从基础到应用：探索机器视觉技术的优势和应用

机器视觉是近年来工业自动化的重要科技之一，也是实现工业 4.0 智能制造的关键。根据自动化协会 A3（Association for Advancing Automation）的定义：机器视觉是利用软件及硬件的结合，对于图像或影片进行分析处理，使其能在工业设备的执行过程中，提供引导与协助。相较于人工，机器视觉能以非接触式、快速、高准确性的方式执行指导、识别、测量和检查动作，能有效实现自动化转型，因此常被称为 “工业 4.0 之眼“。

机器视觉从 90 年代在半导体、电子和汽车行业崭露头角，现已快速延伸到其他领域，例如监控、医疗、机器人、自动驾驶汽车和无人机等范畴。也因此机器视觉市场规模正逐渐扩大，根据 Research and Markets 的预测，预计到 2030 年将达 259.2 亿美元。年均复合成长率为 7.7%。

基本的机器视觉系统组件包含：

• 照明 ：照明系统是用来照亮要被摄影或成像的物体或场景的，通常使用闪光灯或 LED 灯，来帮助捕捉清晰、明亮且细节丰富的影像。
• 相机和镜头 ：CCD 相机、CMOS 相机和机器视觉专用镜头等。这些组件用于捕捉影像，提供基础数据供后续分析和处理使用。
• 图像采集卡 ：图像采集卡用来将相机的输出信号转换为数字信号，并提供与电脑的高速接口。同时可通过图像采集卡来提高影像的质量与传输速度。
• 电脑 ：在进行图像处理时，电脑通常借由 CPU、GPU 等处理器来做运算，而当需要进行深度学习的训练和推理时，则会需要更高效能的处理器。
• 图像处理软件 ：使用图像处理软件来进行图像处理，以撷取影像中的特征、进行分析和识别。
• 屏幕 ：将影像进行分析后得出的结果显示在屏幕上，也可通过使用HMI触发下一动作或机制。
• 控制系统 ：借由 COM 或 DIO 的讯号触发控制机械，如 PLC 及马达的运作。

机器视觉的应用范畴非常广泛，列举其中四种重要的应用如下：

• 工业自动化
  • 品质检测：制造业是早期使用机器视觉来优化制造流程的产业，主要使用在自动光学检测 AOI（Automated Optical Inspection）。借由相机对物体表面拍照或扫描，检测物体的色差、瑕疵等问题。
  • 视觉导航：使用在自主移动机器人 AMR（Autonomous Mobile Robot）或无人搬运车 AGV （Automated Guided Vehicle）上。机器视觉可通过相机、雷达、激光雷达等，对工作环境进行 3D 感知和识别，使机器人能够自主导航并到达目标地点。


• 安防监控
  • 人脸识别：在机器视觉辅助下，从图像或影片中侦测和识别人脸。然后比对是否为已知的人脸。这对机场和边境管制中的身份辨识，可大幅提升侦测速度和安保管理。
  • 车牌识别：在自动化车牌识别 ANPR（Automatic Number Plate Recognition）中，车牌由镜头捕捉，然后透过光学字符识别（OCR）来识别车牌号。在智能交通基础设施中，ANPR带来更加效率、便利的交通管理。
  • 异常检测：利用机器视觉影像辨识技术，自动侦测监控影像中的异常情况，如入侵、窃盗、洪水或火灾等自然灾害检测。当检测到异常事件时，系统可自动发出警报通知，协助安保人员迅速做出反应。


• 医疗影像与手术辅助
  机器视觉技术在医学影像领域，如 CT、MRI 和 X 光中可实现病灶的自动检测。利用深度学习等技术进行图像识别和特征撷取分析，可以帮助医生更快速、高精度地进行诊断和治疗。此外，机器视觉在手术辅助方面也发挥着重要作用，利用手术机器人和智能仪器等设备，以微创手术形式协助医生完成精确的定位、切割、止血和缝合等操作，克服传统手术的精确度不足、手术时间长及医生疲劳等问题。


• 自动驾驶
  机器视觉在自动驾驶技术中，为自驾车提供多种功能，如车道线识别、障碍物检测、交通标志识别以及行人和车辆检测。借由使用高分辨率相机、雷达和激光雷达等传感器，机器视觉系统能够实时捕捉周围环境的数据，并进行特征提取和图像识别等处理，使自驾车对环境有清晰的认知。如车道线识别方面通过捕捉车道线的特征并进行直线或曲线拟合处理，确保自驾车能够识别并沿着正确的车道行驶。对于障碍物检测，机器视觉将图像和传感器数据进行分析，以确定障碍物的形状、大小和距离，帮助自驾车避免碰撞。

工业电脑拥有强大的运算能力、高度的连接性和稳定性，这些特性让工业电脑在机器视觉应用中成为不可或缺的关键角色。在图像数据的实时分析中，如图像处理、特征提取和识别分类等操作，高性能的工业电脑能满足这些计算密集型任务需求。此外，工业电脑可灵活的增加内存与硬盘空间，来应对不断增长的数据存储需求。

在通讯与连接性方面，工业电脑需与多个设备（如相机、传感器等）进行通信与数据交换。多元化的 I/O 接口使工业电脑能与其他设备连接，实现设备间协同工作。而无线通信功能让工业电脑将分析结果提供给控制中心作为决策依据。工业电脑具有卓越的稳定性，其强固的优势使其能在恶劣工业环境中正常运行。这些特点使工业电脑成为机器视觉应用中理想的运算平台。

德承提供多种不同效能、扩展的嵌入式电脑解决方案，包括 GPU Computing – GOLD 和 Embedded Computing – DIAMOND 产品线，可作为机器视觉解决方案的基础。这些电脑适用于恶劣的工业环境，包括高冲击和振动、极端温度和特殊的电力保护。电脑还具有 CMI/MEC/CFM 模块化扩展设计，可客制扩展不同的 I/O 和功能。并且通过许多国际相关认证及行业认证，提供客户稳定可靠的运作。

• GOLD 系列
  • GM-1000：GM-1000 是一款紧凑高性能 GPU 电脑。支持 Intel Xeon® 工作站级 CPU 和搭载嵌入式 MXM 3.1 插槽，可安装嵌入式 MXM GPU 模块，包括 type A 及 type B 尺寸。提供多达 360 W 的系统功耗。紧凑的体积特别适合安装在机器手臂以及空间有限的环境中。
  • GP-3000：GP-3000 是一款高性能、可扩展的 GPU 电脑。搭配 Intel Xeon® 工作站级 CPU 和多达两个 250 W 全长 GPU 卡，提供高达 720W 超大总系统功耗，充分满足高规格的机器视觉需求。GP-3000 支持 GEB 扩展盒设计，通过 GEB 连接到主机以增加 GPU 处理能力和额外的 PCIe 功能扩展。额外扩展的高阶 GPU 可加速复杂的工业 AI 和机器视觉任务。


• DIAMOND 系列
  DIAMOND 旗下的嵌入式电脑也提供不同体积大小、功耗、扩展方式，让客户能根据需求选择合适的机器视觉解决方案。其中，DX-1200 搭载 Intel® 第 12 代 Alder Lake-S Core™ i CPU 和 Intel® Xe 架构的 UHD 770 显示芯片，并支持 4x 10Gbps LAN 高速网络和 8x PoE。如果需要较大的扩展性，搭载 Intel Xeon® 工作站级 CPU、可扩展的 DS-1300 系列提供至多二组 PCI/PCIe 扩展槽，可外接影像撷取卡、运动卡或 GPU 卡等。此外，并搭配有专利设计的｢可调式固定架｣（Patent No. I773359）可依据不同尺寸的扩展卡进行调整和锁固。针对空间有限的机器人或无人搬运车等移动式设备，搭配 Intel® Core™ CPU 系列的 DI-1100 和 DV-1000 是高性能又轻便的解决方案。


• 实际案例
  • 工业 X 光检测系统：X 光检测具非破坏性、高精度和高效率等特点，适用于汽车、航天、电子等工业领域的质量检测。欧洲 X 光检测设备制造商选择 DS-1302 高扩展强固型工业电脑，作为其 X 光自动化质量管理检测系统的核心平台。
  • 热成像系统检测：智能化热成像系统使用 GM-1000 结合了 AI 和深度学习演算，用于在机场、医院、工厂进行快速个人体温监测、口罩侦测、人脸辨识、以及比对行程轨迹，以预防 COVID-19 的传播。
  • 自动化轨道检测车：铁路系统工程公司将 GP-3000 安装于自动化轨道检测车上，并通过机器视觉技术的成像系统进行精准的轨道缺陷判断。并使用 GP-3000 的 GEB 扩展盒额外安装 GPU 卡和其他 RAID 卡、控制卡。GP-3000 成为此案中图像处理和检测的强大处理中枢。
  • 工厂自主移动机器人：自主移动机器人 AMR 使用 DS-1202 为其运算控制核心，搭配 GPU 卡通过机器视觉与机器手臂实现在工厂物流流程 (intralogistics) 中自动捡料下料，智能动态侦测环境，穿梭于厂内各种障碍物，将物品搬运到目标位置。