小型機器視覺(jué)系統概述

    隨著(zhù)智能工廠(chǎng)概念的興起，機器視覺(jué)系統能夠提升產(chǎn)能與確保產(chǎn)品質(zhì)量，因而在智能工廠(chǎng)的配置中，扮演能夠達到系統成功導入的重要角色。其中小型機器視覺(jué)系統以其體積小，集成度高等優(yōu)勢備受市場(chǎng)青睞，并且正以每年30%的成長(cháng)率逐年增長(cháng)。

    小型機器視覺(jué)系統，通常用于視覺(jué)檢測、定位、讀條形碼等功能，可以大致區分為三種類(lèi)型。第一種可稱(chēng)為一般熟知的工業(yè)用智能相機（或稱(chēng)為智能傳感器），這種類(lèi)型的產(chǎn)品是指將圖像傳感器與處理器整合在小型機器視覺(jué)系統中，以小體積、高集成度（集成鏡頭、傳感器、處理器到機器視覺(jué)系統的接口，以及軟件）、便于開(kāi)發(fā)使用為最大優(yōu)勢。然而因為受到計算性能與相機分辨率的限制，通常僅可用于比較簡(jiǎn)單的視覺(jué)任務(wù)，如掃描條形碼、OCR字符識別等。另外，因為是多合一（all-in-one）的系統，無(wú)法提供系統擴展性，如有多通道圖像采集的需求，則必須額外配置。第二種類(lèi)型為嵌入式機器視覺(jué)系統，搭配工業(yè)用相機，客戶(hù)可根據不同的應用需求，彈性配置。優(yōu)點(diǎn)為可采用較高等級的CPU處理器，可連結多顆相機，且通過(guò)豐富的IO接口，與其他工廠(chǎng)設備的連接也更為便利。然而嵌入式機器視覺(jué)系統基于體積與空間上的限制，并不具備完全取代智能相機的優(yōu)勢。第三種類(lèi)型是基于x86架構的智能相機，也可以說(shuō)是可編程的智能相機，它同時(shí)擁有一般智能相機與嵌入式機器視覺(jué)系統的優(yōu)點(diǎn)，包含小體積、具備擴展性等，滿(mǎn)足另一種類(lèi)型的市場(chǎng)需求。在今天的文章中，將會(huì )有進(jìn)一步的說(shuō)明。

    智慧工廠(chǎng)的需求

    性能與處理能力

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

    產(chǎn)線(xiàn)環(huán)境

    工廠(chǎng)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(xiàn)，系統可能會(huì )直接接觸到液體。而在工具機加工的環(huán)境中，則是充滿(mǎn)切削工件的惡劣環(huán)境。如果機器視覺(jué)系統必須就近配置在嚴苛的產(chǎn)線(xiàn)環(huán)境中，那么選擇具備防水、防塵能力的產(chǎn)品才能達到該需求。

    多組生產(chǎn)工作站

    在工廠(chǎng)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)量的檢驗到出貨的包裝，必須要經(jīng)過(guò)層層不同的工作站。舉例來(lái)說(shuō)，CNC機臺負責組件的車(chē)削加工，通過(guò)工業(yè)機器人的取件，通過(guò)工業(yè)相機讓工件定位后，才開(kāi)始進(jìn)行工件的切割；完成后進(jìn)入到檢測的站臺，進(jìn)行缺陷檢測；過(guò)關(guān)的成品在包裝區進(jìn)行出貨條形碼的掃讀。多組生產(chǎn)工作站之間，如何讓系統之間容易整合與溝通，是工廠(chǎng)是否智能化的一大關(guān)鍵。

    軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

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

    選擇小型機器視覺(jué)系統的決勝點(diǎn)

    處理器計算性能

    傳統智能相機因為體積小，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，如計數、掃描條形碼等。隨著(zhù)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。這意味著(zhù)小體積也能帶來(lái)高性能，多任務(wù)的圖像處理得以被實(shí)現。新一代的小型機器視覺(jué)系統可具備同時(shí)進(jìn)行尺寸測量、計數、定位、二維碼讀取等多任務(wù)處理的能力，從持有成本來(lái)看，具備一臺抵多臺的能力。

    圖像傳感器與圖像質(zhì)量的優(yōu)劣

    圖像傳感器是機器視覺(jué)系統的靈魂，傳感器的尺寸直接代表著(zhù)圖像的質(zhì)量。在過(guò)去，智能相機的應用定義在初級的圖像檢測上，傳感器的尺寸與圖像質(zhì)量的優(yōu)劣，并不容易被凸顯。然而如果要將機器視覺(jué)應用在高端高速的檢測應用上，那么傳感器的尺寸，就成為選擇系統時(shí)，必須要考慮的要點(diǎn)。

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

    卷簾快門(mén)（Rolling shutter）與全局快門(mén)（Global shutter）的不同在于畫(huà)面曝光的時(shí)間差。卷簾快門(mén)（Rolling shutter）是通過(guò)電子信號告訴感光組件，依序曝光，直到整個(gè)畫(huà)面曝光完成。而全局快門(mén)（Global shutter）是在曝光時(shí)，“同時(shí)” 曝光整個(gè)畫(huà)面。在過(guò)去智能相機的應用中，因為系統處理器性能有限，無(wú)法同時(shí)處理大量的圖像數據，因而多采用卷簾快門(mén)（Rolling shutter）。然而其缺點(diǎn)是當檢測快速運動(dòng)的物體時(shí)，會(huì )出現殘影，無(wú)法應用在高速的應用中。隨著(zhù)系統處理性能的提升，系統性能將不再是瓶頸，若有高速移動(dòng)對象的檢測的需求，采用全局快門(mén)（Global shutter）傳感器能采集到無(wú)殘影的，正確的圖像。

    協(xié)處理器

    在機器視覺(jué)圖像采集與分析的過(guò)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，就對采集的圖像進(jìn)行質(zhì)量?jì)?yōu)化，可確保圖像分析的正確。在過(guò)去的應用中，圖像數據采集到系統后，必須通過(guò)系統處理器進(jìn)行計算與圖像質(zhì)量?jì)?yōu)化，因為受限于CPU計算資源，能夠處理的圖像數據量也會(huì )受到限制。然而，若能通過(guò)FPGA的支持，將圖像的矩陣計算，在進(jìn)到CPU計算之前，即做好過(guò)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，一方面可以把系統資源留給機器視覺(jué)系統的核心—圖像算法，另一方面可以更實(shí)時(shí)的處理大數據量的圖像，讓高速以及復雜的圖像處理與分析，得以被實(shí)現，預處理功能例如查找表（look up table）、感興趣區域（ROI ，Region of Interest)，陰影校正(Shading Correction)等圖像質(zhì)量?jì)?yōu)化功能。如果在機器視覺(jué)系統中，也能搭載協(xié)處理器的預處理，將可大幅提供圖像分析與演算的應用范圍。

    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處理器系列計算性能提升六倍左右，可通過(guò)Intel® HD Graphics 4000技術(shù)，同時(shí)處理多通道的圖像壓縮傳輸。通過(guò)CPU與GPU性能的提升，圖像檢測結果可以被記錄、存盤(pán)，或者是提供原始資料進(jìn)行進(jìn)一步的對比與分析，讓工廠(chǎng)的信息系統具備更智能的功能。

    系統顯示性能

    在工廠(chǎng)環(huán)境中，傳統智能相機僅能通過(guò)以太網(wǎng)傳輸數據，以供中控端的監控使用。若該機器視覺(jué)系統可支持VGA輸出接口，則該機器視覺(jué)系統可以同時(shí)通過(guò)VGA以及以太網(wǎng)絡(luò )端口輸出圖像，連接至HMI或產(chǎn)線(xiàn)端的屏幕，實(shí)時(shí)檢查結果，發(fā)現問(wèn)題，將可有效提升產(chǎn)線(xiàn)性能。

     64位架構

    從 32 位到 64 位架構的改變是一個(gè)根本的改變，從處理器、操作系統，以及軟件都必須支持64 位架構才得以真正有效提升性能。圖像分析軟件因為需要處理的數據量大，市場(chǎng)上主流的應用軟件多已經(jīng)支持64位。所以機器視覺(jué)系統的選擇，當然也必須選擇支持64位的系統，才得以發(fā)揮該應用最大的效益。

    系統存儲容量

    小型機器視覺(jué)系統的儲存容量的大小，代表的意義是使用者可以存儲更多的圖像辨識對比樣本，也可存儲檢測數據，或進(jìn)行備份。對于整體系統的穩定性是非常有益的。另外一方面，存儲容量大小的考慮，必須考慮安裝操作系統以及應用軟件所需的空間。

    總體擁有成本的考慮

    系統購置的總體擁有成本，并非僅考慮機器視覺(jué)系統本身的成本。使用者是聰明的，如何從總體擁有成本的角度協(xié)助客戶(hù)降低費用，才是王道。我們不妨從以下幾點(diǎn)來(lái)探討：

    1. 空間與配件的成本：

    機臺的大小、產(chǎn)線(xiàn)的空間都是使用者可以使用的空間成本。另外連接到外部設備的線(xiàn)材與配件，例如PWM光源控制，也應該計算在總體擁有成本中。

    2. 擴展機器視覺(jué)系統成本：

    一組小型機器視覺(jué)系統能夠支持的通道數可以說(shuō)直接表現出其每通道單位成本。傳統智能相機多缺乏擴展性，如果需要多個(gè)圖像通道，要不就是重新采購嵌入式機器視覺(jué)系統，或者是必須重新架設一組智能相機。倘若小型機器視覺(jué)系統可通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò )端口，串接附屬的以太網(wǎng)相機，則無(wú)需加購一組智能相機，將可大幅降低單位通道成本。

    3. 開(kāi)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(chǎng)是由多組生產(chǎn)工作站組成的，多組工作站之間，如何讓系統之間容易整合與溝通，是工廠(chǎng)是否智能化的關(guān)鍵。如果軟件開(kāi)發(fā)的人力與know-how，是很容易部署到跨系統，無(wú)論是整合運動(dòng)控制、機器視覺(jué)或者IO的工業(yè)電腦系統，或是現在已經(jīng)在使用的先掃描系統，如果僅需要學(xué)習一套開(kāi)發(fā)程序語(yǔ)言，相對來(lái)說(shuō)是有效節省人力開(kāi)發(fā)的成本。

    4. 開(kāi)發(fā)總成本：

    高集成度的智能相機搭配易于開(kāi)發(fā)的軟件，是否就意味著(zhù)可大幅降低總體開(kāi)發(fā)成本呢？我們不妨展開(kāi)開(kāi)發(fā)時(shí)間與系統導入的套數來(lái)分析。市場(chǎng)上智能相機大多搭配自家開(kāi)發(fā)的應用軟件，標榜不用寫(xiě)程序，即可輕松上手。在產(chǎn)線(xiàn)導入的初期，確實(shí)可有效縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，可快速導入，然而一旦必須要導入量產(chǎn)，用戶(hù)必須支付單位售價(jià)乘以系統套數。相反，嵌入式圖像平臺基于擴展性與單位成本較低，雖然前期軟件開(kāi)發(fā)的成本較高，一旦進(jìn)入量產(chǎn)或擴線(xiàn)，其單位成本乘以總量，加上軟件開(kāi)發(fā)成本，其總體擁有成本反而可能被降低。所以用戶(hù)應該從整廠(chǎng)所需的系統量來(lái)評估總成本。

    新一代x86 智能相機的優(yōu)勢

    兼具高性能與體積小的優(yōu)勢

    新一代x86智能相機，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，因而得以將機器視覺(jué)系統的長(cháng)寬尺寸縮小至僅有iPhone尺寸的大小。同時(shí)擁有嵌入式機器視覺(jué)系統的性能，以及傳統智能相機小體積的優(yōu)勢。

    處理器、協(xié)處理器與圖像處理器協(xié)力合作

    通過(guò)CPU處理器、FPGA的圖像預處理，與GPU圖像處理器協(xié)力合作，新一代的x86智能相機可有效釋放CPU資源，讓多任務(wù)的圖像處理得以被實(shí)現，結合四核處理器的優(yōu)勢，可具備同時(shí)進(jìn)行尺寸測量、計數、定位、二維碼讀取等多任務(wù)處理的能力，等同于一臺抵多臺的能力。

    實(shí)驗：

    那一張VGA圖面，30萬(wàn)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。

    誰(shuí)說(shuō)魚(yú)與熊掌不可兼得？

    過(guò)去高速、高分辨率與復雜的圖像處理是無(wú)法兼具的。但現在通過(guò)，搭載400萬(wàn)像素，60fps的全局快門(mén)（global shutter）圖像傳感器，高性能的四核處理器、支持64-bit的架構以及FPGA的圖像預處理能力，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)現不可能的任務(wù)。

    兼具可擴展性與穩定性

    新一代x86智能相機可提供類(lèi)似于嵌入式計算機的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(xiàn)中其他設備連接溝通。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，滿(mǎn)足智能相機過(guò)去無(wú)法達成的擴展性。同時(shí)具備IP-67等級的防水防塵規范，可承受?chē)揽恋膽铆h(huán)境，可安裝于潮濕、粉塵的環(huán)境中。新一代x86智能相機再一次達到跨界演出。

    開(kāi)放架構降低開(kāi)發(fā)總成本

    新一代x86智能相機兼容GeniCam與GenTL，可通過(guò)API接口支持第三方軟件。也就是說(shuō)，無(wú)論使用者原有產(chǎn)線(xiàn)的工業(yè)電腦系統，或是線(xiàn)掃描系統，甚至原本就已經(jīng)在使用的智能相機，開(kāi)發(fā)人員僅需要學(xué)習一套開(kāi)發(fā)程序語(yǔ)言，即可直接移植到新一代x86智能相機。一旦有產(chǎn)線(xiàn)擴充需求，又可以利用易于復制的優(yōu)勢，將原有智能相機必須付出的成本大幅降低。

    凌華科技新一代x86智能相機解決方案

    優(yōu)越的計算性能，實(shí)現高速、高精度的圖像處理

    凌華科技工業(yè)級智能型相機NEON-1040不僅搭配高端全局快門(mén)（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，得以在小巧的機身中（僅68.5mm x 110mm x 52.7mm尺寸），達到與嵌入式圖像平臺相同等級的計算性能。內建FPGA的圖像預處理功能，將圖像的矩陣運算，在進(jìn)到CPU運算之前，即做好過(guò)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，預處理功能包含查找表（look up table）、感興趣區域（ROI ，Region of Interest)，陰影校正(Shading Correction)。

    支持彈性軟件開(kāi)放與開(kāi)放性架構，加速開(kāi)發(fā)時(shí)間

    凌華科技的NEON-1040提供彈性的軟件支持，通過(guò)GenTL、GeniCAM的通用協(xié)議，支持各品牌的工業(yè)相機，以及市面上各種第三方圖像應用軟件，用戶(hù)也可利用Open CV, Open CL程序開(kāi)發(fā)，可降低整體開(kāi)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機身小巧，易于安裝，同時(shí)通過(guò)加固的產(chǎn)品測試，具備IP 67防水防塵等級的規范與M12的接口，可用于嚴苛的工廠(chǎng)環(huán)境，如工具機車(chē)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(guò)以太網(wǎng)口，串接額外的千兆以太網(wǎng)相機，無(wú)需加購一組智能相機，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(xiàn)中其他設備溝通。

    凌華科技NEON-1040支持Microsoft® Embedded Standard 7 64-bit位，以及內建2 GB內存與最高可達32 GB存儲容量，可真正發(fā)揮高端機器視覺(jué)系統的性能。凌華科技還提供開(kāi)發(fā)者快速驗證的NEON-1040快速開(kāi)發(fā)工具包組，整組套件包含工業(yè)用智能型相機NEON-1040、LED光源、配件線(xiàn)材、端子板等，將于2014年七月份上市。NEON-1020, 200萬(wàn)像素120fps的智能相機也同步上市。

    結論

    新一代x86智能相機打破傳統智能相機與嵌入式機器視覺(jué)系統的框架，從性能、擴展性、穩定性、開(kāi)發(fā)成本與總體擁有成本上，均具備跨界的優(yōu)勢，為現今高速高端的機器視覺(jué)與圖像分析系統應用提供新選擇。也為具備彈性開(kāi)發(fā)能力的用戶(hù)與集成商，提供一個(gè)更具成本優(yōu)勢，以及加速進(jìn)入市場(chǎng)的新方案。

    【關(guān)于凌華】

    凌華科技憑借創(chuàng )新的嵌入式計算解決方案，為測量測試、工業(yè)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò )通信、軍工、交通、醫療和信息娛樂(lè )產(chǎn)業(yè)提供智能應用平臺(Application Ready Intelligent Platform）。凌華科技為Intel® Internet of Things Solutions聯(lián)盟高級會(huì )員（Premier Member）、PICMG®協(xié)會(huì )和PC/104協(xié)會(huì )可參與制定規格的會(huì )員，PXI Systems Alliance協(xié)會(huì )(PXISA)董事會(huì )及最高等級會(huì )員，AXIe聯(lián)盟戰略會(huì )員，VMEbus國際貿易協(xié)會(huì )（VITA）成員和嵌入式技術(shù)標準化組織（SGeT）成員等。凌華科技總部位于臺灣，并在臺灣和中國大陸設有制造中心，研發(fā)與整合事業(yè)群則分布在臺灣、中國、美國、德國，銷(xiāo)售與服務(wù)據點(diǎn)更遍布世界各地。凌華科技通過(guò)了ISO-9001、ISO-14001、ISO-13485與TL9000認證，為全球客戶(hù)提供可信賴(lài)的產(chǎn)品、快捷的服務(wù)和實(shí)時(shí)支持。網(wǎng)址：http://www.adlinktech.com/cn