機(jī)器視覺及工業(yè)檢測

“工業(yè)4.0”引爆一場全新的工業(yè)革命，繼“工業(yè)1.0”的蒸汽機(jī)時代、“工業(yè)2.0”的電氣化時代、“工業(yè)3.0”的信息化時代之后，我們正快速步入智能化時代，努力為中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級貢獻(xiàn)力量。智能制造的核心要素之一是傳感器技術(shù)——機(jī)器視覺（Machine Vision，MV）則是重中之重。近些年，3D視覺、智能視覺等創(chuàng)新技術(shù)為工業(yè)自動化打開了“新視界”。

圖1 機(jī)器視覺系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

人類感知外界信息的80%來自于眼睛，所以視覺的重要性不言而喻。而機(jī)器視覺就是為工業(yè)設(shè)備安裝“眼睛”——相機(jī)、攝像頭等，賦予像人一樣的視覺感官，從而實現(xiàn)各種檢測、測量、識別和引導(dǎo)等功能。工業(yè)相機(jī)作為機(jī)器視覺的核心部件，其工作原理是通過光電探測器或圖像傳感器將外界光信號轉(zhuǎn)變成可被計算機(jī)處理的電信號，實現(xiàn)目標(biāo)圖像信息的采集。工業(yè)相機(jī)按照不同的指標(biāo)有諸多分類方式（如圖2），選擇合適的工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，不僅直接決定采集圖像的質(zhì)量和速度，同時也與整個系統(tǒng)的運(yùn)行模式相關(guān)。

圖2：工業(yè)相機(jī)的分類

應(yīng)用于工業(yè)相機(jī)的圖像傳感器主要有電荷耦合元件（CCD）和金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兩大類。隨著CMOS技術(shù)的不斷進(jìn)步，CMOS圖像傳感器的性能與CCD的差距不斷縮小，CMOS圖像傳感器憑借高集成、低成本、低功耗、設(shè)計簡單等優(yōu)勢正逐漸取代CCD成為主流，尤其是背照式（BSI）技術(shù)的出現(xiàn)加快了這一進(jìn)程。另一方面，由于可以將CMOS圖像傳感器與圖像采集和信號處理等功能集成實現(xiàn)片上系統(tǒng)（SoC），機(jī)器視覺系統(tǒng)也從基于PC的板級式視覺系統(tǒng)，向能嵌入更多功能、更小型的智能相機(jī)系統(tǒng)發(fā)展。

圖3：機(jī)器視覺的技術(shù)發(fā)展趨勢

（來源：《工業(yè)和自動化領(lǐng)域的機(jī)器視覺-2018版》）

在工業(yè)制造領(lǐng)域，機(jī)器視覺主要面向半導(dǎo)體及電子制造、汽車制造、機(jī)械制造、食品與包裝、制藥等行業(yè)，實現(xiàn)功能包括缺陷檢測、尺寸測量、模式識別、導(dǎo)航定位等，可以大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，同時也確保工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的安全性。隨著生產(chǎn)逐漸從勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)移，我國對機(jī)器視覺技術(shù)的需求愈發(fā)強(qiáng)烈，并成為全球機(jī)器視覺的主要市場之一。Yole預(yù)計全球機(jī)器視覺相機(jī)市場將從2017年的20億美元增長到2023年的40億美元，復(fù)合年增長率（CAGR）為12%。

圖4 機(jī)器視覺在工業(yè)制造領(lǐng)域內(nèi)的主要應(yīng)用

傳統(tǒng)的機(jī)器視覺相機(jī)獲取目標(biāo)物體的二維圖像，缺少空間深度信息。而3D視覺技術(shù)的出現(xiàn)不僅有效解決了復(fù)雜物體的模式識別和3D測量難題，同時還能實現(xiàn)更加復(fù)雜的人機(jī)交互功能。因此，3D視覺的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，成為提升產(chǎn)業(yè)自動化和智能化水平的重要抓手。

目前，工業(yè)領(lǐng)域主流的3D視覺技術(shù)方案主要有三種：飛行時間（ToF）法、結(jié)構(gòu)光法、雙目立體視覺法。這些3D視覺技術(shù)也給工業(yè)相機(jī)的硬件方面帶來變革，相應(yīng)的核心傳感器和半導(dǎo)體芯片技術(shù)發(fā)展迅速，例如ToF圖像傳感器、垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）、雪崩光電二極管（APD）/單光子雪崩二極管（SPAD）、MEMS微鏡等。

3D視覺技術(shù)需要軟硬兼施。軟件方面，三維點(diǎn)云處理及機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning，ML）是兩項重要技術(shù)，推動3D成像與傳感應(yīng)用，引起機(jī)器視覺廠商的重視。例如，2017年康耐視（Cognex）收購了深度學(xué)習(xí)軟件公司Vidi Systems。

圖5 3D工業(yè)相機(jī)核心元器件及主要廠商

當(dāng)前，中國制造正從“制造大國”向“制造強(qiáng)國”轉(zhuǎn)型升級，而機(jī)器視覺作為實現(xiàn)“工業(yè)4.0”的核心技術(shù)正處于制造產(chǎn)業(yè)的風(fēng)口浪尖。為此，麥姆斯咨詢特邀機(jī)器視覺領(lǐng)域的技術(shù)大咖和產(chǎn)業(yè)精英共聚『第二十七屆“微言大義”研討會：機(jī)器視覺及工業(yè)檢測』，針對工業(yè)相機(jī)核心元器件、3D成像及機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行深入交流，為“中國智造”出謀劃策！