對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域中期待真正高效和低成本的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的工程師來(lái)講，不需要再繼續(xù)等待了。高性能和智能圖像感應(yīng)攝像頭、合適的光照波長(zhǎng)、更強(qiáng)的處理能力、更加智能的軟件算法以及先進(jìn)的通信接口鏈路等一系列技術(shù)進(jìn)步，最終將催生出能夠提高生產(chǎn)率水平、實(shí)現(xiàn)更高品質(zhì)和更可靠的終端產(chǎn)品的系統(tǒng)。
先進(jìn)的圖像處理算法與多核處理等新興技術(shù)的融合，再加上內(nèi)存成本的不斷下降，為視覺(jué)系統(tǒng)廣泛用于更大范圍的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)造了條件(請(qǐng)參見(jiàn)“Successes Mount In The Machine-Vision Market”一文)。這些技術(shù)進(jìn)步推進(jìn)的常見(jiàn)機(jī)器視覺(jué)任務(wù)包括通過(guò)/不通過(guò)產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)估以及精確的3D檢測(cè)。
CMOS進(jìn)軍CCD領(lǐng)域
由于CMOS成像器成本的暴跌和性能水平的不斷攀升，CMOS攝像機(jī)從電荷耦合設(shè)備(CCD)成像器中接手了更多的任務(wù)。最重要的是，這些不斷縮小的CMOS傳感器攝像頭具有更高的操作靈活性。但是，由于某些工業(yè)應(yīng)用仍然需要CCD傳感器攝像頭無(wú)與倫比的性能，因此CCD傳感器攝像頭并沒(méi)有遭到冷落。
典型的高級(jí)CCD彩色
圖像傳感器有Teledyne Dalsa公司開(kāi)發(fā)的Genie和Boa攝像頭(圖1)。Genie攝像頭采用高分辨率(1034×779像素)、120幀/s的索尼傳感器，這種傳感器可實(shí)現(xiàn)吉比特以太網(wǎng)(GigE)的數(shù)據(jù)傳輸能力，有效傳輸距離長(zhǎng)達(dá)100米。Boa攝像頭附帶的軟件可以實(shí)現(xiàn)從定位機(jī)器人處理器到完整裝配驗(yàn)證等各類(lèi)應(yīng)用的可擴(kuò)展解決方案。
圖1：Teledyne Dalsa公司開(kāi)發(fā)的高級(jí)CCD彩色圖像傳感器Genie(a)和Boa(b)攝像頭代表了兩種最新的機(jī)器視覺(jué)彩色成像器，
可用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)檢查和貨品監(jiān)控
CMOS圖像傳感器一般采用40納米工藝以及氧化鉿和氧化鉭等特殊材料，基于300mm的晶圓制成。據(jù)估計(jì)，去年
圖像傳感器的銷(xiāo)量為17億個(gè)。盡管其中一大部分都用在了消費(fèi)電子產(chǎn)品中，但這些傳感器也開(kāi)始涉足機(jī)器視覺(jué)和醫(yī)療成像等應(yīng)用領(lǐng)域。
據(jù)加拿大Chipworks公司工藝分析師Ray Fontaine表示，CMOS傳感器領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了非常多的創(chuàng)新。他指出，雖然CMOS圖像傳感器一般都需要每個(gè)像素四個(gè)晶體管，但是新的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了大幅的縮減。事實(shí)上，索尼公司(Sony)現(xiàn)在采用的晶體管共享方案可以將每個(gè)像素的晶體管總數(shù)降至1.375。
德國(guó)弗勞恩霍夫微電子電路和系統(tǒng)研究所(IMS)就是CMOS圖像傳感器性能取得巨大進(jìn)步的一個(gè)例子。研究人員采用0.5μm像素開(kāi)發(fā)了一款溫度范圍為–40°C至115°C 的CMOS圖像傳感器，從而使其可用于嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境(圖2)。CCD成像器的工作溫度范圍的上限約為60°C。
圖2：CMOS圖像傳感器能夠工作在–40°C至115°C 的溫度范圍，從而可適應(yīng)嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境
“開(kāi)發(fā)可在高溫下工作的攝像頭的主要問(wèn)題在于暗電流的增加，”IMS光學(xué)傳感器系統(tǒng)部領(lǐng)導(dǎo)兼項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Werner Brockherde表示。工作溫度上升8°C，暗電流就會(huì)翻倍，這會(huì)增大電子噪聲，降低攝像頭的動(dòng)態(tài)范圍，影響在低光照環(huán)境下記錄圖像的能力。此外，產(chǎn)生的贗像或模糊還會(huì)降低圖像品質(zhì)。
應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵在于隱藏每個(gè)像素的光電二極管，在p-n結(jié)頂部將兩個(gè)p-n結(jié)堆疊在一起。這樣，由于p-n結(jié)不在表面，研究人員就可以避免表面復(fù)合問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題是產(chǎn)生暗電流的最大因素。
如今，微型CMOS圖像傳感器攝像頭在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中獲得了廣泛的應(yīng)用，有些已經(jīng)超越了工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。例如，Basler Vision Technologies公司的五百萬(wàn)像素?cái)z像頭尺寸僅29×29×42mm，具有GigE和以太網(wǎng)供電(PoE)接口(圖3)。
圖3：Basler Vision Technologies公司的微型Ace系列CMOS攝像頭尺寸僅29×29×42mm，
支持GigE和以太網(wǎng)供電(PoE)接口。
該公司表示，這是具有PoE通信能力的同類(lèi)GigE攝像頭中尺寸最小的一個(gè)產(chǎn)品。分辨率范圍為VGA到100幀/s的幀速率下五百萬(wàn)像素(全分辨率下幀速率為14幀/s)。這種攝像頭最近已獲準(zhǔn)用于多種醫(yī)療和交通系統(tǒng)，標(biāo)價(jià)為349歐元。
3D視覺(jué)
三維攝像頭技術(shù)可以在生產(chǎn)期間測(cè)量物體的形狀和色彩，這有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。增加色彩功能進(jìn)一步增加了質(zhì)量和成本控制優(yōu)勢(shì)。
3D機(jī)器視覺(jué)一般用于水果和蔬菜、木材、化妝品、烘焙食品、電子組件和醫(yī)藥產(chǎn)品的評(píng)級(jí)。它可以提高合格產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，在生產(chǎn)過(guò)程的早期就報(bào)廢劣質(zhì)產(chǎn)品，從而減少了浪費(fèi)。這種功能非常適合用于高度、形狀、數(shù)量甚至色彩等產(chǎn)品屬性的成像。
就像人眼一樣，機(jī)器視覺(jué)攝像頭所感知的待查產(chǎn)品色彩是有差別的，這取決于照明光源和圖像傳感器類(lèi)型(及其鏡頭)。大多數(shù)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)都提供灰度級(jí)產(chǎn)品圖像分析。不過(guò)，在某些情況下，彩色機(jī)器視覺(jué)軟件需要精確地檢測(cè)產(chǎn)品圖像的形狀和輪廓。
大多數(shù)彩色攝像頭都由單個(gè)采用彩色
濾波器陣列或馬賽克的傳感器組成。這種馬賽克一般由以特定模式覆蓋在傳感器像素上的紅、藍(lán)、綠(RGB)三色的光學(xué)濾波器組成。然后馬賽克通過(guò)將原始傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成每個(gè)像素的RGB值進(jìn)行解碼。
更高速度和更高性能的微處理器的出現(xiàn)催生了各種新型機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用?，F(xiàn)在，機(jī)器視覺(jué)設(shè)計(jì)人員正專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)各種用于實(shí)現(xiàn)比色法、更好的色度和亮度分解以及彩色馬賽克解碼的獨(dú)立于硬件的算法。
同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，除了Advanced Micro Devices和英特爾公司的傳統(tǒng)CPU之外，還有更多的硅處理引擎可供選擇。ASIC、DSP、FPGA和圖形處理單元(GPU)可以為設(shè)計(jì)人員提供更多軟件算法開(kāi)發(fā)工具。
Matrox Imaging公司的GatorEye GigE視覺(jué)攝像頭就是目前市場(chǎng)上的一款3D CCD彩色成像器(圖4)。由于具有堅(jiān)固、防塵和可洗的外殼，這種達(dá)到IP67級(jí)別的工業(yè)攝像頭旨在用于非常嚴(yán)苛的環(huán)境。
圖4：Pleora Technoligies GigE視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)門(mén)針對(duì)實(shí)時(shí)切換的視頻網(wǎng)絡(luò)，支持高達(dá)10Gbps的吞吐量。
來(lái)自不同供應(yīng)商的基于以太網(wǎng)的視覺(jué)產(chǎn)品能夠無(wú)縫組合，從而避免了時(shí)間的浪費(fèi)和昂貴的集成問(wèn)題。
GatorEye攝像頭具有激光線提取功能：只有圖形的激光線被提取到子像素精度，從而產(chǎn)生相應(yīng)的位置深度/高度陣列。該激光線隨后被發(fā)送到GigE鏈路，以減輕接口的負(fù)載，從而使得控制PC專(zhuān)注于處理待檢產(chǎn)品的測(cè)量和分析任務(wù)。
該攝像頭針對(duì)特定分辨率、幀速率和格式要求設(shè)計(jì)了六種傳感器配置，提供單色或彩色版本。這些配置包括640×480像素、110幀/s、1/3英寸格式；1280×960像素、22.5幀/s、1/3英寸格式；以及1600×1200像素、15幀/s、1/1.8英寸格式。
至于連接外部設(shè)備的能力，GatorEye攝像頭可連接光耦合觸發(fā)輸入、選通輸出、八種通用輸入/輸出(GPIO)以及用于直接驅(qū)動(dòng)LED照明源的控制電流源。此攝像頭采用工業(yè)環(huán)境普遍采用的12至24V直流電源或者PoE電源，采用PoE電源時(shí)，電源和以太網(wǎng)流共用一根電纜。
Matrox公司還提供彩色圖像分析軟件。例如，Matrox Design Assistant就是一款綁定了該公司的Iris GT等智能攝像頭的集成式開(kāi)發(fā)環(huán)境。用戶(hù)可以通過(guò)構(gòu)建流程圖，而不是采用Visual Basic、C、C++或C#等語(yǔ)言編寫(xiě)程序或腳本來(lái)創(chuàng)建機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用。
開(kāi)發(fā)工作一旦完成，項(xiàng)目(或流程圖)就會(huì)被上傳并存儲(chǔ)在Matrox Iris GT的本地位置。然后項(xiàng)目就可以在智能攝像頭上執(zhí)行，而不需要任何PC。事實(shí)上，在這種情況下，項(xiàng)目是采用可編程邏輯控制器(PLC)通過(guò)以太網(wǎng)鏈路進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的。
更亮的光源
氣體放電光源由于具有相對(duì)平坦的光譜而主導(dǎo)了機(jī)器視覺(jué)照明市場(chǎng)。不過(guò)，由于增強(qiáng)的LED光源具有更亮的輸出、更長(zhǎng)的壽命和更加適中的價(jià)格，這種格局正在發(fā)生變化。此外，針對(duì)LED的輸出波長(zhǎng)的一致性和統(tǒng)一性也正在提升，這是機(jī)器視覺(jué)方案成功的關(guān)鍵問(wèn)題。
機(jī)器視覺(jué)光源廠商也專(zhuān)注于LED光源。他們正在開(kāi)發(fā)針對(duì)不同用戶(hù)階層的光學(xué)裝置，這種光學(xué)裝置不僅包含成套組件，還包含光源的擴(kuò)散器和偏光器，可以最好地滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。
LED驅(qū)動(dòng)器越來(lái)越智能是機(jī)器視覺(jué)照明向LED領(lǐng)域發(fā)展的另一個(gè)推動(dòng)力，有些LED驅(qū)動(dòng)器已與圖像傳感器集成到同一個(gè)芯片中。智能的日益增長(zhǎng)使光源能夠提供更加精確的光強(qiáng)度控制，并推動(dòng)LED用于頻閃燈應(yīng)用，從而獲得更長(zhǎng)的LED壽命。
選擇合適的接口
攝像頭技術(shù)的不斷提升以及為支持高速和高精度工業(yè)檢測(cè)而產(chǎn)生的對(duì)更高帶寬的需求給連接攝像頭與控制電腦的接口帶來(lái)了越來(lái)越大的壓力。過(guò)去十年來(lái)，CameraLink和GigE這兩種接口標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有效地滿(mǎn)足了這些需求。IEEE 1394B標(biāo)準(zhǔn)也是如此，不過(guò)這種標(biāo)準(zhǔn)具有復(fù)雜的布線要求，并且傳輸距離只有幾米。現(xiàn)在，10GigE、CameraLink HS和USB 3.0等新興接口標(biāo)準(zhǔn)有望取而代之(請(qǐng)參見(jiàn)表)。
Pleora Technologies公司的GigE Vision標(biāo)準(zhǔn)已證明該標(biāo)準(zhǔn)可滿(mǎn)足目前的實(shí)時(shí)交換視頻網(wǎng)絡(luò)要求，且支持高達(dá)10Gbps的吞吐能力(圖5)。GigE Vision標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)不同供應(yīng)商的以太網(wǎng)視覺(jué)產(chǎn)品的無(wú)縫集成，可避免任何潛在的集成問(wèn)題。
該標(biāo)準(zhǔn)可以更加方便地利用以太網(wǎng)平臺(tái)固有的性能屬性，比如網(wǎng)絡(luò)靈活性、可擴(kuò)展性、高吞吐能力、長(zhǎng)距離傳輸能力和全雙工專(zhuān)用連接。該標(biāo)準(zhǔn)還可以更加輕松地在廣泛使用的價(jià)格適中的以太網(wǎng)單元上實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用，這些以太網(wǎng)單元包括交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口芯片/卡以及Cat-5/6或光纖線纜等。此外，其標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)交換架構(gòu)的新一代網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用。
除了接口電路之外，大多數(shù)現(xiàn)代機(jī)器視覺(jué)數(shù)字?jǐn)z像頭還內(nèi)置了真正的圖像采集卡板——這種裝置一般是插在主機(jī)電腦的插槽中。圖像采集卡一般接受和處理來(lái)自模擬或數(shù)字?jǐn)z像頭的攝像頭圖像信號(hào)。它們一般都附帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器(對(duì)于模擬攝像頭而言)、緩沖存儲(chǔ)器和接口電路，主機(jī)處理器可以通過(guò)接口電路來(lái)控制數(shù)據(jù)采集和訪問(wèn)。
隨著越來(lái)越多的攝像頭開(kāi)始走數(shù)字路線，圖像采集卡板的概念也開(kāi)始日益模糊，這意味著采集和處理電路可以集成到圖像傳感器所在的外殼中。許多機(jī)器視頻專(zhuān)家表示，采用CameraLink和10GigE等更高速率的接口鏈路將對(duì)圖像采集卡板市場(chǎng)產(chǎn)生不利影響。這些專(zhuān)家質(zhì)疑圖像采集卡是否能以其目前的形式和功能繼續(xù)存在。
不過(guò)其他機(jī)器視覺(jué)專(zhuān)家不同意這種觀點(diǎn)，他們指出，模擬攝像頭市場(chǎng)仍然存在這種需求。因此只要這種需求繼續(xù)存在，圖像采集卡就會(huì)繼續(xù)提供有用的功能。此外，隨著攝像頭開(kāi)始向數(shù)字領(lǐng)域演進(jìn)，圖像采集卡產(chǎn)品也正在順應(yīng)時(shí)勢(shì)，提供更專(zhuān)業(yè)的功能。這些功能包括緩沖、控制、處理、帶寬和確定性。這些專(zhuān)家普遍感覺(jué)到，由于工作效率高和易于理解，許多OEM仍在繼續(xù)采用基于過(guò)去技術(shù)的圖像采集卡。
應(yīng)該指出的是，GigE、IEEE 1394和USB 2.0等一些不需要圖像采集卡的接口標(biāo)準(zhǔn)存在著固有的局限性。雖然這些標(biāo)準(zhǔn)是網(wǎng)絡(luò)兼容或者總線兼容的標(biāo)準(zhǔn)，允許多個(gè)機(jī)器視覺(jué)攝像頭連接至同一個(gè)接口，但是必須采用適當(dāng)?shù)拇_定機(jī)制，以便攝像頭能夠共用同一個(gè)總線，避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突。
這意味著人為地產(chǎn)生了延遲或不可預(yù)測(cè)性，而這可能是一些應(yīng)用無(wú)法接受的。單從這一個(gè)原因來(lái)看，圖像采集卡也會(huì)與機(jī)器視覺(jué)攝像頭和接口的技術(shù)進(jìn)步繼續(xù)共存下去。以此類(lèi)推，新型圖像采集卡也正在緊跟機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展步伐，以便更好地滿(mǎn)足機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的需求。
比利時(shí)Euresys A.B.公司的GrabLink系列就是這樣一個(gè)例子(圖6)。該系列的版本包括GrabLink Base、Grab-Link Dual Base和GrabLink Full，分別適用于基本幀、中等幀和全幀CameraLink接口。這些圖像采集卡可以提供板上處理能力，比如三個(gè)查找表操作器和Bayer CFA解碼器。此外，其廣泛的I/O線路可與各種傳感器和
編碼器兼容。
GrabLink Full板支持另外兩個(gè)版本。它支持10-tap CCD攝像頭，提供64位處理能力的四通道PCI Express總線。該板針對(duì)用于打印、網(wǎng)絡(luò)和平板顯示檢測(cè)以及3D和生產(chǎn)檢測(cè)等應(yīng)用的高端、高速和高分辨率的面掃描和線掃描傳感器。
機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)正在走向成功
MarketsandMarkets公司發(fā)表的一篇標(biāo)題為“2010-2015年的全球機(jī)器視覺(jué)和視覺(jué)導(dǎo)引機(jī)器人市場(chǎng)”的新報(bào)告預(yù)計(jì)，全球機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)和元器件市場(chǎng)將以9.3%的年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)增長(zhǎng)(見(jiàn)圖)，到2015年市場(chǎng)總額將達(dá)到153億美元。攝像頭和智能攝像頭元器件將占這種增長(zhǎng)的四分之一以上。該報(bào)告稱(chēng)，亞太地區(qū)以?xún)晌粩?shù)的增長(zhǎng)主導(dǎo)全球機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)，北美地區(qū)則緊隨其后。
自動(dòng)化成像協(xié)會(huì)(AIA，全球唯一的全球機(jī)器視覺(jué)貿(mào)易組織)進(jìn)行的一項(xiàng)研究與上述預(yù)估意見(jiàn)一致。該研究指出，機(jī)器視覺(jué)銷(xiāo)量的增長(zhǎng)率應(yīng)為2.6%至4.6%，具體取決于目前的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇情況和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的變化率。這種增長(zhǎng)是繼2009年出現(xiàn)29.2%的下降之后發(fā)生的，這種下降更多地體現(xiàn)的是最近“大衰退”所產(chǎn)生的后果。
由于今年一月頒布了食品安全現(xiàn)代化法案，對(duì)更多機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的需求將出現(xiàn)更加火爆的增長(zhǎng)。該法案要求食品加工行業(yè)(無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是海外食品供應(yīng)商)應(yīng)該具有更高級(jí)別的產(chǎn)品可追溯性，這最終將有助于提高公眾健康水平。
該法案的規(guī)定包括根據(jù)要求向美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)提供更多訪問(wèn)食品加工設(shè)備相關(guān)記錄的權(quán)力。其目的在于提高食品來(lái)源的跟蹤力度，而公眾健康問(wèn)題正是由問(wèn)題食品引起的。美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局將在加工行業(yè)的配合下，開(kāi)發(fā)出有效跟蹤和追蹤水果和蔬菜的新方法，從而確保任何有問(wèn)題的產(chǎn)品都可以安全及時(shí)地找出。機(jī)器視覺(jué)軟件將在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
