機(jī)器視覺如何重塑工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的未來？

機(jī)器視覺（MV）是一種使用計算機(jī)和算法來解釋、分析和理解周圍視覺信息的解決方案，是不同技術(shù)和方法的組合，主要用于自動提取圖像信息，為機(jī)器在工業(yè)和非工業(yè)環(huán)境中執(zhí)行給定任務(wù)提供操作指導(dǎo)和關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

在應(yīng)用中，機(jī)器視覺系統(tǒng)由多個攝像頭組成，這些攝像頭分別捕捉、解釋信號并將信號發(fā)送到控制系統(tǒng)。對機(jī)器視覺市場的新研究表明，相機(jī)、人工智能和芯片組的進(jìn)步正在推動在工業(yè)應(yīng)用中使用機(jī)器視覺系統(tǒng)的潛力。IoT Analytics預(yù)計，從2022年到2027年，機(jī)器視覺市場的復(fù)合年增長率將達(dá)到8%。

三大關(guān)鍵技術(shù)：助力機(jī)器視覺更廣泛應(yīng)用

機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)存在了30多年，但最近的技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)一步拓展其采用提供了新的推動力。

Part 1 先進(jìn)相機(jī)技術(shù)的轉(zhuǎn)變。

分辨率超過4500萬像素的相機(jī)現(xiàn)在不僅優(yōu)于人眼，而且還能以極高的速度拍攝物體且不會失真。相機(jī)的進(jìn)步是引入了“基于事件的視覺傳感器”，與視神經(jīng)處理信息的方式類似，基于事件的視覺傳感器僅通過檢測每個像素的亮度變化就能捕獲圖像，與傳統(tǒng)的基于幀的視覺傳感器相比，它可以工作在更黑暗的環(huán)境或更惡劣的天氣條件下。

Part 2 人工智能（AI）技術(shù)的轉(zhuǎn)變。

從基于規(guī)則的機(jī)器視覺（基于預(yù)定參數(shù)的決策）到基于人工智能的機(jī)器視覺的轉(zhuǎn)變（基于適用MV模型輸出的決策），這是一個極具影響力的轉(zhuǎn)變?；谝?guī)則的MV是“剛性的”，僅適用于可量化、清晰和非常具體的特征，例如產(chǎn)品上的某種劃痕，它回答了一個yes/no的問題。而基于人工智能的MV可以為不可量化的特征提供準(zhǔn)確的結(jié)果，在更廣泛的背景和照明設(shè)置中識別缺陷，并靈活應(yīng)對產(chǎn)品外觀和缺陷類型的變化（如凹痕或變色）。深度學(xué)習(xí)作為人工智能的一個更復(fù)雜、更強(qiáng)大的子集，也越來越多地應(yīng)用與機(jī)器視覺應(yīng)用中。

Part 3 AI芯片的技術(shù)進(jìn)步和轉(zhuǎn)變。

新一代的AI芯片功能更強(qiáng)大，適合處理圖像和運(yùn)行基于人工智能的機(jī)器視覺算法。這些進(jìn)步有助于將深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練時間從數(shù)周減少到數(shù)小時。現(xiàn)在，許多智能相機(jī)的機(jī)器視覺系統(tǒng)都配備了強(qiáng)大的AI芯片，例如ADLINK的NEON-2000-JNX系列內(nèi)置了英偉達(dá)Jetson Xavier NX模塊。

機(jī)器視覺改變工業(yè)的未來

隨著工業(yè)自動化的增加和智能設(shè)備數(shù)量的增長，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備創(chuàng)建的數(shù)據(jù)將呈指數(shù)級增長。在各種工業(yè)應(yīng)用中，機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）可以智能地利用這些數(shù)據(jù)，機(jī)器視覺（MV）系統(tǒng)可以獲得有價值的數(shù)據(jù)，在對有用的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，識別模式后將這些數(shù)據(jù)用于分析和改進(jìn)工業(yè)操作，避免決策中出現(xiàn)失誤，還可以改善預(yù)測性維護(hù)和用戶體驗(yàn)等流程。

機(jī)器視覺取代了人眼，使機(jī)器人和計算機(jī)能夠在視覺上感知和解釋周圍環(huán)境。它們使用先進(jìn)的成像技術(shù)，如相機(jī)、傳感器和成像處理算法來模擬人類視覺的能力，并使其能夠用于增強(qiáng)業(yè)務(wù)流程。這意味著機(jī)器可以執(zhí)行需要視覺檢查或分析的任務(wù)，從圖像或視頻流中提取有意義的信息，并使用這些信息做出智能決策。

目前，機(jī)器視覺是極令人興奮的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和工業(yè)4.0技術(shù)之一，它的出現(xiàn)將徹底改變工業(yè)供應(yīng)鏈的運(yùn)營。根據(jù)MarketsandMarkets Research的說法，2021年，全球機(jī)器視覺市場的價值為111億美元，預(yù)計在2022-2027年間將以7.4%的復(fù)合年增長率（CAGR）增長，到2027年將達(dá)到172億美元。

這一增長的市場驅(qū)動力主要是由于對加強(qiáng)質(zhì)量控制和檢查的需求不斷增加。與協(xié)作機(jī)器人和人工智能（AI）的集成，將極大地提高倉庫、制造廠和整個供應(yīng)鏈的工業(yè)自動化水平。當(dāng)機(jī)器視覺與IIoT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）設(shè)備集成時，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了更大的獨(dú)立性和先進(jìn)的決策能力。兩者的結(jié)合通過使用算法來提高機(jī)器視覺的智能，制造商可以更好地了解系統(tǒng)操作、工廠和工廠活動，并實(shí)施先進(jìn)的檢查流程。

將IIoT應(yīng)用與機(jī)器視覺集成將帶來諸多好處，例如：

01 減少網(wǎng)絡(luò)帶寬

機(jī)器視覺在檢測中有著廣泛的應(yīng)用。通過AI傳感器增強(qiáng)的高性能相機(jī)系統(tǒng)，允許在數(shù)據(jù)源立即分析數(shù)據(jù)，大幅減少了向云服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)的需求，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬。

02 提高制造效率

在制造業(yè)中，人工智能機(jī)器視覺常被用于機(jī)器人制導(dǎo)系統(tǒng)，機(jī)器間可直接相互通信，而不是通過中央企業(yè)服務(wù)器進(jìn)行通信。減少了網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)負(fù)載，同時提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

03 預(yù)測性維護(hù)

機(jī)器視覺的另一個顯著特點(diǎn)是能夠發(fā)出警告信號。當(dāng)需要維護(hù)和維修時，先進(jìn)的IoT系統(tǒng)可以預(yù)測故障及所需的維修措施，避免因設(shè)備故障帶來的全面停工。

04 增強(qiáng)的客戶體驗(yàn)

機(jī)器視覺通過增加更多的自動化、增強(qiáng)數(shù)據(jù)分析和交流需要了解的信息，顯著改變了企業(yè)的服務(wù)模式。通過機(jī)器視覺的使用，企業(yè)可以創(chuàng)建富有創(chuàng)意、個性化和獨(dú)特的用戶體驗(yàn)，并推薦合適的產(chǎn)品，進(jìn)而影響客戶的購買行為。

機(jī)器視覺中的關(guān)鍵技術(shù)

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和機(jī)器視覺等技術(shù)的進(jìn)步，制造業(yè)迎來了一場數(shù)字革命。在機(jī)器視覺中，一個特別令人興奮的發(fā)展是3D視覺的出現(xiàn)，它有效提高了制造業(yè)的效率、精度和自動化程度。雖然我們的人眼通過比較左眼和右眼的視角差異來自然地捕捉深度，但計算機(jī)通過硬件和軟件解決方案的組合也能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因此，3D視覺能使機(jī)器從視覺數(shù)據(jù)中感知深度和三維結(jié)構(gòu)。

目前，已有多種不同的技術(shù)方案可以實(shí)現(xiàn)3D視覺。其中，立體視覺方案是借助放置在不同位置的兩個或多個相機(jī)來捕捉同一場景，然后通過比較這些圖像之間的差異提取深度信息；結(jié)構(gòu)化光方案則是將圖案（通常以光的形式）投影到場景上，相機(jī)捕捉其變形，通過分析圖案的變形方式將獲得有關(guān)場景中對象的深度和形狀的線索；飛行時間（ToF）方法包括向物體發(fā)送紅外光信號，然后測量光反射所需的時間，進(jìn)而確定被測對象與相機(jī)的距離；激光三角測量是3D機(jī)器視覺中常用的方法之一，它使用一個有源光源和一個相機(jī)，當(dāng)激光束投射在一條橫截面的線上，并被物體的形狀偏轉(zhuǎn)，即可獲得被測物的詳細(xì)輪廓。

01 工業(yè)機(jī)器視覺2D和3D解決方案

ams OSRAM公司的Mira220是流水線式高靈敏度全局快門圖像傳感器，專為設(shè)計工程師提供了工業(yè)機(jī)器視覺應(yīng)用的2D和3D解決方案，非常適合無人機(jī)、機(jī)器人、智能門鎖以及移動和可穿戴設(shè)備中的主動立體視覺或3D結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)。

Mira220百萬像素全局快門圖像傳感器有效分辨率為1600（H）x 1400（V），幀速率可達(dá)90fps，深度為12位。Mira220的先進(jìn)背照（BSI）技術(shù)將傳感器層堆疊在數(shù)字/讀出層之上，這種設(shè)計產(chǎn)生的占地面積僅為5.3毫米 × 5.3毫米，非常有利于實(shí)現(xiàn)芯片級封裝，使制造商能夠更自由地優(yōu)化智能眼鏡和VR耳機(jī)等空間受限產(chǎn)品的設(shè)計。Mira220還具有非常高的靈敏度和量子效率，像素大小僅為2.79μm，可搭配使用低功率發(fā)射器，無懼昏暗的照明條件。

此外，Mira220的功耗非常低，在睡眠模式下僅需4mW，在空閑模式下僅有40mW，即使在90fps的全分辨率下功耗也僅為350mW。Mira220傳感器采用MIPI CSI-2接口，可輕松與處理器和FPGA交互，芯片上的寄存器可通過標(biāo)準(zhǔn)I2C接口訪問，便于傳感器配置。JetCis評估系統(tǒng)采用基于Linux的開放式開發(fā)平臺，運(yùn)行在英偉達(dá)Jetson Nano嵌入式系統(tǒng)上。Mira220全局快門圖像傳感器可由JetCis評估系統(tǒng)支持，所有產(chǎn)品和評估套件均可在Mouser官網(wǎng)上找到。

圖1：Mira220高靈敏度全局快門圖像傳感器原理框圖（圖源：ams OSRAM）

02 增強(qiáng)視覺AI開發(fā)的MPU和套件

視覺人工智能（Vision AI）是訓(xùn)練計算機(jī)復(fù)制人類視覺的系統(tǒng)，為此，設(shè)計人員開發(fā)了人臉檢測器、二維碼掃描儀等設(shè)備，以人類的方式識別和處理圖像和視頻中的物體。當(dāng)開發(fā)人員面臨新的基于視覺的物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)（如物體或人員檢測等）的開發(fā)時，他們?nèi)匀幻媾R著重大挑戰(zhàn)。

Basler公司的AI視覺解決方案套件（AI Vision Solution Kit）是一種嵌入式視覺系統(tǒng)，用于物聯(lián)網(wǎng)視覺解決方案的簡單原型制作。該套件主要面向數(shù)據(jù)科學(xué)家和現(xiàn)場應(yīng)用工程師，其集成的硬件和軟件設(shè)計包括Basler新開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)軟件架構(gòu)——Basler容器管理和云連接器，顯著降低了嵌入式硬件和軟件技術(shù)的復(fù)雜性和對開發(fā)人員專業(yè)知識的要求。

圖2：AI Vision Solution Kit可有效降低機(jī)器視覺系統(tǒng)的開發(fā)難度（圖源：Mouser）

結(jié)語

機(jī)器視覺領(lǐng)域的新興技術(shù)包括將機(jī)器視覺與人工智能、機(jī)器人和智能眼鏡相結(jié)合，它們可以塑造物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用的未來。3D機(jī)器視覺在制造業(yè)中的作用已經(jīng)慢慢滲透到主流產(chǎn)業(yè)中，隨著人工智能的進(jìn)步和物聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展，3D機(jī)器視覺將在未來幾年成為制造業(yè)不可或缺的一部分。

機(jī)器視覺技術(shù)為供應(yīng)鏈提供了卓越的改進(jìn)，通過人工智能的集成使之得到了更有效的增強(qiáng)。這種進(jìn)步可以看作是人工智能與機(jī)器視覺的完美合作，機(jī)器視覺通過準(zhǔn)確、快速地提供人工智能做出復(fù)雜決策，人工智能算法還使機(jī)器能夠不斷學(xué)習(xí)，這意味著它們的性能會隨著時間的推移而不斷提高。對于工業(yè)機(jī)器人而言，將機(jī)器視覺與機(jī)械臂拾取解決方案結(jié)合使用，可以為機(jī)器人提供從包含多個物品的包裝中拾取單個物品所需的數(shù)據(jù)。從本質(zhì)上講，機(jī)器視覺為機(jī)器人提供了靈活的“眼睛”。

在快速發(fā)展的市場中，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與機(jī)器視覺相結(jié)合的公司將通過展示創(chuàng)新、靈活性、效率和準(zhǔn)確性而脫穎而出。物聯(lián)網(wǎng)使企業(yè)能夠更好地利用時間、材料和勞動力，從而提高效率。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和機(jī)器視覺相結(jié)合，為發(fā)展和滿足競爭市場不斷變化的需求提供了機(jī)會。