小型機器視覺系統概述

　　隨著智能工廠概念的興起，機器視覺系統能夠提升產能與確保產品質量，因而在智能工廠的配置中，扮演能夠達到系統成功導入的重要角色。其中小型機器視覺系統以其體積小，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，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)，這種類型的產品是指將圖像傳感器與處理器整合在小型機器視覺系統中，以小體積、高集成度(集成鏡頭、傳感器、處理器到機器視覺系統的接口，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，無法提供系統擴展性，如有多通道圖像采集的需求，則必須額外配置。第二種類型為嵌入式機器視覺系統，搭配工業(yè)用相機，客戶可根據不同的應用需求，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

　　如何提升產能，系統性能與處理能力(throughput)扮演著關鍵的角色。就一般機器視覺系統而言，高分辨率與高幀率(每秒顯示幀數)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果。如何以合理的成本，取得最佳的處理性能，是系統開發(fā)人員所關心的。

　　產線環(huán)境

　　工廠的環(huán)境通常是較為惡劣的，例如在飲料生產包裝的產線，系統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。如果機器視覺系統必須就近配置在嚴苛的產線環(huán)境中，那么選擇具備防水、防塵能力的產品才能達到該需求。

　　多組生產工作站

　　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、質量的檢驗到出貨的包裝，必須要經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;過關的成品在包裝區(qū)進行出貨條形碼的掃讀。多組生產工作站之間，如何讓系統之間容易整合與溝通，是工廠是否智能化的一大關鍵。

　　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，降低系統開發(fā)成本，是重要的關鍵。

　　選擇小型機器視覺系統的決勝點

　　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的圖像分析處理，如計數、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。新一代的小型機器視覺系統可具備同時進行尺寸測量、計數、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量的優(yōu)劣

　　圖像傳感器是機器視覺系統的靈魂，傳感器的尺寸直接代表著圖像的質量。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，因為系統處理器性能有限，無法同時處理大量的圖像數據，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，會出現殘影，無法應用在高速的應用中。隨著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。

　　協處理器

　　在機器視覺圖像采集與分析的過程中，圖像質量占了重要的關鍵。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量優(yōu)化，可確保圖像分析的正確。在過去的應用中，圖像數據采集到系統后，必須通過系統處理器進行計算與圖像質量優(yōu)化，因為受限于CPU計算資源，能夠處理的圖像數據量也會受到限制。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，一方面可以把系統資源留給機器視覺系統的核心—圖像算法，另一方面可以更實時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，得以被實現，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)等圖像質量優(yōu)化功能。如果在機器視覺系統中，也能搭載協處理器的預處理，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，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，讓工廠的信息系統具備更智能的功能。

　　系統顯示性能

　　在工廠環(huán)境中，傳統智能相機僅能通過以太網傳輸數據，以供中控端的監(jiān)控使用。若該機器視覺系統可支持VGA輸出接口，則該機器視覺系統可以同時通過VGA以及以太網絡端口輸出圖像，連接至HMI或產線端的屏幕，實時檢查結果，發(fā)現問題，將可有效提升產線性能。

　　64位架構

　　從 32 位到 64 位架構的改變是一個根本的改變，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，市場上主流的應用軟件多已經支持64位。所以機器視覺系統的選擇，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，或進行備份。對于整體系統的穩(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. 擴展機器視覺系統成本：

　　一組小型機器視覺系統能夠支持的通道數可以說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，如果需要多個圖像通道，要不就是重新采購嵌入式機器視覺系統，或者是必須重新架設一組智能相機。倘若小型機器視覺系統可通過以太網絡端口，串接附屬的以太網相機，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，是工廠是否智能化的關鍵。如果軟件開發(fā)的人力與know-how，是很容易部署到跨系統，無論是整合運動控制、機器視覺或者IO的工業(yè)電腦系統，或是現在已經在使用的先掃描系統，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)時間與系統導入的套數來分析。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，用戶必須支付單位售價乘以系統套數。相反，嵌入式圖像平臺基于擴展性與單位成本較低，雖然前期軟件開發(fā)的成本較高，一旦進入量產或擴線，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的性能，以及傳統智能相機小體積的優(yōu)勢。

　　處理器、協處理器與圖像處理器協力合作

　　通過CPU處理器、FPGA的圖像預處理，與GPU圖像處理器協力合作，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，結合四核處理器的優(yōu)勢，可具備同時進行尺寸測量、計數、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，如千兆以太網口, VGA, RS-232, USB，Isolated DIO等，易于與產線中其他設備連接溝通。另外，千兆以太網口可用于支持另一組千兆以太網相機，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，無論使用者原有產線的工業(yè)電腦系統，或是線掃描系統，甚至原本就已經在使用的智能相機，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，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接口，可通過以太網口，串接額外的千兆以太網相機，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，如千兆以太網口, VGA, RS-232, USB，Isolated DIO等，易于與產線中其他設備溝通。

　　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)揮高端機器視覺系統的性能。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系統的框架，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，為現今高速高端的機器視覺與圖像分析系統應用提供新選擇。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。