shù)逐漸走向成熟期，越來(lái)越多的研究界利用更豐富維度的3D數(shù)據(jù)解決計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域問(wèn)題，3D視覺(jué)作為智能機(jī)器人的“眼睛”，將真正使機(jī)器人智能化成為現(xiàn)實(shí)，迎來(lái)人工智能領(lǐng)域的新熱點(diǎn)、新風(fēng)口。就消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，3D視覺(jué)近距離可作人臉識(shí)別，典型的應(yīng)用于蘋果的最新iPhone 11 系列的Face ID上，遠(yuǎn)距離可輔助汽車作自動(dòng)駕駛，比如特斯拉的無(wú)人駕駛系統(tǒng)Autopilot。伴隨人口結(jié)構(gòu)老齡化、中產(chǎn)階層擴(kuò)大，懶人經(jīng)濟(jì)興起，消費(fèi)升級(jí)驅(qū)動(dòng)，智能家居產(chǎn)品呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，掃地機(jī)器人經(jīng)歷了多年的市場(chǎng)試煉，可以預(yù)測(cè)，3D視覺(jué)會(huì)在這個(gè)蘊(yùn)含百億萬(wàn)美金的“消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)”爆發(fā)出無(wú)數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域和商業(yè)機(jī)會(huì)。

掃地機(jī)器人滲透率穩(wěn)步提升，技術(shù)亟待升級(jí)

全球著名市場(chǎng)研究公司IDC發(fā)布的《IDC中國(guó)智能家居設(shè)備市場(chǎng)季度跟蹤報(bào)告》指出，2019年，全球智能家居設(shè)備市場(chǎng)的出貨量預(yù)計(jì)將同比增長(zhǎng)26.9%，達(dá)到8.327億。另?yè)?jù)德國(guó)GFK統(tǒng)計(jì)表明，中國(guó)沿海地區(qū)的家務(wù)機(jī)器人滲透率為4%-5%，內(nèi)陸地區(qū)只有0.4%左右，與目前家用吸塵器30%-40%的滲透率相比，未來(lái)增長(zhǎng)空間廣闊。

不過(guò)在這樣的爆發(fā)式增長(zhǎng)之下，掃地機(jī)器人面臨競(jìng)爭(zhēng)激烈，價(jià)格戰(zhàn)，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重等問(wèn)題，眾多玩家通過(guò)低端產(chǎn)品打入市場(chǎng)，但實(shí)際清掃中，存在無(wú)規(guī)劃清掃、清掃死角、纏繞電線、毛發(fā)，破壞家具等問(wèn)題，導(dǎo)致體驗(yàn)不佳，從未來(lái)消費(fèi)者需求來(lái)看，對(duì)掃地機(jī)器人的要求會(huì)越來(lái)越嚴(yán)苛，需要更智能，這也就進(jìn)一步要求業(yè)內(nèi)廠商開(kāi)始用更多智能化技術(shù)來(lái)給掃地機(jī)賦能。

圖｜ iRobot 掃地機(jī)器人

掃地機(jī)器人的技術(shù)主要分為掃地拖地、避障、建圖、人機(jī)交互四項(xiàng)。

•掃地拖地通過(guò)傳統(tǒng)基件結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前部分產(chǎn)品只具備掃地的功能，但一些同時(shí)具備掃地和拖地的掃拖一體機(jī)也開(kāi)始逐漸出現(xiàn)在市場(chǎng)中。

•避障則需要掃地機(jī)器人對(duì)所處環(huán)境進(jìn)行主動(dòng)認(rèn)知，避開(kāi)家具、電線甚至寵物糞便等障礙，技術(shù)方面已經(jīng)從傳統(tǒng)的超聲避障、紅外線避障發(fā)展到通過(guò)深度學(xué)習(xí)完成的2D避障、3D避障。

•建圖則經(jīng)歷了從隨機(jī)打掃、慣性導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、單目視覺(jué)導(dǎo)航、雙目建圖導(dǎo)航多個(gè)階段，讓掃地機(jī)器人逐漸學(xué)會(huì)在清掃過(guò)程中構(gòu)建環(huán)境地圖，知道哪些地方可以通過(guò)，哪些地方有障礙阻擋，墻和門又在哪里。

•人機(jī)交互則是通過(guò)語(yǔ)音、視覺(jué)、手勢(shì)等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)掃地機(jī)器人的指令。

這其中的關(guān)鍵核心技術(shù)部分：避障和建圖，也就是就是我們常說(shuō)的 SLAM（Simultaneous Localization And Mapping）: 即時(shí)定位與地圖構(gòu)建，指的是機(jī)器人在自身位置不確定的條件下，在完全未知環(huán)境中創(chuàng)建地圖，同時(shí)利用地圖進(jìn)行自主定位和導(dǎo)航。也就是說(shuō)，掃地機(jī)器人需要在未知環(huán)境中從一個(gè)未知的位置開(kāi)始移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中根據(jù)位置估計(jì)和傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行自身定位，同時(shí)建造增量式地圖。

圖 | SLAM 技術(shù)最早應(yīng)用于太空航天

我們目前常見(jiàn)的掃地機(jī)器人多采用激光 SLAM，部分高端線產(chǎn)品采用激光 SLAM 和單目視覺(jué) SLAM 融合的方式。激光 SLAM在實(shí)際清掃過(guò)程中容易受到環(huán)境，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的影響，影響整體地圖的規(guī)劃，也就是我們?cè)谏钪杏龅降膾叩貦C(jī)器人出現(xiàn)的盲掃、反復(fù)清掃、漏掃的情況，單目視覺(jué)技術(shù)主要通過(guò)加入可見(jiàn)光攝像頭進(jìn)行輔助定位，使掃地機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中可以對(duì)圖像進(jìn)行連續(xù)跟蹤，進(jìn)行相機(jī)姿態(tài)和物體之間相對(duì)位置變化的估算，但單個(gè)攝像頭進(jìn)行估算時(shí)，缺少深度信息，容易存在誤差，在建圖、路徑規(guī)劃和導(dǎo)航以及避障能力上較弱。無(wú)論是激光 SLAM 還是單目 SLAM，在避障時(shí)主要是通過(guò)接觸式的碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)，很容易卡在沙發(fā)底下，碰壞家具，對(duì)于有孩子的家庭來(lái)說(shuō)更存在安全隱患。

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率第一的掃地機(jī)器人企業(yè)科沃斯相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，從行業(yè)角度來(lái)看，掃地機(jī)器人肯定會(huì)從2D導(dǎo)航向3D導(dǎo)航發(fā)展，一個(gè)好的產(chǎn)品在掃地拖地、避障、建圖、人機(jī)交互四個(gè)維度上都要向前走，需要不斷做技術(shù)沉淀來(lái)將每個(gè)緯度做到最好，這對(duì)掃地機(jī)器人提出了更高的三維視覺(jué)感知要求。

在掃地機(jī)器人領(lǐng)域，雙目視覺(jué)屬性在3D避障方面有著天然的優(yōu)勢(shì)

市面上三維視覺(jué)感知的方案主要有三種：?jiǎn)文拷Y(jié)構(gòu)光（如PrimeSense的Kinect一代），雙目可見(jiàn)光（如LeapMotion）和飛行時(shí)間法（ToF，如微軟的Kinect二代）。對(duì)于掃地機(jī)這種消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，BOM成本是關(guān)鍵，ToF相對(duì)來(lái)說(shuō)成本偏高，結(jié)構(gòu)光更適合近距離的應(yīng)用場(chǎng)景。雙目視覺(jué)通過(guò)三角測(cè)量原理使用兩個(gè)攝像頭來(lái)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的三維空間位置進(jìn)行定位，雙目視覺(jué)傳感器在成本優(yōu)勢(shì)明顯的同時(shí)，可以捕獲更為豐富的環(huán)境信息，同時(shí)用于感知，這讓基于視覺(jué)的SLAM在未來(lái)有了更廣闊的想象空間，高效實(shí)現(xiàn)3D避障，不破壞家具和傷及小孩，在完成三維建圖后，可以完成更完整的 SLAM 功能，從而實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)掃，歸位充電等功能，結(jié)合vSLAM算法可以做深度學(xué)習(xí)/識(shí)別，在精準(zhǔn)避障的同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)障礙物的識(shí)別，對(duì)于接入智能音箱的掃地機(jī)器人，用戶還可以通過(guò)語(yǔ)音交互控制其功能。

想象一下，掃地機(jī)器人擁有了視覺(jué)認(rèn)知能力后，它可能可以看到你的寵物留下的「愛(ài)你的痕跡」，并在你的語(yǔ)音交互指令下第一時(shí)間進(jìn)行清理？

如此一來(lái)，3D避障和深度學(xué)習(xí)兩者的結(jié)合將大幅降低避障的誤判率和錯(cuò)判率，顯著提升用戶掃地機(jī)的使用體驗(yàn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，雙目視覺(jué)方案將會(huì)逐漸成為掃地機(jī)器人主流導(dǎo)航定位方案，據(jù)知情人士透露，國(guó)內(nèi)已有多家掃地機(jī)方案商及廠商正在布局，筆者通過(guò)企查查專利搜索到一家名為小覓智能的公司近日公布了多項(xiàng)關(guān)于雙目視覺(jué)掃地機(jī)器人的專利，包括障礙物檢測(cè)及避障方法，另?yè)?jù)公開(kāi)資料顯示，小覓智能是曠視物流機(jī)器人的雙目視覺(jué)提供商，可見(jiàn)掃地機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入了雙目3D傳感器頭部企業(yè)的視野。筆者大膽設(shè)想一下，一款掃地機(jī)器人從原型到量產(chǎn)銷售一般需要16-20個(gè)月，如今有了小覓智能等相關(guān)企業(yè)的入局和量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)加持，用雙目“看世界”的掃地機(jī)器人很有可能在2020末至2021年初進(jìn)入大眾的視野，讓我們拭目以待。

3D導(dǎo)航+AI技術(shù)+人機(jī)交互，開(kāi)啟全新掃地機(jī)器人體驗(yàn)

科沃斯在2019半年報(bào)提到：基于機(jī)器視覺(jué)的新一代傳感模組、SLAM算法和人工智能應(yīng)用將在不遠(yuǎn)的將來(lái)取代現(xiàn)有基于LDS和VSLAM的傳統(tǒng)2D服務(wù)機(jī)器人定位導(dǎo)航和規(guī)劃技術(shù)，帶領(lǐng)家用服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品在智能、交互、數(shù)據(jù)、互聯(lián)等方面躍上一個(gè)新的臺(tái)階，不僅提高現(xiàn)有掃地機(jī)器人產(chǎn)品的性能表現(xiàn)，同時(shí)擴(kuò)展全新的基于數(shù)據(jù)和服務(wù)的功能，帶給用戶更高的價(jià)值。

如果說(shuō) 3D 將改變傳統(tǒng)的 2D 平面世界認(rèn)知方式，讓機(jī)器建立起對(duì)現(xiàn)實(shí)世界全面深刻的三維信息感知和理解能力，那么 「3D + AI + 人機(jī)交互」，將前所未有地改變我們使用掃地機(jī)器人的體驗(yàn)，未來(lái)的掃地機(jī)器人應(yīng)該是這樣的：它不僅能看的更遠(yuǎn)、更立體，更精準(zhǔn)，同時(shí)，它具備自我學(xué)習(xí)能力，不斷優(yōu)化自身性能，還將聯(lián)動(dòng)其他智能家居成為智能家居網(wǎng)絡(luò)，重新定義家庭場(chǎng)景，通過(guò)感知環(huán)境、持續(xù)學(xué)習(xí)和人機(jī)交互，從本質(zhì)上提升用戶智慧家庭體驗(yàn)。

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