在智能工廠發(fā)展熱潮中，從「制」造逐步升級(jí)至「智」造，其中的重要關(guān)鍵就在于機(jī)器視覺的智能應(yīng)用與集成效益，尤其在工站區(qū)段的產(chǎn)速、良率提升，應(yīng)用工業(yè)用機(jī)器視覺模塊加以改善，因?yàn)閿z影設(shè)備體積小、高度集成、便于延伸開發(fā)，更利于智能制造的彈性應(yīng)用…

機(jī)器視覺在智能工廠應(yīng)用中扮演極吃重的角色，尤其是在提升工廠的生產(chǎn)效能、因應(yīng)彈性生產(chǎn)等需求上，機(jī)器視覺可有效發(fā)揮針對(duì)不同工站需求，在智能工廠中執(zhí)行重要影像辨識(shí)、分析與判斷等關(guān)鍵功用，在過(guò)往中／小型影像系統(tǒng)中，傳統(tǒng)采行的工業(yè)用影像擷取模塊特點(diǎn)是具備高集成度、開發(fā)環(huán)境與提供完整SDK、體積小巧等，在系統(tǒng)配置上也具備極佳設(shè)置彈性優(yōu)勢(shì)，因應(yīng)產(chǎn)速越來(lái)越快，機(jī)器視覺要求的分析處理效能也越來(lái)越高，配置能滿足高產(chǎn)速、商品多元化的機(jī)器視覺平臺(tái)極具挑戰(zhàn)。

機(jī)器視覺配置類型

工業(yè)用機(jī)器視覺系統(tǒng)，一般會(huì)有幾種不同設(shè)置方案，一種是最常見、早期以工業(yè)計(jì)算機(jī)搭配機(jī)器視覺模塊集成，也有小型工廠以常規(guī)PC主機(jī)搭配的方式加以集成，但這種方案常見的問(wèn)題在于PC配置的空間浪費(fèi)、設(shè)備部署會(huì)產(chǎn)生大量線材，造成工站集成的復(fù)雜度偏高，而繁復(fù)接線也容易造成設(shè)備誤動(dòng)作或故障問(wèn)題。

實(shí)際上工業(yè)計(jì)算機(jī)或是PC集成的機(jī)器視覺系統(tǒng)仍具后端集成的極佳優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镻C或工業(yè)計(jì)算機(jī)本身即擁有豐沛的計(jì)算機(jī)運(yùn)算效能輔助，在實(shí)時(shí)解析擷取圖象功用上有足夠的效能優(yōu)勢(shì)，而工業(yè)計(jì)算機(jī)或是PC在橫向擴(kuò)充可提供更多彈性，對(duì)單加工站點(diǎn)的機(jī)器視覺模塊數(shù)量擴(kuò)增需求，亦具極大優(yōu)勢(shì)，甚至于基于x86的運(yùn)算系統(tǒng)架構(gòu)，不僅機(jī)器視覺模塊有更豐沛的開發(fā)資源集成，連接前／后端支持系統(tǒng)也能用更彈性、更快速的方式建立系統(tǒng)平臺(tái)。

x86嵌入式平臺(tái)機(jī)器視覺設(shè)備 兼具簡(jiǎn)化部署、二次開發(fā)優(yōu)勢(shì)

而另一種機(jī)器視覺應(yīng)用架構(gòu)為基于DSP+ARM或是其它嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)的機(jī)器視覺模塊，而這類機(jī)器視覺模塊為將部分算法、設(shè)置在DSP或是部分配置在ARM運(yùn)算架構(gòu)上，尤其是有些特定算法(如數(shù)碼濾波、圖象處理)可設(shè)置在DSP中，象是處理大量、密集型態(tài)的信號(hào)處理，在DSP就能有極佳的集成效益，而ARM運(yùn)算架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)如使用者接口GUI、繁復(fù)的數(shù)學(xué)函式、邏輯判斷整體應(yīng)用處理，利用不同運(yùn)算優(yōu)勢(shì)有效在機(jī)器視覺模塊前端已處理完大量數(shù)據(jù)與分析判斷，而DSP+ARM的方案可改善早期機(jī)器視覺模塊成本偏高、設(shè)備連接輔助的額外設(shè)置問(wèn)題，也能大幅節(jié)約配置機(jī)器視覺模塊的成本。

至于x86嵌入式系統(tǒng)搭配機(jī)器視覺模塊的集成方案，其實(shí)就是前兩種方案的高度結(jié)合，即機(jī)器視覺模塊原先需搭配的工業(yè)計(jì)算機(jī)或PC，透過(guò)新的集成微縮技術(shù)，已經(jīng)改采極度微縮的嵌入式系統(tǒng)載板直接把系統(tǒng)載板與機(jī)器視覺模塊高度集成，整個(gè)拍攝模塊其實(shí)就包含了x86硬件運(yùn)算系統(tǒng)與拍攝模塊，這么做最直接的好處就是原先需搭配機(jī)器視覺模塊的工業(yè)計(jì)算機(jī)、PC，因已被微縮到拍攝模塊中，自然銜接線材變成功能載板，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置時(shí)好處就是機(jī)器視覺模塊配置可與DSP+ARM形式的機(jī)器視覺系統(tǒng)配置同樣簡(jiǎn)潔，卻能擁有開發(fā)資源豐沛的x86系統(tǒng)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，這也是目前較熱門的機(jī)器視覺部署方案。

提升機(jī)器視覺判讀質(zhì)量 需從多方下手

另一方面，在機(jī)器視覺模塊上，一般要提升系統(tǒng)判別質(zhì)量，多數(shù)會(huì)采取提升拍攝模塊的分辨率、畫面更新率(frame rate)等，但現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題若同時(shí)在拍攝模塊分辨率進(jìn)行提升、frame rate也拉高，這會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算分析的處理器也必須對(duì)應(yīng)升級(jí)，用更高階的CPU來(lái)處理高分辨率與高影格導(dǎo)致的大量數(shù)據(jù)內(nèi)容分析，這會(huì)牽涉到系統(tǒng)實(shí)用性與成本問(wèn)題，如何在質(zhì)量／效能與成本取得平衡，是系統(tǒng)開發(fā)人員集成初期一定得面對(duì)的課題。

從另一個(gè)角度觀察，對(duì)于處理效能有限、僅有單一功能的視覺分析系統(tǒng)固然在配置成本顯得較低，但實(shí)際上卻無(wú)法在未來(lái)有更好的機(jī)器視覺系統(tǒng)擴(kuò)展性，若要提升系統(tǒng)的未來(lái)擴(kuò)展性，肯定需要再配置更高階的CPU，透過(guò)更強(qiáng)大、多工的運(yùn)算效能，支持未來(lái)更進(jìn)階繁復(fù)的圖象分析與處理任務(wù)。

此外，機(jī)器視覺模塊另一個(gè)選用關(guān)鍵在于，當(dāng)系統(tǒng)開發(fā)者在單一工站需要擴(kuò)充多攝像頭協(xié)同分析時(shí)，應(yīng)用單一機(jī)器視覺模塊未能提供多組攝像擴(kuò)充支持，肯定無(wú)法順暢進(jìn)行橫向擴(kuò)充應(yīng)用。

生產(chǎn)環(huán)境惡劣 機(jī)器視覺設(shè)備強(qiáng)度亦需同步提升

而配置機(jī)器視覺系統(tǒng)另一個(gè)大問(wèn)題是設(shè)置的工廠環(huán)境狀況并不佳，如金屬加工會(huì)有切削金屬碎屑、粉塵噴濺，飲料包裝廠會(huì)有液體噴濺，而在工具機(jī)系列加工處理環(huán)境中，則會(huì)有高震動(dòng)、高粉塵問(wèn)題影響，機(jī)器視覺系統(tǒng)配置在這種環(huán)境中，相關(guān)設(shè)備的環(huán)境耐受程度若沒(méi)有對(duì)應(yīng)升級(jí)，可能也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)損傷、故障。

對(duì)機(jī)器視覺系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，影像傳感器的規(guī)格，也是直接影響系統(tǒng)的判讀效率、準(zhǔn)確度的關(guān)鍵，傳感器的尺寸大小面積即左右了機(jī)器視覺的影像質(zhì)量，影像質(zhì)量提升對(duì)檢測(cè)應(yīng)用會(huì)有最直接的效益，因?yàn)閭鞲衅鞒叽缗c影像質(zhì)量好壞，可再進(jìn)行高速、高階檢測(cè)應(yīng)用時(shí)更有效率的檢驗(yàn)出瑕疵工件。但在初級(jí)檢驗(yàn)，例如精度要求不高的螺絲分檢、料件分檢等工站，導(dǎo)入分辨率、高階傳感器的機(jī)器視覺模塊也非必要，在初階的機(jī)器視覺應(yīng)用反而用中／低階應(yīng)用模塊就可應(yīng)付所需。

搭配協(xié)同處理器優(yōu)化影響 提升判讀畫面質(zhì)量

另在拍攝畫面的曝光時(shí)間差方面，一般可從滾動(dòng)快門(Rolling shutter)與全域快門(global shutter)不同畫面曝光時(shí)間差檢視，滾動(dòng)式快門為利用電子信號(hào)在感光元件上進(jìn)行循序曝光、直到整個(gè)畫面曝光并記錄完成。至于全域快門則是在曝光時(shí)為以全幅傳感器一次性同時(shí)曝光整個(gè)傳感器畫面、并完成畫面紀(jì)錄。

早期攝像機(jī)元件模塊因?yàn)榧商幚砥鞯男苡邢?，大多利用滾動(dòng)式快門處理曝光畫面，以其減少資料處理量、兼顧效用、成本等目的，但滾動(dòng)式快門在擷取畫面容易產(chǎn)生殘影問(wèn)題，因應(yīng)高產(chǎn)速的機(jī)器視覺應(yīng)用并不合適，至于新一代攝像機(jī)元件搭配的畫面處理器效能大幅精進(jìn)，大多應(yīng)用全域快門進(jìn)行畫面曝光與紀(jì)錄，使用全域快門的傳感器更能達(dá)到高速擷取下同時(shí)具無(wú)殘影高正確性影像的使用目的。

在機(jī)器視覺整個(gè)運(yùn)行過(guò)程，影像會(huì)自擷取、分析進(jìn)而透過(guò)分析結(jié)果對(duì)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行判斷與執(zhí)行，影響最終決策質(zhì)量關(guān)鍵在于最初影像擷取的質(zhì)量與正確性，但生產(chǎn)環(huán)境畢竟在拍攝條件必非完善，例如工件本身的反光問(wèn)題、工站環(huán)境照明、機(jī)器視覺鏡頭質(zhì)量、輔助光源狀態(tài)等，系統(tǒng)擷取的影像常會(huì)有亮度表現(xiàn)不一致或有暗邊等質(zhì)量問(wèn)題，也會(huì)令影像系統(tǒng)判讀質(zhì)量出現(xiàn)偏差值。

目前多數(shù)業(yè)者會(huì)選擇在導(dǎo)出影像給系統(tǒng)分析前，將原始影像先經(jīng)由協(xié)同處理器進(jìn)行擷取畫面的質(zhì)量?jī)?yōu)化預(yù)先調(diào)整，也就是說(shuō)擷取影像在進(jìn)入后端系統(tǒng)進(jìn)行圖象解析、判讀前已先經(jīng)過(guò)協(xié)同處理器協(xié)助將畫面圖象經(jīng)過(guò)質(zhì)量?jī)?yōu)化處理，提升整體機(jī)器視覺系統(tǒng)的判讀質(zhì)量。一般協(xié)同處理器可為FPGA搭配各家自力研發(fā)的影像優(yōu)化算法集成，進(jìn)行多種圖象校正、質(zhì)量改善等處理。