小型機器視覺系統(tǒng)概述

　　隨著智能工廠概念的興起，機器視覺系統(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，扮演能夠達到系統(tǒng)成功導入的重要角色。其中小型機器視覺系統(tǒng)以其體積小，集成度高等優(yōu)勢備受市場青睞，并且正以每年30%的成長率逐年增長。

　　小型機器視覺系統(tǒng)，通常用于視覺檢測、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(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。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單的視覺任務，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(tǒng)，無法提供系統(tǒng)擴展性，如有多通道圖像采集的需求，則必須額外配置。第二種類型為嵌入式機器視覺系統(tǒng)，搭配工業(yè)用相機，客戶可根據(jù)不同的應用需求，彈性配置。優(yōu)點為可采用較高等級的CPU處理器，可連結(jié)多顆相機，且通過豐富的IO接口，與其他工廠設備的連接也更為便利。然而嵌入式機器視覺系統(tǒng)基于體積與空間上的限制，并不具備完全取代智能相機的優(yōu)勢。第三種類型是基于x86架構(gòu)的智能相機，也可以說是可編程的智能相機，它同時擁有一般智能相機與嵌入式機器視覺系統(tǒng)的優(yōu)點，包含小體積、具備擴展性等，滿足另一種類型的市場需求。在今天的文章中，將會有進一步的說明。

　　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處理器來補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)可能會直接接觸到液體。而在工具機加工的環(huán)境中，則是充滿切削工件的惡劣環(huán)境。如果機器視覺系統(tǒng)必須就近配置在嚴苛的產(chǎn)線環(huán)境中，那么選擇具備防水、防塵能力的產(chǎn)品才能達到該需求。

　　多組生產(chǎn)工作站

　　在工廠環(huán)境中，一個成品的上市，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)過層層不同的工作站。舉例來說，CNC機臺負責組件的車削加工，通過工業(yè)機器人的取件，通過工業(yè)相機讓工件定位后，才開始進行工件的切割;完成后進入到檢測的站臺，進行缺陷檢測;過關(guān)的成品在包裝區(qū)進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，是所有導入智能化系統(tǒng)的工程人員心中的一大擔憂，也往往是決定項目成敗的最重要因素。如何縮短開發(fā)時間，降低系統(tǒng)開發(fā)成本，是重要的關(guān)鍵。

　　選擇小型機器視覺系統(tǒng)的決勝點

　　處理器計算性能

　　傳統(tǒng)智能相機因為體積小，在有限的空間里，散熱能力會受到限制，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的圖像分析處理，如計數(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，且同時還擁有低功耗的優(yōu)勢。這意味著小體積也能帶來高性能，多任務的圖像處理得以被實現(xiàn)。新一代的小型機器視覺系統(tǒng)可具備同時進行尺寸測量、計數(shù)、定位、二維碼讀取等多任務處理的能力，從持有成本來看，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(tǒng)時，必須要考慮的要點。

　　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間差。卷簾快門(Rolling shutter)是通過電子信號告訴感光組件，依序曝光，直到整個畫面曝光完成。而全局快門(Global shutter)是在曝光時，“同時” 曝光整個畫面。在過去智能相機的應用中，因為系統(tǒng)處理器性能有限，無法同時處理大量的圖像數(shù)據(jù)，因而多采用卷簾快門(Rolling shutter)。然而其缺點是當檢測快速運動的物體時，會出現(xiàn)殘影，無法應用在高速的應用中。隨著系統(tǒng)處理性能的提升，系統(tǒng)性能將不再是瓶頸，若有高速移動對象的檢測的需求，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。但由于先天光學條件(鏡頭、光源)的限制，采集的圖像會有亮度不一致的情況，而造成后端圖像分析的誤判。如果可以在圖像進入分析之前，就對采集的圖像進行質(zhì)量優(yōu)化，可確保圖像分析的正確。在過去的應用中，圖像數(shù)據(jù)采集到系統(tǒng)后，必須通過系統(tǒng)處理器進行計算與圖像質(zhì)量優(yōu)化，因為受限于CPU計算資源，能夠處理的圖像數(shù)據(jù)量也會受到限制。然而，若能通過FPGA的支持，將圖像的矩陣計算，在進到CPU計算之前，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)資源留給機器視覺系統(tǒng)的核心—圖像算法，另一方面可以更實時的處理大數(shù)據(jù)量的圖像，讓高速以及復雜的圖像處理與分析，得以被實現(xiàn)，預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。如果在機器視覺系統(tǒng)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Intel® HD Graphics 4000技術(shù)，同時處理多通道的圖像壓縮傳輸。通過CPU與GPU性能的提升，圖像檢測結(jié)果可以被記錄、存盤，或者是提供原始資料進行進一步的對比與分析，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。若該機器視覺系統(tǒng)可支持VGA輸出接口，則該機器視覺系統(tǒng)可以同時通過VGA以及以太網(wǎng)絡端口輸出圖像，連接至HMI或產(chǎn)線端的屏幕，實時檢查結(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。圖像分析軟件因為需要處理的數(shù)據(jù)量大，市場上主流的應用軟件多已經(jīng)支持64位。所以機器視覺系統(tǒng)的選擇，當然也必須選擇支持64位的系統(tǒng)，才得以發(fā)揮該應用最大的效益。

　　系統(tǒng)存儲容量

　　小型機器視覺系統(tǒng)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(shù)據(jù)，或進行備份。對于整體系統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)以及應用軟件所需的空間。

　　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)助客戶降低費用，才是王道。我們不妨從以下幾點來探討：

　　1. 空間與配件的成本：

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

　　2. 擴展機器視覺系統(tǒng)成本：

　　一組小型機器視覺系統(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)智能相機多缺乏擴展性，如果需要多個圖像通道，要不就是重新采購嵌入式機器視覺系統(tǒng)，或者是必須重新架設一組智能相機。倘若小型機器視覺系統(tǒng)可通過以太網(wǎng)絡端口，串接附屬的以太網(wǎng)相機，則無需加購一組智能相機，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)，無論是整合運動控制、機器視覺或者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)，如果僅需要學習一套開發(fā)程序語言，相對來說是有效節(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)時間與系統(tǒng)導入的套數(shù)來分析。市場上智能相機大多搭配自家開發(fā)的應用軟件，標榜不用寫程序，即可輕松上手。在產(chǎn)線導入的初期，確實可有效縮短開發(fā)時間，可快速導入，然而一旦必須要導入量產(chǎn)，用戶必須支付單位售價乘以系統(tǒng)套數(shù)。相反，嵌入式圖像平臺基于擴展性與單位成本較低，雖然前期軟件開發(fā)的成本較高，一旦進入量產(chǎn)或擴線，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。所以用戶應該從整廠所需的系統(tǒng)量來評估總成本。

　　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，還具有低功耗的優(yōu)勢，因而得以將機器視覺系統(tǒng)的長寬尺寸縮小至僅有iPhone尺寸的大小。同時擁有嵌入式機器視覺系統(tǒng)的性能，以及傳統(tǒng)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，讓多任務的圖像處理得以被實現(xiàn)，結(jié)合四核處理器的優(yōu)勢，可具備同時進行尺寸測量、計數(shù)、定位、二維碼讀取等多任務處理的能力，等同于一臺抵多臺的能力。

　　實驗：

　　那一張VGA圖面，30萬pixel，一般Atom雙核，跑一個量尺寸。

　　從精度跟時間。

　　同一張圖，用新的x86 智能相機。

　　誰說魚與熊掌不可兼得?

　　過去高速、高分辨率與復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，得以實現(xiàn)不可能的任務。

　　兼具可擴展性與穩(wěn)定性

　　新一代x86智能相機可提供類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，滿足智能相機過去無法達成的擴展性。同時具備IP-67等級的防水防塵規(guī)范，可承受嚴苛的應用環(huán)境，可安裝于潮濕、粉塵的環(huán)境中。新一代x86智能相機再一次達到跨界演出。

　　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，開發(fā)人員僅需要學習一套開發(fā)程序語言，即可直接移植到新一代x86智能相機。一旦有產(chǎn)線擴充需求，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，實現(xiàn)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(global shutter)傳感器，且采用了新一代四核Intel® Atom™ E3845 1.91GHz處理器，同時僅需要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(nèi)建FPGA的圖像預處理功能，將圖像的矩陣運算，在進到CPU運算之前，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，以及市面上各種第三方圖像應用軟件，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機身小巧，易于安裝，同時通過加固的產(chǎn)品測試，具備IP 67防水防塵等級的規(guī)范與M12的接口，可用于嚴苛的工廠環(huán)境，如工具機車削加工時產(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，無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(nèi)建2 GB內(nèi)存與最高可達32 GB存儲容量，可真正發(fā)揮高端機器視覺系統(tǒng)的性能。凌華科技還提供開發(fā)者快速驗證的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的智能相機也同步上市。

　　結(jié)論

　　新一代x86智能相機打破傳統(tǒng)智能相機與嵌入式機器視覺系統(tǒng)的框架，從性能、擴展性、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，為現(xiàn)今高速高端的機器視覺與圖像分析系統(tǒng)應用提供新選擇。也為具備彈性開發(fā)能力的用戶與集成商，提供一個更具成本優(yōu)勢，以及加速進入市場的新方案。