機(jī)器視覺全面進(jìn)化 對話智慧新世界 - 全文

　　- 摘自2014.6【智能工業(yè)特刊】“i創(chuàng)新”欄目

　　馬上了解更多《智能工業(yè)特刊》技術(shù)趨勢與參考設(shè)計(jì)方案。

　　由于全球制造中心逐步向中國轉(zhuǎn)移，機(jī)器視覺系統(tǒng)已成為各大半導(dǎo)體原廠的重點(diǎn)關(guān)注市場。如何為“眼盲”設(shè)備提供“視力”或“視覺”，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)力并降低成本？眾多知名半導(dǎo)體廠商紛紛通過開發(fā)新型機(jī)器視覺系統(tǒng)來鞏固并促進(jìn)未來工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。有鑒于此，本期2014年6月“智能工業(yè)”特刊“i創(chuàng)新”欄目主題將聚焦于“智能工業(yè)下機(jī)器視覺的未來”探討。

　　在人工成本急劇上升、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級的宏大背景下，中國不斷出臺新的政策支持工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。2014年伊始，中國工業(yè)機(jī)器人即迎來重大利好。工信部發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，針對中國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，《意見》提出了具體目標(biāo)，包括到2020年，高端產(chǎn)品市場占有率提高到45%以上，機(jī)器人密度（每萬名員工使用機(jī)器人臺數(shù)）達(dá)到100以上，等等。這意味著政府認(rèn)為在未來6年內(nèi)中國工業(yè)機(jī)器人的保有量將增長4倍。

　　芯片商與工業(yè)電腦系統(tǒng)集成商正大舉搶攻機(jī)器視覺應(yīng)用商機(jī)。工業(yè)型機(jī)器人應(yīng)用前景看好，連帶讓機(jī)器人內(nèi)部控制元件的行情跟著看俏，包括MCU、DSP、FPGA、工控平臺等解決方案供應(yīng)商亦正大舉獻(xiàn)計(jì)，飛思卡爾（Freescale）、萊迪思（Lattice）、美國國家儀器（National Instruments）、凌華（ADLINK ）等業(yè)界一眾知名大廠，期許能順著智能工業(yè)與自動化的潮流，推出從機(jī)器視覺、測試測量和運(yùn)動控制等工業(yè)熱點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，大發(fā)智能工業(yè)財(cái)。

　　工業(yè)型機(jī)器人需求崛起，可望帶動龐大市場商機(jī)。工業(yè)型機(jī)器人的核心能力在于機(jī)器視覺與運(yùn)動控制；而目前最普遍的工業(yè)型機(jī)器人樣態(tài)即是模仿人類手臂的機(jī)器手臂，而機(jī)器視覺作為工業(yè)機(jī)器人的“眼睛”和感知器官，對圖像捕捉與處理能力要求非常高，已然成為工業(yè)的智能化的關(guān)鍵所在。

　　機(jī)器視覺正迎來全新的發(fā)展機(jī)會

　　飛思卡爾微控制器事業(yè)部亞太區(qū)市場營銷和業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理 李星宇表示，工業(yè)自動化正在邁向工業(yè)智能化。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，人口紅利的劉易斯拐點(diǎn)將會在2015年出現(xiàn)。隨著勞動人口的下降和老齡人口的上升，許多企業(yè)將面臨勞動力成本上升的問題，因此對于工業(yè)智能化有強(qiáng)烈的需求。這為機(jī)器視覺帶來了全新的應(yīng)用。

　　李星宇進(jìn)一步指出表示，目前簡單勞動的機(jī)器替代趨勢已經(jīng)形成，而具有機(jī)器視覺智能設(shè)備可以幫助自動化設(shè)備實(shí)現(xiàn)高度靈活的配置，以及適應(yīng)更加復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)，例如物流分揀，產(chǎn)品品質(zhì)檢測、高精度加工、裝配工作等，而通過M2M的互聯(lián)，更有助于提高自動化系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)單元的協(xié)作效率，從而擴(kuò)大機(jī)器替代人力勞動的范圍。據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會此前預(yù)測，到2014年，中國將成為全球工業(yè)機(jī)器人的最大市場，年均銷售增長率達(dá)到25%。我們注意到，汽車制造，電子裝配，倉儲物流以及建材生產(chǎn)等行業(yè)對于工業(yè)機(jī)器人的需求非常旺盛。

　　機(jī)器視覺的另一個(gè)應(yīng)用是鋼鐵工業(yè)，包括焊縫的自動跟蹤，帶鋼表面缺陷的自動檢測、連鑄、軋鋼等工序中的品質(zhì)控制等等?？紤]到中國龐大的鋼鐵工業(yè)規(guī)模，機(jī)器視覺技術(shù)帶來的經(jīng)濟(jì)回報(bào)可達(dá)千億元的量級。這些技術(shù)同樣可以使玻璃、石化等傳統(tǒng)行業(yè)受益。

　　
　　飛思卡爾微控制器事業(yè)部亞太區(qū)市場營銷和業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理 李星宇表示，工業(yè)自動化正在邁向工業(yè)智能化。

　　i.MX6——機(jī)器視覺應(yīng)用的制勝利器

　　i.MX6非常突出的一個(gè)優(yōu)勢是它提供了OpenCL支持，為什么OpenCL對于機(jī)器視覺如此關(guān)鍵？

　　事實(shí)上，機(jī)器視覺系統(tǒng)需要進(jìn)行大量并行的數(shù)據(jù)運(yùn)算，包括圖像校正、圖像灰度化及二值化、圖像分割與裁剪，邊緣檢測等等。目前許多機(jī)器視覺算法基于開源的OpenCV來實(shí)現(xiàn)OpenCV（Open Source Computer Vision Library）是一個(gè)致力于實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)視覺運(yùn)算的開源庫，至今已有超過250萬的用戶。雖然OpenCV的目標(biāo)是能夠?qū)崟r(shí)的處理計(jì)算機(jī)視覺問題，但是大多數(shù)計(jì)算機(jī)視覺的算法太過復(fù)雜，無法在CPU上實(shí)時(shí)執(zhí)行。而計(jì)算機(jī)視覺的大多數(shù)算法具有天生的并行性，因此非常適合在GPU和APU上執(zhí)行并獲得極大的加速。

　　OpenCL正是為滿足這樣的需求而定義的。OpenCL（Open Computing Language）是一個(gè)在異構(gòu)平臺如CPU和GPU上高效執(zhí)行程序的開源計(jì)算框架，使得GPU可以分擔(dān)CPU的計(jì)算負(fù)荷。它使應(yīng)用程序能夠在GPU上執(zhí)行，使GPU可以不僅執(zhí)行圖形程序，而且可以執(zhí)行通用計(jì)算程序（GPGPU）。利用OpenCL加速，可以GPU強(qiáng)大的并行處理能力和可編程流水線處理圖形算法，在性能上大大超越了傳統(tǒng)的CPU。

　　為機(jī)器視覺的安全保駕護(hù)航

　　李星宇強(qiáng)調(diào)，在機(jī)器視覺應(yīng)用領(lǐng)域，客戶最具價(jià)值的資產(chǎn)就是其軟件算法，如何防止算法被竊取顯得至關(guān)重要。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，當(dāng)機(jī)器視覺被應(yīng)用在工廠產(chǎn)線、安保領(lǐng)域、或者是各類機(jī)器人上時(shí)，一旦其受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，控制權(quán)被奪取的話，產(chǎn)生的后果將是災(zāi)難性的。這就要求機(jī)器視覺必須是部署在可靠的硬件執(zhí)行環(huán)境中。

　　i.MX6提供非常完善的安全特性來保證用戶的知識產(chǎn)權(quán)和設(shè)備運(yùn)行可靠性。其中包括：

　　1. 可信執(zhí)行環(huán)境；

　　2.高可靠性啟動（HAB）；

　　3.硬件加密引擎（CAAM）以及隨機(jī)數(shù)生成器（RNG）；

　　4. 安全存儲區(qū)（Secure RAM）。

　　FPGA+工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)=高效的工業(yè)系統(tǒng)

　　機(jī)器視覺已開始在智能工廠的產(chǎn)線上發(fā)揮重要功能，成為智能制造中不可或缺的要角。機(jī)器手臂可取代人工進(jìn)行焊接、涂裝及裝配等流程，達(dá)到更經(jīng)濟(jì)、快速和準(zhǔn)確完成標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)作業(yè)；而隨著機(jī)器手臂日益受到重視，在機(jī)器手臂馬達(dá)控制中擔(dān)當(dāng)重任的MCU和低功耗靈活與高處理能力的FPGA等關(guān)鍵器件，亦可望跟著受惠。

　　
　　萊迪思半導(dǎo)體通訊及工業(yè)部門高級總監(jiān)Jim Tavacoli表示，機(jī)器視覺將結(jié)合工業(yè)控制系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)更為高效的工業(yè)系統(tǒng)。

　　萊迪思半導(dǎo)體通訊及工業(yè)部門高級總監(jiān)Jim Tavacoli表示，隨著百萬像素相機(jī)和多個(gè)圖像傳感器的廣泛應(yīng)用，市場將產(chǎn)生以下三種需求：1） 新的圖像傳感器接口；2） 以低功耗實(shí)施圖像信號處理；3） 小尺寸封裝。FPGA架構(gòu)尤其適合接口和圖像信號處理，而萊迪思專注于外形小巧的低功耗芯片產(chǎn)品，在服務(wù)于新興工業(yè)市場方面處于有利地位。

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也離不開機(jī)器視覺。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)有著巨大增長潛力的市場，用戶需要收集傳感器數(shù)據(jù)，有時(shí)還要將這些數(shù)據(jù)與來自機(jī)器視覺的圖像傳感器數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)更好的智能化功能。物聯(lián)網(wǎng)的興起帶來了龐大的傳感器需求，這意味著隨時(shí)隨地使用更多連接，同時(shí)也提出了多樣化的傳感器接口需求。

　　Tavacoli指出，機(jī)器視覺將繼續(xù)利用針對移動應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)，通過工業(yè)控制系統(tǒng)提供詳盡分析，連接到云系統(tǒng)進(jìn)行分享和大數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)更為高效的工業(yè)系統(tǒng)。

　　Tavacoli進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)，安全、高能效、可遠(yuǎn)程升級的工業(yè)系統(tǒng)將需要長達(dá)10年時(shí)間進(jìn)行開發(fā)和部署。這一目標(biāo)要通過幾代系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)，它們可為當(dāng)前工業(yè)系統(tǒng)提供持續(xù)演進(jìn)的增強(qiáng)功能。

　　值得指出的是，當(dāng)前工業(yè)系統(tǒng)供應(yīng)商在連接性、外形尺寸和功耗方面都面臨著日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?；蛟S，萊迪思可以運(yùn)用其在智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴設(shè)備領(lǐng)域積累的FPGA專業(yè)經(jīng)驗(yàn)并將其應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域中，進(jìn)一步推動機(jī)器視覺乃至智能工業(yè)的發(fā)展。

　　機(jī)器視覺系統(tǒng)的全面進(jìn)化

　　隨著現(xiàn)代電子芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，使得原本做不到的技術(shù)指標(biāo)或是需要更多的圖像采集卡，工業(yè)相機(jī)以及更強(qiáng)大的工業(yè)計(jì)算機(jī)才能達(dá)成的任務(wù)，也都在這些年逐一被實(shí)現(xiàn)出來。但是中國需求者在測試精度與預(yù)測速度上的大幅度提升，導(dǎo)致檢測技術(shù)難度也大幅增加，加上客戶服務(wù)需求意識日趨強(qiáng)烈，所以廠家在相關(guān)技術(shù)服務(wù)、人力資源的投入上，必須大幅度增加才能夠滿足客戶的需求。

　　
　　凌華科技（中國）有限公司產(chǎn)品營銷總監(jiān) 陳家佑表示，凌華科技可以為客戶提供整合的運(yùn)動控制與機(jī)器視覺解決方案。

　　凌華科技（中國）有限公司產(chǎn)品營銷總監(jiān) 陳家佑表示，基于PC_BASE X86 & ARM的架構(gòu)在納米級別的生產(chǎn)制程大幅提升之后，讓處理器功耗、性能與擴(kuò)展有了突破性的發(fā)展，所以可以輕易讓電子元器件濃縮與縮小集中在軟硬電路板上，發(fā)展出更多的應(yīng)用，正因?yàn)槿绱耍跃托枰芘c更高性能的機(jī)器視覺系統(tǒng)來做質(zhì)量的篩選與檢測，但這將不是智能相機(jī)可以滿足的，這也就是PC_BASE機(jī)器視覺的發(fā)展商機(jī)關(guān)鍵所在。

　　不同于智能相機(jī)的封閉系統(tǒng)，PC_BASE機(jī)器視覺本著基于PC_BASE架構(gòu)再做延伸，可以輕松擴(kuò)展出不同的接口與應(yīng)用軟件，來結(jié)合與互聯(lián)網(wǎng)有關(guān)的應(yīng)用軟件，在工廠本地端完成生產(chǎn)檢測之后就通過互聯(lián)網(wǎng)框架把效果與分析分享其特定對象，例如： 全球半導(dǎo)體代工龍頭臺灣臺積電（TSMC），該公司提供了一套很完整的生產(chǎn)平臺，該平臺可以通過互聯(lián)網(wǎng)機(jī)制方客戶端來時(shí)時(shí)關(guān)注客戶所下訂單、生產(chǎn)進(jìn)度與相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，作為銷售與后續(xù)生產(chǎn)訂單的參考標(biāo)準(zhǔn)。

　　陳家佑指出，針對大面積檢測和多圖標(biāo)條形碼在視覺識別與檢測上是PC_BASE機(jī)器視覺值得發(fā)展的方向。例如： PCB/FPD面板玻璃檢測，半導(dǎo)體/金屬激光打標(biāo)應(yīng)用，傳統(tǒng)的錫箔生產(chǎn)卷繞檢測以及現(xiàn)在炙手可熱的智能電表等，都是需要復(fù)雜的視覺運(yùn)算檢測，這也是PC_BASE機(jī)器視覺關(guān)注發(fā)展的方向。

　　事實(shí)上，基于以上的應(yīng)用概念，基于PC_BASE機(jī)器視覺可以擴(kuò)展出更多的應(yīng)用，例如：工廠門禁安全，國土環(huán)境水土安全監(jiān)控，智能交通集成識別應(yīng)用等，都是被擴(kuò)散到整個(gè)社會生活層級的。

　　陳家佑表示，在中國的機(jī)器視覺應(yīng)用市場中，凌華科技也投入了相當(dāng)多的研發(fā)，技術(shù)，營銷推廣等資源，因此很明確地展現(xiàn)出成效、市場口碑與信任度。在PC_BASE機(jī)器視覺上也都是基于最擅長的X86架構(gòu)來開發(fā)出更多屬于視覺檢測的應(yīng)用軟硬件來滿足各種電子產(chǎn)業(yè)的技術(shù)需求。凌華科技可以為客戶提供整合的運(yùn)動控制與機(jī)器視覺解決方案，即運(yùn)動控制卡、圖像采集卡和工業(yè)計(jì)算平臺，為客戶提供“一站式”的購買體驗(yàn)。

　　為機(jī)器視覺所困？NI為你解決后顧之憂

　　NI中國技術(shù)市場工程師 崔鵬表示，機(jī)器視覺作為工業(yè)自動化系統(tǒng)的重要組成之一，其技術(shù)與應(yīng)用也隨著自動化行業(yè)的發(fā)展而日益成熟。具體體現(xiàn)在：圖像處理能力和速度不斷增強(qiáng)、光電器件性能的提高、各類標(biāo)準(zhǔn)的逐漸統(tǒng)一以及價(jià)格的相對降低。然而，隨著供應(yīng)商和集成商不斷的把機(jī)器視覺應(yīng)用推向各個(gè)領(lǐng)域，機(jī)器視覺這一相對獨(dú)立的功能如何無縫的融入各行業(yè)各類自動化裝備遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。

　　
　　NI中國技術(shù)市場工程師 崔鵬表示，機(jī)器視覺作為工業(yè)自動化系統(tǒng)的重要組成之一，隨著供應(yīng)商和集成商不斷的把機(jī)器視覺應(yīng)用推向各個(gè)領(lǐng)域，機(jī)器視覺這一相對獨(dú)立的功能如何無縫的融入各行業(yè)各類自動化裝備遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。

　　機(jī)器視覺應(yīng)用主要可分為兩類：

　　一類是用于大規(guī)?；蛘吒邷y試要求的生產(chǎn)線上，如包裝、印刷、分揀等，或者在野外、核電等不適合人員工作的環(huán)境中，利用機(jī)器視覺方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工測量或檢試，同時(shí)實(shí)現(xiàn)人工條件下無法達(dá)到的可靠性、精確度及自動化程度。

　　另一類應(yīng)用是必須用到高性能、精密機(jī)器視覺組件的專業(yè)設(shè)備制造，典型代表是最早帶動整個(gè)機(jī)器視覺行業(yè)崛起的半導(dǎo)體制造設(shè)備。從上游晶圓加工制造的分類切割，到末端電路板印刷、貼片，這類設(shè)備都依賴于高精度的視覺測量以對運(yùn)動部件進(jìn)行導(dǎo)引與定位。例如，如果錫膏印刷工序存在定位偏差，且該問題直到芯片貼裝后的在線測試才被發(fā)現(xiàn)，那么返修的成本將會是原成本的100倍以上。

　　然而，在上述應(yīng)用中，機(jī)器視覺功能很少作為孤立的系統(tǒng)，而是以整個(gè)自動化系統(tǒng)或者設(shè)備的有機(jī)組成部分之一出現(xiàn)，也往往在配合邏輯控制，運(yùn)動控制，數(shù)據(jù)采集，通信網(wǎng)絡(luò)以及企業(yè)數(shù)據(jù)庫管理等其它功能時(shí)，才能真正發(fā)揮出其優(yōu)勢。構(gòu)建機(jī)器視覺系統(tǒng)，除了完成從光源調(diào)配到圖像處理軟件開發(fā)系列過程外，更是面臨著與上述種種復(fù)雜的自動化系統(tǒng)功能集成所帶來的挑戰(zhàn)。單一的視覺開發(fā)軟硬件方案，往往使得自動化系統(tǒng)整體的開發(fā)周期、成本和不確定性風(fēng)險(xiǎn)都要由制造方或者集成商來承擔(dān)。機(jī)器視覺與自動化系統(tǒng)集成的困難，很大程度上阻礙了其在相對保守的工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　崔鵬指出，作為機(jī)器視覺和科學(xué)成像軟硬件工具領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，美國國家儀器在過去的20年里持續(xù)地為機(jī)器視覺應(yīng)用提供高集成度的軟硬件解決方案。理想的圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境 LabVIEW及其機(jī)器視覺系統(tǒng)已成為用戶開發(fā)機(jī)器視覺應(yīng)用的理想選擇。利用其中機(jī)器視覺模塊包含的豐富分析與處理算法，用戶可以根據(jù)其具體需求定制開發(fā)或者簡單升級相應(yīng)的視覺功能，更可以這種統(tǒng)一的圖像化開發(fā)方式實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動控制、可編程自動化控制器、數(shù)據(jù)采集等設(shè)備與功能的開發(fā)，以及與三方的PLC，工業(yè)設(shè)備和數(shù)據(jù)庫軟件的無縫連接，從而完成涵蓋機(jī)器視覺功能在內(nèi)的自動化系統(tǒng)的開發(fā)與集成。

　　實(shí)際上，美國國家儀器為科學(xué)成像和機(jī)器視覺提供了完整的硬件套件，其中包括用于PC或PXI系統(tǒng)的插入式板卡、嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)和智能相機(jī)。一套驅(qū)動程序：美國國家儀器機(jī)器視覺采集軟件支持Camera Link、GigE Vision、IEEE 1394、模擬和并行數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)軟件為從所有機(jī)器視覺硬件中采集提供了API，并且與NI LabVIEW、C、Visual Basic和Microsoft .NET兼容。

　　崔鵬強(qiáng)調(diào)，美國國家儀器的機(jī)器視覺應(yīng)用方案主要包括質(zhì)量和過程控制、半導(dǎo)體自動化測試、汽車和電子產(chǎn)品、智能化監(jiān)控以及醫(yī)療成像等。工程師和科學(xué)家采用美國國家儀器視覺產(chǎn)品，將以更快的速度和更低的成本解決各類應(yīng)用難題。

　　那么，機(jī)器視覺未來演進(jìn)之路是怎樣的？

　　機(jī)器視覺應(yīng)用正由起步時(shí)單純的圖像采集、處理分析、結(jié)果判斷輸出，發(fā)展成為自動化系統(tǒng)重要組件之一。從硬件體系架構(gòu)來看，基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)由于其開放性和靈活性，在提供強(qiáng)大的處理能力的同時(shí)，也較容易實(shí)現(xiàn)與其它功能的集成，但是PC的架構(gòu)由于可靠性和體積等原因，并不能完全滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。另一種方式是嵌入式架構(gòu)，使用簡單，可靠性高，但是功能相對單一，可集成度較差。

　　為解決這些矛盾，NI在其緊湊型的機(jī)器視覺系統(tǒng)中，通過集成LabVIEW實(shí)時(shí)模塊、FPGA技術(shù)，前所未有的實(shí)現(xiàn)了在同一嵌入式硬件平臺下完成I/O與通信協(xié)議的靈活定制以及運(yùn)動，可同時(shí)采集、處理多路圖像信號，并保證系統(tǒng)的堅(jiān)固性和可靠性，達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境下的應(yīng)用要求。得益于這種系統(tǒng)構(gòu)架，制造商能夠更方便的將機(jī)器視覺功能引入到其生產(chǎn)線，降低了其設(shè)備制造的技術(shù)難度，符合機(jī)器視覺向著自動化系統(tǒng)一體化發(fā)展的趨勢。

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