從基礎(chǔ)到應(yīng)用：探索機(jī)器視覺技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用

機(jī)器視覺是近年來工業(yè)自動(dòng)化的重要科技之一，也是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0智能制造的關(guān)鍵。根據(jù)自動(dòng)化協(xié)會(huì)A3（Association for Advancing Automation）的定義：機(jī)器視覺是利用軟件及硬件的結(jié)合，對(duì)于圖像或影片進(jìn)行分析處理，使其能在工業(yè)設(shè)備的執(zhí)行過程中，提供引導(dǎo)與協(xié)助。相較于人工，機(jī)器視覺能以非接觸式、快速、高準(zhǔn)確性的方式執(zhí)行指導(dǎo)、識(shí)別、測(cè)量和檢查動(dòng)作，能有效實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化轉(zhuǎn)型，因此常被稱為“工業(yè)4.0之眼“。

機(jī)器視覺從90年代在半導(dǎo)體、電子和汽車行業(yè)嶄露頭角，現(xiàn)已快速延伸到其他領(lǐng)域，例如監(jiān)控、醫(yī)療、機(jī)器人、自動(dòng)駕駛汽車和無人機(jī)等范疇。也因此機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模正逐漸擴(kuò)大，根據(jù)Research and Markets的預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)259.2億美元。年均復(fù)合成長(zhǎng)率為7.7%。

機(jī)器視覺組件與配置

基本的機(jī)器視覺系統(tǒng)組件包含：

照明：照明系統(tǒng)是用來照亮要被攝影或成像的物體或場(chǎng)景的，通常使用閃光燈或LED燈，來幫助捕捉清晰、明亮且細(xì)節(jié)豐富的影像。

相機(jī)和鏡頭：CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)和機(jī)器視覺專用鏡頭等。這些組件用于捕捉影像，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)供后續(xù)分析和處理使用。

圖像采集卡：圖像采集卡用來將相機(jī)的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并提供與電腦的高速接口。同時(shí)可通過圖像采集卡來提高影像的質(zhì)量與傳輸速度。

電腦：在進(jìn)行圖像處理時(shí)，電腦通常借由CPU、GPU等處理器來做運(yùn)算，而當(dāng)需要進(jìn)行深度學(xué)習(xí)的訓(xùn)練和推理時(shí)，則會(huì)需要更高效能的處理器。

圖像處理軟件：使用圖像處理軟件來進(jìn)行圖像處理，以擷取影像中的特征、進(jìn)行分析和識(shí)別。

屏幕：將影像進(jìn)行分析后得出的結(jié)果顯示在屏幕上，也可通過使用HMI觸發(fā)下一動(dòng)作或機(jī)制。

控制系統(tǒng)：借由COM或DIO的訊號(hào)觸發(fā)控制機(jī)械，如PLC及馬達(dá)的運(yùn)作。

機(jī)器視覺的應(yīng)用

機(jī)器視覺的應(yīng)用范疇非常廣泛，列舉其中四種重要的應(yīng)用如下：

工業(yè)自動(dòng)化

品質(zhì)檢測(cè)：制造業(yè)是早期使用機(jī)器視覺來優(yōu)化制造流程的產(chǎn)業(yè)，主要使用在自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)AOI（Automated Optical Inspection）。借由相機(jī)對(duì)物體表面拍照或掃描，檢測(cè)物體的色差、瑕疵等問題。

視覺導(dǎo)航：使用在自主移動(dòng)機(jī)器人AMR（Autonomous Mobile Robot）或無人搬運(yùn)車AGV（Automated Guided Vehicle）上。機(jī)器視覺可通過相機(jī)、雷達(dá)、激光雷達(dá)等，對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行3D感知和識(shí)別，使機(jī)器人能夠自主導(dǎo)航并到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)。

安防監(jiān)控

人臉識(shí)別：在機(jī)器視覺輔助下，從圖像或影片中偵測(cè)和識(shí)別人臉。然后比對(duì)是否為已知的人臉。這對(duì)機(jī)場(chǎng)和邊境管制中的身份辨識(shí)，可大幅提升偵測(cè)速度和安保管理。

車牌識(shí)別：在自動(dòng)化車牌識(shí)別ANPR（Automatic Number Plate Recognition）中，車牌由鏡頭捕捉，然后透過光學(xué)字符識(shí)別（OCR）來識(shí)別車牌號(hào)。在智能交通基礎(chǔ)設(shè)施中，ANPR帶來更加效率、便利的交通管理。

異常檢測(cè)：利用機(jī)器視覺影像辨識(shí)技術(shù)，自動(dòng)偵測(cè)監(jiān)控影像中的異常情況，如入侵、竊盜、洪水或火災(zāi)等自然災(zāi)害檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到異常事件時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)發(fā)出警報(bào)通知，協(xié)助安保人員迅速做出反應(yīng)。

醫(yī)療影像與手術(shù)輔助

機(jī)器視覺技術(shù)在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域，如CT、MRI和X光中可實(shí)現(xiàn)病灶的自動(dòng)檢測(cè)。利用深度學(xué)習(xí)等技術(shù)進(jìn)行圖像識(shí)別和特征擷取分析，可以幫助醫(yī)生更快速、高精度地進(jìn)行診斷和治療。此外，機(jī)器視覺在手術(shù)輔助方面也發(fā)揮著重要作用，利用手術(shù)機(jī)器人和智能儀器等設(shè)備，以微創(chuàng)手術(shù)形式協(xié)助醫(yī)生完成精確的定位、切割、止血和縫合等操作，克服傳統(tǒng)手術(shù)的精確度不足、手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)及醫(yī)生疲勞等問題。

自動(dòng)駕駛

機(jī)器視覺在自動(dòng)駕駛技術(shù)中，為自駕車提供多種功能，如車道線識(shí)別、障礙物檢測(cè)、交通標(biāo)志識(shí)別以及行人和車輛檢測(cè)。借由使用高分辨率相機(jī)、雷達(dá)和激光雷達(dá)等傳感器，機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)捕捉周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行特征提取和圖像識(shí)別等處理，使自駕車對(duì)環(huán)境有清晰的認(rèn)知。如車道線識(shí)別方面通過捕捉車道線的特征并進(jìn)行直線或曲線擬合處理，確保自駕車能夠識(shí)別并沿著正確的車道行駛。對(duì)于障礙物檢測(cè)，機(jī)器視覺將圖像和傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確定障礙物的形狀、大小和距離，幫助自駕車避免碰撞。

工業(yè)電腦在機(jī)器視覺中的角色

工業(yè)電腦擁有強(qiáng)大的運(yùn)算能力、高度的連接性和穩(wěn)定性，這些特性讓工業(yè)電腦在機(jī)器視覺應(yīng)用中成為不可或缺的關(guān)鍵角色。在圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析中，如圖像處理、特征提取和識(shí)別分類等操作，高性能的工業(yè)電腦能滿足這些計(jì)算密集型任務(wù)需求。此外，工業(yè)電腦可靈活的增加內(nèi)存與硬盤空間，來應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

在通訊與連接性方面，工業(yè)電腦需與多個(gè)設(shè)備（如相機(jī)、傳感器等）進(jìn)行通信與數(shù)據(jù)交換。多元化的I/O接口使工業(yè)電腦能與其他設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間協(xié)同工作。而無線通信功能讓工業(yè)電腦將分析結(jié)果提供給控制中心作為決策依據(jù)。工業(yè)電腦具有卓越的穩(wěn)定性，其強(qiáng)固的優(yōu)勢(shì)使其能在惡劣工業(yè)環(huán)境中正常運(yùn)行。這些特點(diǎn)使工業(yè)電腦成為機(jī)器視覺應(yīng)用中理想的運(yùn)算平臺(tái)。

德承嵌入式電腦機(jī)器視覺解決方案

德承提供多種不同效能、擴(kuò)展的嵌入式電腦解決方案，包括GPU Computing – GOLD和Embedded Computing – DIAMOND產(chǎn)品線，可作為機(jī)器視覺解決方案的基礎(chǔ)。這些電腦適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，包括高沖擊和振動(dòng)、極端溫度和特殊的電力保護(hù)。電腦還具有CMI/MEC/CFM模塊化擴(kuò)展設(shè)計(jì)，可客制擴(kuò)展不同的I/O和功能。并且通過許多國(guó)際相關(guān)認(rèn)證及行業(yè)認(rèn)證，提供客戶穩(wěn)定可靠的運(yùn)作。

GOLD系列

GM-1000：GM-1000是一款緊湊高性能GPU電腦。支持Intel Xeon?工作站級(jí)CPU和搭載嵌入式MXM 3.1插槽，可安裝嵌入式MXM GPU模塊，包括type A及type B尺寸。提供多達(dá)360 W的系統(tǒng)功耗。緊湊的體積特別適合安裝在機(jī)器手臂以及空間有限的環(huán)境中。

GP-3000：GP-3000是一款高性能、可擴(kuò)展的GPU電腦。搭配Intel Xeon?工作站級(jí)CPU和多達(dá)兩個(gè)250 W全長(zhǎng)GPU卡，提供高達(dá)720W超大總系統(tǒng)功耗，充分滿足高規(guī)格的機(jī)器視覺需求。GP-3000支持GEB擴(kuò)展盒設(shè)計(jì)，通過GEB連接到主機(jī)以增加GPU處理能力和額外的PCIe功能擴(kuò)展。額外擴(kuò)展的高階GPU可加速復(fù)雜的工業(yè)AI和機(jī)器視覺任務(wù)。

DIAMOND系列
DIAMOND旗下的嵌入式電腦也提供不同體積大小、功耗、擴(kuò)展方式，讓客戶能根據(jù)需求選擇合適的機(jī)器視覺解決方案。如果需要較大的擴(kuò)展性，搭載Intel Xeon?工作站級(jí)CPU、可擴(kuò)展的DS-1300系列提供至多二組PCI/PCIe擴(kuò)展槽，可外接影像擷取卡、運(yùn)動(dòng)卡或GPU卡等。此外，并搭配有專利設(shè)計(jì)的?可調(diào)式固定架?（Patent No. I773359）可依據(jù)不同尺寸的擴(kuò)展卡進(jìn)行調(diào)整和鎖固。針對(duì)空間有限的機(jī)器人或無人搬運(yùn)車等移動(dòng)式設(shè)備，搭配Intel? Core? CPU系列的DI-1100和DV-1000是高性能又輕便的解決方案。

實(shí)際案例

工業(yè)X光檢測(cè)系統(tǒng)：X光檢測(cè)具非破壞性、高精度和高效率等特點(diǎn)，適用于汽車、航天、電子等工業(yè)領(lǐng)域的質(zhì)量檢測(cè)。歐洲X光檢測(cè)設(shè)備制造商選擇DS-1302高擴(kuò)展強(qiáng)固型工業(yè)電腦，作為其X光自動(dòng)化質(zhì)量管理檢測(cè)系統(tǒng)的核心平臺(tái)。

熱成像系統(tǒng)檢測(cè)：智能化熱成像系統(tǒng)使用GM-1000結(jié)合了AI和深度學(xué)習(xí)演算，用于在機(jī)場(chǎng)、醫(yī)院、工廠進(jìn)行快速個(gè)人體溫監(jiān)測(cè)、口罩偵測(cè)、人臉辨識(shí)、以及比對(duì)行程軌跡，以預(yù)防COVID-19的傳播。

自動(dòng)化軌道檢測(cè)車：鐵路系統(tǒng)工程公司將GP-3000安裝于自動(dòng)化軌道檢測(cè)車上，并通過機(jī)器視覺技術(shù)的成像系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)的軌道缺陷判斷。并使用GP-3000的GEB擴(kuò)展盒額外安裝GPU卡和其他RAID卡、控制卡。GP-3000成為此案中圖像處理和檢測(cè)的強(qiáng)大處理中樞。

工廠自主移動(dòng)機(jī)器人：自主移動(dòng)機(jī)器人AMR使用DS-1202為其運(yùn)算控制核心，搭配GPU卡通過機(jī)器視覺與機(jī)器手臂實(shí)現(xiàn)在工廠物流流程(intralogistics)中自動(dòng)撿料下料，智能動(dòng)態(tài)偵測(cè)環(huán)境，穿梭于廠內(nèi)各種障礙物，將物品搬運(yùn)到目標(biāo)位置。

審核編輯 黃宇