小型機(jī)器視覺系統(tǒng)概述

　　隨著智能工廠概念的興起，機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠提升產(chǎn)能與確保產(chǎn)品質(zhì)量，因而在智能工廠的配置中，扮演能夠達(dá)到系統(tǒng)成功導(dǎo)入的重要角色。其中小型機(jī)器視覺系統(tǒng)以其體積小，集成度高等優(yōu)勢(shì)備受市場(chǎng)青睞，并且正以每年30%的成長率逐年增長。

　　小型機(jī)器視覺系統(tǒng)，通常用于視覺檢測(cè)、定位、讀條形碼等功能，可以大致區(qū)分為三種類型。第一種可稱為一般熟知的工業(yè)用智能相機(jī)(或稱為智能傳感器)，這種類型的產(chǎn)品是指將圖像傳感器與處理器整合在小型機(jī)器視覺系統(tǒng)中，以小體積、高集成度(集成鏡頭、傳感器、處理器到機(jī)器視覺系統(tǒng)的接口，以及軟件)、便于開發(fā)使用為最大優(yōu)勢(shì)。然而因?yàn)槭艿接?jì)算性能與相機(jī)分辨率的限制，通常僅可用于比較簡單的視覺任務(wù)，如掃描條形碼、OCR字符識(shí)別等。另外，因?yàn)槭嵌嗪弦?all-in-one)的系統(tǒng)，無法提供系統(tǒng)擴(kuò)展性，如有多通道圖像采集的需求，則必須額外配置。第二種類型為嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)，搭配工業(yè)用相機(jī)，客戶可根據(jù)不同的應(yīng)用需求，彈性配置。優(yōu)點(diǎn)為可采用較高等級(jí)的CPU處理器，可連結(jié)多顆相機(jī)，且通過豐富的IO接口，與其他工廠設(shè)備的連接也更為便利。然而嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)基于體積與空間上的限制，并不具備完全取代智能相機(jī)的優(yōu)勢(shì)。第三種類型是基于x86架構(gòu)的智能相機(jī)，也可以說是可編程的智能相機(jī)，它同時(shí)擁有一般智能相機(jī)與嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，包含小體積、具備擴(kuò)展性等，滿足另一種類型的市場(chǎng)需求。在今天的文章中，將會(huì)有進(jìn)一步的說明。

　　智慧工廠的需求

　　性能與處理能力

　　如何提升產(chǎn)能，系統(tǒng)性能與處理能力(throughput)扮演著關(guān)鍵的角色。就一般機(jī)器視覺系統(tǒng)而言，高分辨率與高幀率(每秒顯示幀數(shù))就像魚與熊掌一樣，不可兼得。在一般實(shí)際的應(yīng)用中，通常是高分辨率但低幀率或低分辨率但高幀率的應(yīng)用組合。如果想要兩者兼得，惟一的出路就是使用高端CPU處理器來補(bǔ)足分辨率與幀率加乘出來的結(jié)果。如何以合理的成本，取得最佳的處理性能，是系統(tǒng)開發(fā)人員所關(guān)心的。

　　產(chǎn)線環(huán)境

　　工廠的環(huán)境通常是較為惡劣的，例如在飲料生產(chǎn)包裝的產(chǎn)線，系統(tǒng)可能會(huì)直接接觸到液體。而在工具機(jī)加工的環(huán)境中，則是充滿切削工件的惡劣環(huán)境。如果機(jī)器視覺系統(tǒng)必須就近配置在嚴(yán)苛的產(chǎn)線環(huán)境中，那么選擇具備防水、防塵能力的產(chǎn)品才能達(dá)到該需求。

　　多組生產(chǎn)工作站

　　在工廠環(huán)境中，一個(gè)成品的上市，從組件的制造、半成品的取放、質(zhì)量的檢驗(yàn)到出貨的包裝，必須要經(jīng)過層層不同的工作站。舉例來說，CNC機(jī)臺(tái)負(fù)責(zé)組件的車削加工，通過工業(yè)機(jī)器人的取件，通過工業(yè)相機(jī)讓工件定位后，才開始進(jìn)行工件的切割;完成后進(jìn)入到檢測(cè)的站臺(tái)，進(jìn)行缺陷檢測(cè);過關(guān)的成品在包裝區(qū)進(jìn)行出貨條形碼的掃讀。多組生產(chǎn)工作站之間，如何讓系統(tǒng)之間容易整合與溝通，是工廠是否智能化的一大關(guān)鍵。

　　軟件開發(fā)環(huán)境

　　軟件解決方案開發(fā)的難易度與整合度，是所有導(dǎo)入智能化系統(tǒng)的工程人員心中的一大擔(dān)憂，也往往是決定項(xiàng)目成敗的最重要因素。如何縮短開發(fā)時(shí)間，降低系統(tǒng)開發(fā)成本，是重要的關(guān)鍵。

　　選擇小型機(jī)器視覺系統(tǒng)的決勝點(diǎn)

　　處理器計(jì)算性能

　　傳統(tǒng)智能相機(jī)因?yàn)轶w積小，在有限的空間里，散熱能力會(huì)受到限制，因而僅能搭載單核Atom處理器或ARM架構(gòu)的處理器，雖然其功耗較低，但因性能有限，故僅能完成單一任務(wù)的圖像分析處理，如計(jì)數(shù)、掃描條形碼等。隨著Intel® AtomTM E3840處理器系列的發(fā)布，相比前一代Intel® AtomTM D2550處理器系列提升兩倍的處理性能，且同時(shí)還擁有低功耗的優(yōu)勢(shì)。這意味著小體積也能帶來高性能，多任務(wù)的圖像處理得以被實(shí)現(xiàn)。新一代的小型機(jī)器視覺系統(tǒng)可具備同時(shí)進(jìn)行尺寸測(cè)量、計(jì)數(shù)、定位、二維碼讀取等多任務(wù)處理的能力，從持有成本來看，具備一臺(tái)抵多臺(tái)的能力。

　　 圖像傳感器與圖像質(zhì)量的優(yōu)劣

　　圖像傳感器是機(jī)器視覺系統(tǒng)的靈魂，傳感器的尺寸直接代表著圖像的質(zhì)量。在過去，智能相機(jī)的應(yīng)用定義在初級(jí)的圖像檢測(cè)上，傳感器的尺寸與圖像質(zhì)量的優(yōu)劣，并不容易被凸顯。然而如果要將機(jī)器視覺應(yīng)用在高端高速的檢測(cè)應(yīng)用上，那么傳感器的尺寸，就成為選擇系統(tǒng)時(shí)，必須要考慮的要點(diǎn)。

　　卷簾快門(Rolling shutter)與全局快門(Global shutter)的比較

　　卷簾快門(Rolling shutter)與全局快門(Global shutter)的不同在于畫面曝光的時(shí)間差。卷簾快門(Rolling shutter)是通過電子信號(hào)告訴感光組件，依序曝光，直到整個(gè)畫面曝光完成。而全局快門(Global shutter)是在曝光時(shí)，“同時(shí)” 曝光整個(gè)畫面。在過去智能相機(jī)的應(yīng)用中，因?yàn)橄到y(tǒng)處理器性能有限，無法同時(shí)處理大量的圖像數(shù)據(jù)，因而多采用卷簾快門(Rolling shutter)。然而其缺點(diǎn)是當(dāng)檢測(cè)快速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，會(huì)出現(xiàn)殘影，無法應(yīng)用在高速的應(yīng)用中。隨著系統(tǒng)處理性能的提升，系統(tǒng)性能將不再是瓶頸，若有高速移動(dòng)對(duì)象的檢測(cè)的需求，采用全局快門(Global shutter)傳感器能采集到無殘影的，正確的圖像。

　　協(xié)處理器

　　在機(jī)器視覺圖像采集與分析的過程中，圖像質(zhì)量占了重要的關(guān)鍵。但由于先天光學(xué)條件(鏡頭、光源)的限制，采集的圖像會(huì)有亮度不一致的情況，而造成后端圖像分析的誤判。如果可以在圖像進(jìn)入分析之前，就對(duì)采集的圖像進(jìn)行質(zhì)量優(yōu)化，可確保圖像分析的正確。在過去的應(yīng)用中，圖像數(shù)據(jù)采集到系統(tǒng)后，必須通過系統(tǒng)處理器進(jìn)行計(jì)算與圖像質(zhì)量優(yōu)化，因?yàn)槭芟抻贑PU計(jì)算資源，能夠處理的圖像數(shù)據(jù)量也會(huì)受到限制。然而，若能通過FPGA的支持，將圖像的矩陣計(jì)算，在進(jìn)到CPU計(jì)算之前，即做好過濾以及優(yōu)化的處理，可以大幅加速圖像處理的性能，降低CPU資源，一方面可以把系統(tǒng)資源留給機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心—圖像算法，另一方面可以更實(shí)時(shí)的處理大數(shù)據(jù)量的圖像，讓高速以及復(fù)雜的圖像處理與分析，得以被實(shí)現(xiàn)，預(yù)處理功能例如查找表(look up table)、感興趣區(qū)域(ROI ，Region of Interest)，陰影校正(Shading Correction)等圖像質(zhì)量優(yōu)化功能。如果在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，也能搭載協(xié)處理器的預(yù)處理，將可大幅提供圖像分析與演算的應(yīng)用范圍。

　　GPU繪圖與多媒體圖像處理性能

　　新一代Intel® AtomTM E3840處理器相比前一代Intel® AtomTM D2550處理器系列計(jì)算性能提升六倍左右，可通過Intel® HD Graphics 4000技術(shù)，同時(shí)處理多通道的圖像壓縮傳輸。通過CPU與GPU性能的提升，圖像檢測(cè)結(jié)果可以被記錄、存盤，或者是提供原始資料進(jìn)行進(jìn)一步的對(duì)比與分析，讓工廠的信息系統(tǒng)具備更智能的功能。

　　系統(tǒng)顯示性能

　　在工廠環(huán)境中，傳統(tǒng)智能相機(jī)僅能通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，以供中控端的監(jiān)控使用。若該機(jī)器視覺系統(tǒng)可支持VGA輸出接口，則該機(jī)器視覺系統(tǒng)可以同時(shí)通過VGA以及以太網(wǎng)絡(luò)端口輸出圖像，連接至HMI或產(chǎn)線端的屏幕，實(shí)時(shí)檢查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)問題，將可有效提升產(chǎn)線性能。

　　64位架構(gòu)

　　從 32 位到 64 位架構(gòu)的改變是一個(gè)根本的改變，從處理器、操作系統(tǒng)，以及軟件都必須支持64 位架構(gòu)才得以真正有效提升性能。圖像分析軟件因?yàn)樾枰幚淼臄?shù)據(jù)量大，市場(chǎng)上主流的應(yīng)用軟件多已經(jīng)支持64位。所以機(jī)器視覺系統(tǒng)的選擇，當(dāng)然也必須選擇支持64位的系統(tǒng)，才得以發(fā)揮該應(yīng)用最大的效益。

　　系統(tǒng)存儲(chǔ)容量

　　小型機(jī)器視覺系統(tǒng)的儲(chǔ)存容量的大小，代表的意義是使用者可以存儲(chǔ)更多的圖像辨識(shí)對(duì)比樣本，也可存儲(chǔ)檢測(cè)數(shù)據(jù)，或進(jìn)行備份。對(duì)于整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性是非常有益的。另外一方面，存儲(chǔ)容量大小的考慮，必須考慮安裝操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件所需的空間。

　　總體擁有成本的考慮

　　系統(tǒng)購置的總體擁有成本，并非僅考慮機(jī)器視覺系統(tǒng)本身的成本。使用者是聰明的，如何從總體擁有成本的角度協(xié)助客戶降低費(fèi)用，才是王道。我們不妨從以下幾點(diǎn)來探討：

　　1. 空間與配件的成本：

　　機(jī)臺(tái)的大小、產(chǎn)線的空間都是使用者可以使用的空間成本。另外連接到外部設(shè)備的線材與配件，例如PWM光源控制，也應(yīng)該計(jì)算在總體擁有成本中。

　　2. 擴(kuò)展機(jī)器視覺系統(tǒng)成本：

　　一組小型機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠支持的通道數(shù)可以說直接表現(xiàn)出其每通道單位成本。傳統(tǒng)智能相機(jī)多缺乏擴(kuò)展性，如果需要多個(gè)圖像通道，要不就是重新采購嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)，或者是必須重新架設(shè)一組智能相機(jī)。倘若小型機(jī)器視覺系統(tǒng)可通過以太網(wǎng)絡(luò)端口，串接附屬的以太網(wǎng)相機(jī)，則無需加購一組智能相機(jī)，將可大幅降低單位通道成本。

　　3. 開發(fā)環(huán)境與程序的通用性：

　　在文章前述提到，一個(gè)智慧工廠是由多組生產(chǎn)工作站組成的，多組工作站之間，如何讓系統(tǒng)之間容易整合與溝通，是工廠是否智能化的關(guān)鍵。如果軟件開發(fā)的人力與know-how，是很容易部署到跨系統(tǒng)，無論是整合運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器視覺或者IO的工業(yè)電腦系統(tǒng)，或是現(xiàn)在已經(jīng)在使用的先掃描系統(tǒng)，如果僅需要學(xué)習(xí)一套開發(fā)程序語言，相對(duì)來說是有效節(jié)省人力開發(fā)的成本。

　　4. 開發(fā)總成本：

　　高集成度的智能相機(jī)搭配易于開發(fā)的軟件，是否就意味著可大幅降低總體開發(fā)成本呢?我們不妨展開開發(fā)時(shí)間與系統(tǒng)導(dǎo)入的套數(shù)來分析。市場(chǎng)上智能相機(jī)大多搭配自家開發(fā)的應(yīng)用軟件，標(biāo)榜不用寫程序，即可輕松上手。在產(chǎn)線導(dǎo)入的初期，確實(shí)可有效縮短開發(fā)時(shí)間，可快速導(dǎo)入，然而一旦必須要導(dǎo)入量產(chǎn)，用戶必須支付單位售價(jià)乘以系統(tǒng)套數(shù)。相反，嵌入式圖像平臺(tái)基于擴(kuò)展性與單位成本較低，雖然前期軟件開發(fā)的成本較高，一旦進(jìn)入量產(chǎn)或擴(kuò)線，其單位成本乘以總量，加上軟件開發(fā)成本，其總體擁有成本反而可能被降低。所以用戶應(yīng)該從整廠所需的系統(tǒng)量來評(píng)估總成本。

　　新一代x86 智能相機(jī)的優(yōu)勢(shì)

　　兼具高性能與體積小的優(yōu)勢(shì)

　　新一代x86智能相機(jī)，可搭載最新四核Intel® AtomTM E3800處理器，在CPU, GPU性能大幅提升的同時(shí)，還具有低功耗的優(yōu)勢(shì)，因而得以將機(jī)器視覺系統(tǒng)的長寬尺寸縮小至僅有iPhone尺寸的大小。同時(shí)擁有嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)的性能，以及傳統(tǒng)智能相機(jī)小體積的優(yōu)勢(shì)。

　　處理器、協(xié)處理器與圖像處理器協(xié)力合作

　　通過CPU處理器、FPGA的圖像預(yù)處理，與GPU圖像處理器協(xié)力合作，新一代的x86智能相機(jī)可有效釋放CPU資源，讓多任務(wù)的圖像處理得以被實(shí)現(xiàn)，結(jié)合四核處理器的優(yōu)勢(shì)，可具備同時(shí)進(jìn)行尺寸測(cè)量、計(jì)數(shù)、定位、二維碼讀取等多任務(wù)處理的能力，等同于一臺(tái)抵多臺(tái)的能力。

　　實(shí)驗(yàn)：

　　那一張VGA圖面，30萬pixel，一般Atom雙核，跑一個(gè)量尺寸。

　　從精度跟時(shí)間。

　　同一張圖，用新的x86 智能相機(jī)。

　　誰說魚與熊掌不可兼得?

　　過去高速、高分辨率與復(fù)雜的圖像處理是無法兼具的。但現(xiàn)在通過，搭載400萬像素，60fps的全局快門(global shutter)圖像傳感器，高性能的四核處理器、支持64-bit的架構(gòu)以及FPGA的圖像預(yù)處理能力，從圖像的采集性能到圖像分析處理能力一并到位，得以實(shí)現(xiàn)不可能的任務(wù)。

　　兼具可擴(kuò)展性與穩(wěn)定性

　　新一代x86智能相機(jī)可提供類似于嵌入式計(jì)算機(jī)的I/O接口，如千兆以太網(wǎng)口, VGA, RS-232, USB，Isolated DIO等，易于與產(chǎn)線中其他設(shè)備連接溝通。另外，千兆以太網(wǎng)口可用于支持另一組千兆以太網(wǎng)相機(jī)，滿足智能相機(jī)過去無法達(dá)成的擴(kuò)展性。同時(shí)具備IP-67等級(jí)的防水防塵規(guī)范，可承受嚴(yán)苛的應(yīng)用環(huán)境，可安裝于潮濕、粉塵的環(huán)境中。新一代x86智能相機(jī)再一次達(dá)到跨界演出。

　　開放架構(gòu)降低開發(fā)總成本

　　新一代x86智能相機(jī)兼容GeniCam與GenTL，可通過API接口支持第三方軟件。也就是說，無論使用者原有產(chǎn)線的工業(yè)電腦系統(tǒng)，或是線掃描系統(tǒng)，甚至原本就已經(jīng)在使用的智能相機(jī)，開發(fā)人員僅需要學(xué)習(xí)一套開發(fā)程序語言，即可直接移植到新一代x86智能相機(jī)。一旦有產(chǎn)線擴(kuò)充需求，又可以利用易于復(fù)制的優(yōu)勢(shì)，將原有智能相機(jī)必須付出的成本大幅降低。

　　凌華科技新一代x86智能相機(jī)解決方案

　　優(yōu)越的計(jì)算性能，實(shí)現(xiàn)高速、高精度的圖像處理

　　凌華科技工業(yè)級(jí)智能型相機(jī)NEON-1040不僅搭配高端全局快門(global shutter)傳感器，且采用了新一代四核Intel® Atom™ E3845 1.91GHz處理器，同時(shí)僅需要10瓦的功耗，得以在小巧的機(jī)身中(僅68.5mm x 110mm x 52.7mm尺寸)，達(dá)到與嵌入式圖像平臺(tái)相同等級(jí)的計(jì)算性能。內(nèi)建FPGA的圖像預(yù)處理功能，將圖像的矩陣運(yùn)算，在進(jìn)到CPU運(yùn)算之前，即做好過濾以及優(yōu)化的處理，可大幅加速圖像處理的性能，降低CPU資源，預(yù)處理功能包含查找表(look up table)、感興趣區(qū)域(ROI ，Region of Interest)，陰影校正(Shading Correction)。

　　支持彈性軟件開放與開放性架構(gòu)，加速開發(fā)時(shí)間

　　凌華科技的NEON-1040提供彈性的軟件支持，通過GenTL、GeniCAM的通用協(xié)議，支持各品牌的工業(yè)相機(jī)，以及市面上各種第三方圖像應(yīng)用軟件，用戶也可利用Open CV, Open CL程序開發(fā)，可降低整體開發(fā)建置的總成本。

　　抗惡劣環(huán)境、豐富的IO接口

　　凌華科技NEON-1040機(jī)身小巧，易于安裝，同時(shí)通過加固的產(chǎn)品測(cè)試，具備IP 67防水防塵等級(jí)的規(guī)范與M12的接口，可用于嚴(yán)苛的工廠環(huán)境，如工具機(jī)車削加工時(shí)產(chǎn)生的粉塵或飲料包裝工業(yè)的水漬。此外，NEON-1040提供搭載千兆以太網(wǎng)接口，可通過以太網(wǎng)口，串接額外的千兆以太網(wǎng)相機(jī)，無需加購一組智能相機(jī)，將可大幅降低單位通道成本。NEON-1040新一代x86工業(yè)用智能型相機(jī)還提供豐富的I/O接口，如千兆以太網(wǎng)口, VGA, RS-232, USB，Isolated DIO等，易于與產(chǎn)線中其他設(shè)備溝通。

　　凌華科技NEON-1040支持Microsoft® Embedded Standard 7 64-bit位，以及內(nèi)建2 GB內(nèi)存與最高可達(dá)32 GB存儲(chǔ)容量，可真正發(fā)揮高端機(jī)器視覺系統(tǒng)的性能。凌華科技還提供開發(fā)者快速驗(yàn)證的NEON-1040快速開發(fā)工具包組，整組套件包含工業(yè)用智能型相機(jī)NEON-1040、LED光源、配件線材、端子板等，將于2014年七月份上市。NEON-1020, 200萬像素120fps的智能相機(jī)也同步上市。

　　結(jié)論

　　新一代x86智能相機(jī)打破傳統(tǒng)智能相機(jī)與嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)的框架，從性能、擴(kuò)展性、穩(wěn)定性、開發(fā)成本與總體擁有成本上，均具備跨界的優(yōu)勢(shì)，為現(xiàn)今高速高端的機(jī)器視覺與圖像分析系統(tǒng)應(yīng)用提供新選擇。也為具備彈性開發(fā)能力的用戶與集成商，提供一個(gè)更具成本優(yōu)勢(shì)，以及加速進(jìn)入市場(chǎng)的新方案。