斯坦福科学家开发4D摄像头,可提高机器人视觉与虚拟现实


据斯坦福大学网站报道,该校工程师开发出超宽视野的4D摄像头。他们相信这款摄像头可以比当前的近景机器人视觉和增强现实技术更好。

20多年前,斯坦福大学的研究人员首次描述了一种基于技术的新摄像头,它可以生成机器人探索世界所需的信息丰富的图像。它生成四维图像,也能采集到接近 140 度的信息。

“我们想研究,对于一个通过空气驱动或运送包裹的机器人来说,什么是最适合的摄像头。我们很擅长为人类制作摄像头,但机器人需要参照人类的方式吗?可能不需要。”研究人员表示。

站在机器人的角度,研究人员与加州大学圣地亚哥分校(University of California, San Diego)的团队携手,创造了史上首个单镜头、宽视野、光场摄像头,他们将在7月23日举行的“2017年国际计算机视觉与模式识别大会(CVPR 2017)”上进行展示。

随着技术的发展,机器人如果想了解其环境的某些方面,例如不同物体的运动和材料构成,就必须四处移动,从不同的视角采集信息。这种摄像头能让机器人通过一张图像就收集到相同的信息。研究人员还发现,这种摄像头被用于自动驾驶汽车、增强现实和虚拟现实等技术。

“这是我们计算摄影领域的核心。”研究人员说,“它融合了算法和光学,为前所未有的成像系统提供了便利。”

从小孔到窗户

研究人员表示,从普通摄像头看与从该新型摄像头看的区别就像是从小孔看和从窗户看的区别一样。

“二维照片像小孔,因为我们不能四周转头来收集关于深度、半透明度或光散射的更多信息。”研究人员指出,“但从窗户往外看,我们可以移动,这样一来,就能确定形状、透明度和光泽度等特征。”

这一额外的信息来自于一种名为“光场摄影”的摄像技术。该技术由斯坦福教授于 1996 年首次提出。光场摄影采集的图像除了传统的二维相机采集的图像,还有光到达镜头的角度和距离的信息,从而生成所谓的四维图像。光场摄影的一个众所周知的特点是,它允许用户在拍摄图像后重新对焦,因为这些图像包括了关于光线位置和方向的信息。机器人可以利用这个特点来透视雨水和其他可能模糊它们视觉的东西。

超宽视野包含近三分之一的环绕摄像头的圆圈,来自一个特别设计的球形镜头。但是,这种镜头也产生了很大的障碍:如何将球面图像平移到平面传感器上。解决这个问题的老办法既笨重又容易出错,研究团队将加州大学圣地亚哥分校的光学和制造专业知识与斯坦福大学的信号处理和算法专业知识结合起来,就得到了这个问题的数字化解决方案,不仅生成了这种超宽视野的图像,还提高了它们的质量。

机器人特写

这个摄像机系统的宽视野、详细深度信息以及可能的小巧尺寸都是可穿戴设备、机器人、自主车辆、以及增强现实和虚拟现实中成像系统所需的特征。

研究人员表示,“如果我们的空间有限,又想让计算机了解它周围的整个环境,那么这个系统在任何这类条件下都能发挥作用。”

虽然从远处看来和传统摄像头别无二致,但这种摄像头是专为提高特写图像质量而设计的。特别能体现其用处的例子包括需要在小范围内行驶的机器人、无人机和自动驾驶汽车。作为增强或虚拟现实系统的一部分,它的深度信息更能无缝呈现真实场景,并支持这些场景与虚拟组件之间更好的整合。

这种摄像头目前还只是概念验证,下一步研究团队计划构建一个小巧的原型。这个版本有望足够小,足够轻,可以在机器人上测试。不久也会着手人类可穿戴的摄像头版本。

“许多研究团队正在研究我们正利用光场做的东西,但是还没有人做出好的摄像头。我们有专为消费者摄影设计的现成摄像头。”研究人员说,“但据我所知,这是首例专为机器人和增强现实设计的光场摄像头。我很兴奋能把它交给别人,看看他们能利用这种摄像头做些什么。”

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