- 摘自2014.6【智能工業特刊】“i創新”欄目

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　　由于全球制造中心逐步向中國轉移，機器視覺系統已成為各大半導體原廠的重點關注市場。如何為“眼盲”設備提供“視力”或“視覺”，從而提高產品質量、提高生產力并降低成本？眾多知名半導體廠商紛紛通過開發新型機器視覺系統來鞏固并促進未來工業自動化產業的良性發展。有鑒于此，本期2014年6月“智能工業”特刊“i創新”欄目主題將聚焦于“智能工業下機器視覺的未來”探討。

　　在人工成本急劇上升、產業結構升級的宏大背景下，中國不斷出臺新的政策支持工業機器人的發展。2014年伊始，中國工業機器人即迎來重大利好。工信部發布《關于推進工業機器人產業發展的指導意見》，針對中國工業機器人的發展現狀，《意見》提出了具體目標，包括到2020年，高端產品市場占有率提高到45%以上，機器人密度（每萬名員工使用機器人臺數）達到100以上，等等。這意味著政府認為在未來6年內中國工業機器人的保有量將增長4倍。

　　芯片商與工業電腦系統集成商正大舉搶攻機器視覺應用商機。工業型機器人應用前景看好，連帶讓機器人內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商亦正大舉獻計，飛思卡爾（Freescale）、萊迪思（Lattice）、美國國家儀器（National Instruments）、凌華（ADLINK ）等業界一眾知名大廠，期許能順著智能工業與自動化的潮流，推出從機器視覺、測試測量和運動控制等工業熱點設計方案，大發智能工業財。

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

　　機器視覺正迎來全新的發展機會

　　飛思卡爾微控制器事業部亞太區市場營銷和業務拓展經理 李星宇表示，工業自動化正在邁向工業智能化。業內專家認為，人口紅利的劉易斯拐點將會在2015年出現。隨著勞動人口的下降和老齡人口的上升，許多企業將面臨勞動力成本上升的問題，因此對于工業智能化有強烈的需求。這為機器視覺帶來了全新的應用。

　　李星宇進一步指出表示，目前簡單勞動的機器替代趨勢已經形成，而具有機器視覺智能設備可以幫助自動化設備實現高度靈活的配置，以及適應更加復雜的作業任務，例如物流分揀，產品品質檢測、高精度加工、裝配工作等，而通過M2M的互聯，更有助于提高自動化系統內部各個單元的協作效率，從而擴大機器替代人力勞動的范圍。據國際機器人聯合會此前預測，到2014年，中國將成為全球工業機器人的最大市場，年均銷售增長率達到25%。我們注意到，汽車制造，電子裝配，倉儲物流以及建材生產等行業對于工業機器人的需求非常旺盛。

　　機器視覺的另一個應用是鋼鐵工業，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控制等等。考慮到中國龐大的鋼鐵工業規模，機器視覺技術帶來的經濟回報可達千億元的量級。這些技術同樣可以使玻璃、石化等傳統行業受益。

　　
　　飛思卡爾微控制器事業部亞太區市場營銷和業務拓展經理 李星宇表示，工業自動化正在邁向工業智能化。

　　i.MX6——機器視覺應用的制勝利器

　　i.MX6非常突出的一個優勢是它提供了OpenCL支持，為什么OpenCL對于機器視覺如此關鍵？

　　事實上，機器視覺系統需要進行大量并行的數據運算，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。目前許多機器視覺算法基于開源的OpenCV來實現OpenCV（Open Source Computer Vision Library）是一個致力于實時處理計算機視覺運算的開源庫，至今已有超過250萬的用戶。雖然OpenCV的目標是能夠實時的處理計算機視覺問題，但是大多數計算機視覺的算法太過復雜，無法在CPU上實時執行。而計算機視覺的大多數算法具有天生的并行性，因此非常適合在GPU和APU上執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）是一個在異構平臺如CPU和GPU上高效執行程序的開源計算框架，使得GPU可以分擔CPU的計算負荷。它使應用程序能夠在GPU上執行，使GPU可以不僅執行圖形程序，而且可以執行通用計算程序（GPGPU）。利用OpenCL加速，可以GPU強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的CPU。

　　為機器視覺的安全保駕護航

　　李星宇強調，在機器視覺應用領域，客戶最具價值的資產就是其軟件算法，如何防止算法被竊取顯得至關重要。在物聯網時代，當機器視覺被應用在工廠產線、安保領域、或者是各類機器人上時，一旦其受到網絡攻擊，控制權被奪取的話，產生的后果將是災難性的。這就要求機器視覺必須是部署在可靠的硬件執行環境中。

　　i.MX6提供非常完善的安全特性來保證用戶的知識產權和設備運行可靠性。其中包括：

　　1. 可信執行環境；

　　2.高可靠性啟動（HAB）；

　　3.硬件加密引擎（CAAM）以及隨機數生成器（RNG）；

　　4. 安全存儲區（Secure RAM）。

　　FPGA+工業物聯網=高效的工業系統

　　機器視覺已開始在智能工廠的產線上發揮重要功能，成為智能制造中不可或缺的要角。機器手臂可取代人工進行焊接、涂裝及裝配等流程，達到更經濟、快速和準確完成標準的常規作業；而隨著機器手臂日益受到重視，在機器手臂馬達控制中擔當重任的MCU和低功耗靈活與高處理能力的FPGA等關鍵器件，亦可望跟著受惠。

　　
　　萊迪思半導體通訊及工業部門高級總監Jim Tavacoli表示，機器視覺將結合工業控制系統分析數據，從而實現更為高效的工業系統。

　　萊迪思半導體通訊及工業部門高級總監Jim Tavacoli表示，隨著百萬像素相機和多個圖像傳感器的廣泛應用，市場將產生以下三種需求：1） 新的圖像傳感器接口；2） 以低功耗實施圖像信號處理；3） 小尺寸封裝。FPGA架構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品，在服務于新興工業市場方面處于有利地位。

　　工業物聯網也離不開機器視覺。工業物聯網是一個有著巨大增長潛力的市場，用戶需要收集傳感器數據，有時還要將這些數據與來自機器視覺的圖像傳感器數據結合在一起，以實現更好的智能化功能。物聯網的興起帶來了龐大的傳感器需求，這意味著隨時隨地使用更多連接，同時也提出了多樣化的傳感器接口需求。

　　Tavacoli指出，機器視覺將繼續利用針對移動應用開發的技術，通過工業控制系統提供詳盡分析，連接到云系統進行分享和大數據處理，從而實現更為高效的工業系統。

　　Tavacoli進一步強調，安全、高能效、可遠程升級的工業系統將需要長達10年時間進行開發和部署。這一目標要通過幾代系統才能實現，它們可為當前工業系統提供持續演進的增強功能。

　　值得指出的是，當前工業系統供應商在連接性、外形尺寸和功耗方面都面臨著日益嚴峻的挑戰?；蛟S，萊迪思可以運用其在智能手機、平板電腦和可穿戴設備領域積累的FPGA專業經驗并將其應用到工業領域中，進一步推動機器視覺乃至智能工業的發展。

　　機器視覺系統的全面進化

　　隨著現代電子芯片設計技術的快速發展，使得原本做不到的技術指標或是需要更多的圖像采集卡，工業相機以及更強大的工業計算機才能達成的任務，也都在這些年逐一被實現出來。但是中國需求者在測試精度與預測速度上的大幅度提升，導致檢測技術難度也大幅增加，加上客戶服務需求意識日趨強烈，所以廠家在相關技術服務、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）有限公司產品營銷總監 陳家佑表示，凌華科技可以為客戶提供整合的運動控制與機器視覺解決方案。

　　凌華科技（中國）有限公司產品營銷總監 陳家佑表示，基于PC_BASE X86 & ARM的架構在納米級別的生產制程大幅提升之后，讓處理器功耗、性能與擴展有了突破性的發展，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，發展出更多的應用，正因為如此，所以就需要更精密與更高性能的機器視覺系統來做質量的篩選與檢測，但這將不是智能相機可以滿足的，這也就是PC_BASE機器視覺的發展商機關鍵所在。

　　不同于智能相機的封閉系統，PC_BASE機器視覺本著基于PC_BASE架構再做延伸，可以輕松擴展出不同的接口與應用軟件，來結合與互聯網有關的應用軟件，在工廠本地端完成生產檢測之后就通過互聯網框架把效果與分析分享其特定對象，例如： 全球半導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平臺，該平臺可以通過互聯網機制方客戶端來時時關注客戶所下訂單、生產進度與相關生產數據分析，作為銷售與后續生產訂單的參考標準。

　　陳家佑指出，針對大面積檢測和多圖標條形碼在視覺識別與檢測上是PC_BASE機器視覺值得發展的方向。例如： PCB/FPD面板玻璃檢測，半導體/金屬激光打標應用，傳統的錫箔生產卷繞檢測以及現在炙手可熱的智能電表等，都是需要復雜的視覺運算檢測，這也是PC_BASE機器視覺關注發展的方向。

　　事實上，基于以上的應用概念，基于PC_BASE機器視覺可以擴展出更多的應用，例如：工廠門禁安全，國土環境水土安全監控，智能交通集成識別應用等，都是被擴散到整個社會生活層級的。

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

　　為機器視覺所困？NI為你解決后顧之憂

　　NI中國技術市場工程師 崔鵬表示，機器視覺作為工業自動化系統的重要組成之一，其技術與應用也隨著自動化行業的發展而日益成熟。具體體現在：圖像處理能力和速度不斷增強、光電器件性能的提高、各類標準的逐漸統一以及價格的相對降低。然而，隨著供應商和集成商不斷的把機器視覺應用推向各個領域，機器視覺這一相對獨立的功能如何無縫的融入各行業各類自動化裝備遇到了前所未有的挑戰。

　　
　　NI中國技術市場工程師 崔鵬表示，機器視覺作為工業自動化系統的重要組成之一，隨著供應商和集成商不斷的把機器視覺應用推向各個領域，機器視覺這一相對獨立的功能如何無縫的融入各行業各類自動化裝備遇到了前所未有的挑戰。

　　機器視覺應用主要可分為兩類：

　　一類是用于大規?；蛘吒邷y試要求的生產線上，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境中，利用機器視覺方式代替傳統人工測量或檢試，同時實現人工條件下無法達到的可靠性、精確度及自動化程度。

　　另一類應用是必須用到高性能、精密機器視覺組件的專業設備制造，典型代表是最早帶動整個機器視覺行業崛起的半導體制造設備。從上游晶圓加工制造的分類切割，到末端電路板印刷、貼片，這類設備都依賴于高精度的視覺測量以對運動部件進行導引與定位。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現，那么返修的成本將會是原成本的100倍以上。

　　然而，在上述應用中，機器視覺功能很少作為孤立的系統，而是以整個自動化系統或者設備的有機組成部分之一出現，也往往在配合邏輯控制，運動控制，數據采集，通信網絡以及企業數據庫管理等其它功能時，才能真正發揮出其優勢。構建機器視覺系統，除了完成從光源調配到圖像處理軟件開發系列過程外，更是面臨著與上述種種復雜的自動化系統功能集成所帶來的挑戰。單一的視覺開發軟硬件方案，往往使得自動化系統整體的開發周期、成本和不確定性風險都要由制造方或者集成商來承擔。機器視覺與自動化系統集成的困難，很大程度上阻礙了其在相對保守的工業自動化領域的應用。

　　崔鵬指出，作為機器視覺和科學成像軟硬件工具領域的領導者，美國國家儀器在過去的20年里持續地為機器視覺應用提供高集成度的軟硬件解決方案。理想的圖形化系統設計環境 LabVIEW及其機器視覺系統已成為用戶開發機器視覺應用的理想選擇。利用其中機器視覺模塊包含的豐富分析與處理算法，用戶可以根據其具體需求定制開發或者簡單升級相應的視覺功能，更可以這種統一的圖像化開發方式實現對運動控制、可編程自動化控制器、數據采集等設備與功能的開發，以及與三方的PLC，工業設備和數據庫軟件的無縫連接，從而完成涵蓋機器視覺功能在內的自動化系統的開發與集成。

　　實際上，美國國家儀器為科學成像和機器視覺提供了完整的硬件套件，其中包括用于PC或PXI系統的插入式板卡、嵌入式機器視覺系統和智能相機。一套驅動程序：美國國家儀器機器視覺采集軟件支持Camera Link、GigE Vision、IEEE 1394、模擬和并行數字標準。這個軟件為從所有機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。

　　崔鵬強調，美國國家儀器的機器視覺應用方案主要包括質量和過程控制、半導體自動化測試、汽車和電子產品、智能化監控以及醫療成像等。工程師和科學家采用美國國家儀器視覺產品，將以更快的速度和更低的成本解決各類應用難題。

　　那么，機器視覺未來演進之路是怎樣的？

　　機器視覺應用正由起步時單純的圖像采集、處理分析、結果判斷輸出，發展成為自動化系統重要組件之一。從硬件體系架構來看，基于PC的機器視覺系統由于其開放性和靈活性，在提供強大的處理能力的同時，也較容易實現與其它功能的集成，但是PC的架構由于可靠性和體積等原因，并不能完全滿足工業應用的需求。另一種方式是嵌入式架構，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在其緊湊型的機器視覺系統中，通過集成LabVIEW實時模塊、FPGA技術，前所未有的實現了在同一嵌入式硬件平臺下完成I/O與通信協議的靈活定制以及運動，可同時采集、處理多路圖像信號，并保證系統的堅固性和可靠性，達到工業現場惡劣環境下的應用要求。得益于這種系統構架，制造商能夠更方便的將機器視覺功能引入到其生產線，降低了其設備制造的技術難度，符合機器視覺向著自動化系統一體化發展的趨勢。

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