工業(yè)4.0讓我們?cè)?jīng)熟悉的工廠、車間成了新技術(shù)的試驗(yàn)場!

工業(yè)4.0讓我們?cè)?jīng)熟悉的工廠、車間成了新技術(shù)的試驗(yàn)場，但凡是能夠推動(dòng)制造數(shù)據(jù)化和智能化、提升生產(chǎn)效率的技術(shù)和方案，都希望有機(jī)會(huì)在工業(yè)領(lǐng)域一展身手。機(jī)器視覺當(dāng)然也是其中之一。

應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器視覺，也被簡稱為“工業(yè)視覺”，最通俗的理解就是在生產(chǎn)制造的過程中運(yùn)用機(jī)器視覺技術(shù)，代替人眼去完成特定的任務(wù)，或是讓機(jī)器設(shè)備具備視覺功能以支持其完成自動(dòng)化的操作。所以也有人認(rèn)為工業(yè)視覺就是智能制造的之“眼”。

為什么要發(fā)展工業(yè)視覺？與其他被機(jī)器取代的人工工作類似，我們可以列舉出許多讓工業(yè)視覺大行其道的理由：首先，機(jī)器視覺比人眼的精度高，可以完成許多肉眼無法完成的工作；其次，機(jī)器不會(huì)疲勞，還可以在一些極端環(huán)境下工作，更為可靠；再有，機(jī)器還可以響應(yīng)可見光以外更寬的光譜（如紅外），可“見”的范圍也更廣；另外，對(duì)于機(jī)器在效率上的優(yōu)勢，大家也一定不會(huì)有疑議……

當(dāng)然，除了上述技術(shù)層面的原因，工業(yè)視覺的經(jīng)濟(jì)性也是一個(gè)重要因素。這是因?yàn)殡S著全球老齡化進(jìn)程的加速，勞動(dòng)力資源供給在減少，而與之關(guān)聯(lián)的是工業(yè)制造業(yè)的人力成本一直在增加，所以很多經(jīng)濟(jì)體原先高速發(fā)展所仰仗的人口紅利不再，考慮用機(jī)器去替代人工也就成了其工業(yè)發(fā)展必由之路。

以工業(yè)視覺應(yīng)用中占比最大的電子行業(yè)為例，有人估算，僅就智能手機(jī)玻璃蓋板、觸摸屏、顯示屏外觀檢查這一個(gè)崗位，中國每年就需要近30萬人，由此產(chǎn)生的勞務(wù)工資是一項(xiàng)龐大的開銷。而如果采用工業(yè)視覺方案去替代這種重復(fù)性的勞動(dòng)，既是效率之選，也是效益之選。

因此在市場需求驅(qū)動(dòng)下，近年來工業(yè)視覺市場一直保持較快的增速。據(jù)高工產(chǎn)業(yè)機(jī)器人研究所（GGII）預(yù)測，中國工業(yè)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器視覺市場規(guī)模預(yù)計(jì)到2020年將超過120億元，2017-2020年均增速將達(dá)15%以上。電子、汽車、醫(yī)藥、食品等諸多領(lǐng)域都將是工業(yè)視覺的發(fā)力點(diǎn)。

工業(yè)視覺在生產(chǎn)制造過程中的基礎(chǔ)功能主要集中在四個(gè)方面：

物體識(shí)別：即利用機(jī)器視覺對(duì)物體或圖像進(jìn)行處理、分析和理解，以識(shí)別各種不同模式的目標(biāo)和對(duì)象。

檢測應(yīng)用：對(duì)顏色、圖像等視覺目標(biāo)進(jìn)行檢測，多用于缺陷檢測，以及物體位置和方向的檢定。

視覺定位：機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確的找到被測零件并確認(rèn)其位置，比如電子裝配設(shè)備根據(jù)機(jī)器視覺取得的芯片位置信息調(diào)整拾取頭，準(zhǔn)確拾取芯片。

物體測量：基于機(jī)器視覺的其非接觸測量技術(shù)，可對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行高精度和高速度的非接觸無磨損測量。

基于上述的基礎(chǔ)功能，人們又可以對(duì)其進(jìn)行組合、集成，衍生出更復(fù)雜的應(yīng)用。

與其他領(lǐng)域的機(jī)器視覺相比，工業(yè)視覺方案也有自己的行業(yè)特點(diǎn)。其一，既然是工業(yè)應(yīng)用，那么在性能上不能含糊；第二，必須要滿足工業(yè)要求的可靠性；此外，還有一點(diǎn)很重要，由于工業(yè)應(yīng)用大多是高度垂直化的，所以具體的應(yīng)用需求也會(huì)千差萬別，這樣的需求特點(diǎn)映射到技術(shù)上，就要求工業(yè)視覺方案也要有出色的可擴(kuò)展性和靈活性。

那么什么樣的工業(yè)視覺方案，才算是“好”方案呢？我們可以安富利的嵌入式物體識(shí)別方案作為一個(gè)范例，進(jìn)行分析。

圖1，安富利嵌入式物體識(shí)別方案（圖片來源：安富利）

無論是什么樣的機(jī)器視覺系統(tǒng)，都有兩個(gè)核心的功能模塊：一個(gè)是視覺信息采集系統(tǒng)，另一個(gè)就是視覺處理系統(tǒng)。安富利嵌入式物體識(shí)別方案的視覺采集功能是通過安森美半導(dǎo)體的PYTHON-1300彩色圖像傳感器實(shí)現(xiàn)的。PYTHON-1300是一個(gè)1/2英寸的SCGA CMOS圖像傳感器，具有1280x1024的高清分辨率。為了滿足通用工業(yè)圖像傳感應(yīng)用的需求，PYTHON-1300還具有全局快門、高速和高敏感度等特性，以及在配置和分辨率上的靈活性。

圖2，基于PYTHON-1300的彩色圖像傳感器模塊（圖片來源：安富利）

在整個(gè)方案中，與圖像傳感器模塊連接的當(dāng)然就是視覺處理系統(tǒng)，這部分功能是由安富利開發(fā)的MicroZed嵌入式視覺開發(fā)套件完成的。MicroZed嵌入式視覺開發(fā)套件由MicroZed SOM和專用的視頻采集卡組成，MicroZed SOM提供核心的視覺處理計(jì)算功能，視頻采集卡上則集成了視頻處理所需的其他外圍電路和擴(kuò)展功能，如HDMI輸入輸出、攝像圖模塊連接器，以及以太網(wǎng)供電PoE接口等。

圖3，安富利的MicroZed嵌入式視覺開發(fā)套件（圖片來源：安富利）

這個(gè)方案的核心的亮點(diǎn)，就在MicroZed SOM這個(gè)核心板上。MicroZed SOM是一個(gè)基于Xilinx公司全可編程Zynq-7000器件的系統(tǒng)級(jí)模塊，這也就意味著，與其他一些機(jī)器視覺方案不同，安富利的這個(gè)嵌入式物體識(shí)別方案采用的是FPGA+Arm的異構(gòu)處理器平臺(tái)。

Zynq作為一種異構(gòu)處理平臺(tái)，內(nèi)部既包含嵌入式處理器（PS），也有可編程邏輯電路（PL），嵌入式視覺開發(fā)者可以根據(jù)需要將計(jì)算任務(wù)在兩個(gè)系統(tǒng)間進(jìn)行分配，探索出最優(yōu)的方案。開發(fā)者可以利用平臺(tái)的靈活性配置更多的IO，還可以將復(fù)雜的視覺處理算法放在PL上做加速…… Zynq總有辦法讓性能的最大化成為可能。

與此同時(shí)，Zynq的“硬件可編程”特性，也使得基于它的工業(yè)視覺方案獲得更大的靈活性，無論是嘗試新的算法，還是擴(kuò)展到新的工業(yè)應(yīng)用場景，這款方案都能夠輕松勝任，在機(jī)器人定位、影像搜尋、視頻監(jiān)控等應(yīng)用領(lǐng)域游刃有余。

圖4，基于Zynq異構(gòu)處理平臺(tái)的MicroZed SOM（圖片來源：安富利）

總之，在智能制造的浪潮中，工業(yè)視覺的廣泛滲透和應(yīng)用已是大勢所趨，而技術(shù)的進(jìn)步也在正在加速這個(gè)趨勢的進(jìn)程，讓工業(yè)之“眼”更為犀利。