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機器視覺是近年來工業(yè)自動化的重要科技之一，也是實現(xiàn)工業(yè)4.0智能制造的關(guān)鍵。根據(jù)自動化協(xié)會A3（Association for Advancing Automation）的定義：機器視覺是利用軟件及硬件的結(jié)合，對于圖像或影片進行分析處理，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，機器視覺能以非接觸式、快速、高準確性的方式執(zhí)行指導(dǎo)、識別、測量和檢查動作，能有效實現(xiàn)自動化轉(zhuǎn)型，因此常被稱為“工業(yè)4.0之眼“。
機器視覺從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、機器人、自動駕駛汽車和無人機等范疇。也因此機器視覺市場規(guī)模正逐漸擴大，根據(jù)Research and Markets的預(yù)測，預(yù)計到2030年將達259.2億美元。年均復(fù)合成長率為7.7%。
機器視覺組件與配置
基本的機器視覺系統(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景的，通常使用閃光燈或LED燈，來幫助捕捉清晰、明亮且細節(jié)豐富的影像。
- 相機和鏡頭：CCD相機、CMOS相機和機器視覺專用鏡頭等。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的輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并提供與電腦的高速接口。同時可通過圖像采集卡來提高影像的質(zhì)量與傳輸速度。
- 電腦：在進行圖像處理時，電腦通常借由CPU、GPU等處理器來做運算，而當需要進行深度學(xué)習(xí)的訓(xùn)練和推理時，則會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行圖像處理，以擷取影像中的特征、進行分析和識別。
- 屏幕：將影像進行分析后得出的結(jié)果顯示在屏幕上，也可通過使用HMI觸發(fā)下一動作或機制。
- 控制系統(tǒng)：借由COM或DIO的訊號觸發(fā)控制機械，如PLC及馬達的運作。
機器視覺的應(yīng)用
機器視覺的應(yīng)用范疇非常廣泛，列舉其中四種重要的應(yīng)用如下：
- 品質(zhì)檢測：制造業(yè)是早期使用機器視覺來優(yōu)化制造流程的產(chǎn)業(yè)，主要使用在自動光學(xué)檢測AOI（Automated Optical Inspection）。借由相機對物體表面拍照或掃描，檢測物體的色差、瑕疵等問題。
- 視覺導(dǎo)航：使用在自主移動機器人AMR（Autonomous Mobile Robot）或無人搬運車AGV （Automated Guided Vehicle）上。機器視覺可通過相機、雷達、激光雷達等，對工作環(huán)境進行3D感知和識別，使機器人能夠自主導(dǎo)航并到達目標地點。
- 人臉識別：在機器視覺輔助下，從圖像或影片中偵測和識別人臉。然后比對是否為已知的人臉。這對機場和邊境管制中的身份辨識，可大幅提升偵測速度和安保管理。
- 車牌識別：在自動化車牌識別ANPR（Automatic Number Plate Recognition）中，車牌由鏡頭捕捉，然后透過光學(xué)字符識別（OCR）來識別車牌號。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：利用機器視覺影像辨識技術(shù)，自動偵測監(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。當檢測到異常事件時，系統(tǒng)可自動發(fā)出警報通知，協(xié)助安保人員迅速做出反應(yīng)。
機器視覺技術(shù)在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域，如CT、MRI和X光中可實現(xiàn)病灶的自動檢測。利用深度學(xué)習(xí)等技術(shù)進行圖像識別和特征擷取分析，可以幫助醫(yī)生更快速、高精度地進行診斷和治療。此外，機器視覺在手術(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)時間長及醫(yī)生疲勞等問題。
機器視覺在自動駕駛技術(shù)中，為自駕車提供多種功能，如車道線識別、障礙物檢測、交通標志識別以及行人和車輛檢測。借由使用高分辨率相機、雷達和激光雷達等傳感器，機器視覺系統(tǒng)能夠?qū)崟r捕捉周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，并進行特征提取和圖像識別等處理，使自駕車對環(huán)境有清晰的認知。如車道線識別方面通過捕捉車道線的特征并進行直線或曲線擬合處理，確保自駕車能夠識別并沿著正確的車道行駛。對于障礙物檢測，機器視覺將圖像和傳感器數(shù)據(jù)進行分析，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)電腦在機器視覺中的角色
工業(yè)電腦擁有強大的運算能力、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)的實時分析中，如圖像處理、特征提取和識別分類等操作，高性能的工業(yè)電腦能滿足這些計算密集型任務(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)對不斷增長的數(shù)據(jù)存儲需求。
在通訊與連接性方面，工業(yè)電腦需與多個設(shè)備（如相機、傳感器等）進行通信與數(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，其強固的優(yōu)勢使其能在惡劣工業(yè)環(huán)境中正常運行。這些特點使工業(yè)電腦成為機器視覺應(yīng)用中理想的運算平臺。
德承嵌入式電腦機器視覺解決方案
德承提供多種不同效能、擴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、極端溫度和特殊的電力保護。電腦還具有CMI/MEC/CFM模塊化擴展設(shè)計，可客制擴展不同的I/O和功能。并且通過許多國際相關(guān)認證及行業(yè)認證，提供客戶穩(wěn)定可靠的運作。
- GM-1000：GM-1000是一款緊湊高性能GPU電腦。支持Intel Xeon®工作站級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360 W的系統(tǒng)功耗。緊湊的體積特別適合安裝在機器手臂以及空間有限的環(huán)境中。
- GP-3000：GP-3000是一款高性能、可擴展的GPU電腦。搭配Intel Xeon®工作站級CPU和多達兩個250 W全長GPU卡，提供高達720W超大總系統(tǒng)功耗，充分滿足高規(guī)格的機器視覺需求。GP-3000支持GEB擴展盒設(shè)計，通過GEB連接到主機以增加GPU處理能力和額外的PCIe功能擴展。額外擴展的高階GPU可加速復(fù)雜的工業(yè)AI和機器視覺任務(wù)。
DIAMOND旗下的嵌入式電腦也提供不同體積大小、功耗、擴展方式，讓客戶能根據(jù)需求選擇合適的機器視覺解決方案。如果需要較大的擴展性，搭載Intel Xeon®工作站級CPU、可擴展的DS-1300系列提供至多二組PCI/PCIe擴展槽，可外接影像擷取卡、運動卡或GPU卡等。此外，并搭配有專利設(shè)計的｢可調(diào)式固定架｣（Patent No. I773359）可依據(jù)不同尺寸的擴展卡進行調(diào)整和鎖固。針對空間有限的機器人或無人搬運車等移動式設(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。
實際案例
- 工業(yè)X光檢測系統(tǒng)：X光檢測具非破壞性、高精度和高效率等特點，適用于汽車、航天、電子等工業(yè)領(lǐng)域的質(zhì)量檢測。歐洲X光檢測設(shè)備制造商選擇DS-1302高擴展強固型工業(yè)電腦，作為其X光自動化質(zhì)量管理檢測系統(tǒng)的核心平臺。
- 熱成像系統(tǒng)檢測：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，用于在機場、醫(yī)院、工廠進行快速個人體溫監(jiān)測、口罩偵測、人臉辨識、以及比對行程軌跡，以預(yù)防COVID-19的傳播。
- 自動化軌道檢測車：鐵路系統(tǒng)工程公司將GP-3000安裝于自動化軌道檢測車上，并通過機器視覺技術(shù)的成像系統(tǒng)進行精準的軌道缺陷判斷。并使用GP-3000的GEB擴展盒額外安裝GPU卡和其他RAID卡、控制卡。GP-3000成為此案中圖像處理和檢測的強大處理中樞。
- 工廠自主移動機器人：自主移動機器人AMR使用DS-1202為其運算控制核心，搭配GPU卡通過機器視覺與機器手臂實現(xiàn)在工廠物流流程(intralogistics)中自動撿料下料，智能動態(tài)偵測環(huán)境，穿梭于廠內(nèi)各種障礙物，將物品搬運到目標位置。
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