機(jī)器視覺全面進(jìn)化 對(duì)話智慧新世界

　　- 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(shì)與參考設(shè)計(jì)方案。

　　由于全球制造中心逐步向中國(guó)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(chǎng)。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(dòng)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(jí)的宏大背景下，中國(guó)不斷出臺(tái)新的政策支持工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。2014年伊始，中國(guó)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(duì)中國(guó)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(chǎng)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(tái)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(guó)工業(yè)機(jī)器人的保有量將增長(zhǎng)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(tái)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(guó)國(guó)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(dòng)化的潮流，推出從機(jī)器視覺、測(cè)試測(cè)量和運(yùn)動(dòng)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(dòng)龐大市場(chǎng)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(dòng)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(duì)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(huì)

　　飛思卡爾微控制器事業(yè)部亞太區(qū)市場(chǎng)營(yíng)銷和業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理 李星宇表示，工業(yè)自動(dòng)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(huì)在2015年出現(xiàn)。隨著勞動(dòng)人口的下降和老齡人口的上升，許多企業(yè)將面臨勞動(dòng)力成本上升的問題，因此對(duì)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(jiǎn)單勞動(dòng)的機(jī)器替代趨勢(shì)已經(jīng)形成，而具有機(jī)器視覺智能設(shè)備可以幫助自動(dòng)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(cè)、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(dòng)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(dòng)的范圍。據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)此前預(yù)測(cè)，到2014年，中國(guó)將成為全球工業(yè)機(jī)器人的最大市場(chǎng)，年均銷售增長(zhǎng)率達(dá)到25%。我們注意到，汽車制造，電子裝配，倉(cāng)儲(chǔ)物流以及建材生產(chǎn)等行業(yè)對(duì)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(dòng)跟蹤，帶鋼表面缺陷的自動(dòng)檢測(cè)、連鑄、軋鋼等工序中的品質(zhì)控制等等?？紤]到中國(guó)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(jí)。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(chǎng)營(yíng)銷和業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理 李星宇表示，工業(yè)自動(dòng)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(shì)是它提供了OpenCL支持，為什么OpenCL對(duì)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(cè)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(kù)，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(tái)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(shí)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(dòng)（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(chǔ)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(jí)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(jí)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(chǎng)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(hào)處理；3） 小尺寸封裝。FPGA架構(gòu)尤其適合接口和圖像信號(hào)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(chǎng)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(zhǎng)潛力的市場(chǎng)，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(duì)移動(dòng)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(jí)的工業(yè)系統(tǒng)將需要長(zhǎng)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(dòng)機(jī)器視覺乃至智能工業(yè)的發(fā)展。