“機(jī)器視覺(jué)”助力我國(guó)走向“工業(yè)4.0”

從產(chǎn)品缺陷檢測(cè)、二維碼辨識(shí)、建立生產(chǎn)履歷到引導(dǎo)機(jī)器手臂執(zhí)行任務(wù)，機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)張，而且在生產(chǎn)線(xiàn)上的表現(xiàn)可圈可點(diǎn)。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)不僅節(jié)省了大量人力，更創(chuàng)造出許多人類(lèi)作業(yè)員無(wú)法帶來(lái)的價(jià)值。

機(jī)器視覺(jué)可說(shuō)是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的靈魂之窗，從物件/條碼辨識(shí)、產(chǎn)品檢測(cè)、外觀尺寸量測(cè)到機(jī)械手臂/傳動(dòng)設(shè)備定位，都是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以發(fā)揮的舞臺(tái)。而為了因應(yīng)層出不窮的新應(yīng)用需求，工業(yè)相機(jī)的設(shè)計(jì)也出現(xiàn)新的發(fā)展方向。

隨著應(yīng)用范疇越來(lái)越廣，為了增加應(yīng)用彈性或與工業(yè)電腦攜手組成更復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)，工業(yè)相機(jī)的規(guī)格發(fā)展趨勢(shì)正逐漸朝個(gè)人電腦靠攏，部分產(chǎn)品甚至已演化成一臺(tái)麻雀雖小，五臟俱全的迷你工業(yè)電腦。

由于CPU效能、視覺(jué)演算法與硬體成本不斷改善，機(jī)器視覺(jué)在工廠(chǎng)的應(yīng)用變得越來(lái)越普及，同時(shí)也為制造業(yè)者帶來(lái)降低成本、提升品質(zhì)與生產(chǎn)效率等效益。跟人眼相比，機(jī)器視覺(jué)有檢測(cè)速度快、把關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不受到人的主觀影響等優(yōu)勢(shì)，而且機(jī)器視覺(jué)的解析度遠(yuǎn)高于人眼，在檢測(cè)細(xì)微零件或電路時(shí)，比人眼更能明察秋毫。上述優(yōu)勢(shì)使得機(jī)器視覺(jué)近年來(lái)在科技制造業(yè)與傳統(tǒng)制造業(yè)都大受歡迎。

機(jī)器視覺(jué)在生產(chǎn)制造上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，工業(yè)相機(jī)這類(lèi)產(chǎn)品也出現(xiàn)新的發(fā)展方向。由于不同應(yīng)用對(duì)機(jī)器視覺(jué)的性能跟功能配置有很大的差異，因此機(jī)器視覺(jué)大致上可區(qū)分成可配置型系統(tǒng)、嵌入型系統(tǒng)與智慧相機(jī)型三大類(lèi)。但不論是哪種機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，除了少數(shù)特殊應(yīng)用外，其所使用的工業(yè)相機(jī)都越來(lái)越向個(gè)人電腦靠攏，甚至智慧相機(jī)本質(zhì)上就是一臺(tái)內(nèi)建CPU、記憶體，可以執(zhí)行各種視覺(jué)演算法的工業(yè)電腦。

除了需要逐行掃描(例如面板檢測(cè))或非常高速的應(yīng)用仍使用配備Camera Link介面的工業(yè)相機(jī)外，目前大多數(shù)工業(yè)相機(jī)都采用GbE介面，除了成本低廉外，容易與工業(yè)電腦介接，組成龐大復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)也是其一大優(yōu)勢(shì)。搭載USB 3.0的工業(yè)相機(jī)也因?yàn)橥瑯拥睦碛?，而在市?chǎng)上越來(lái)越受到歡迎。

至于智慧相機(jī)，本質(zhì)上已經(jīng)是一臺(tái)迷你型工業(yè)電腦。以凌華的Neon工業(yè)相機(jī)為例，除了光學(xué)、影像感測(cè)器、數(shù)位訊號(hào)處理器等相機(jī)的元素外，該相機(jī)還搭載四核心Atom處理器，可以直接在相機(jī)上執(zhí)行各種視覺(jué)演算法。這種智慧相機(jī)具備體積小、部署簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，適合用在小規(guī)模自動(dòng)化系統(tǒng)，或是與機(jī)器手臂結(jié)合，引導(dǎo)機(jī)器手臂作業(yè)。

值得注意的是，除了硬體設(shè)計(jì)越來(lái)越向PC靠攏外，未來(lái)工業(yè)相機(jī)的軟體也會(huì)像PC，變得越來(lái)越開(kāi)放，因?yàn)橹鞔蜷_(kāi)放性的GENiCAM中介層(Middleware)越來(lái)越獲得工業(yè)相機(jī)用戶(hù)青睞。

GENiCAM可以說(shuō)是工業(yè)相機(jī)發(fā)展的重大轉(zhuǎn)捩點(diǎn)，在這個(gè)開(kāi)放的中介層出現(xiàn)之前，每家工業(yè)相機(jī)制造商都使用自己的封閉軟體平臺(tái)，如果用戶(hù)要改用其他工業(yè)相機(jī)制造商的產(chǎn)品，原本已經(jīng)寫(xiě)好的應(yīng)用程式就得從頭寫(xiě)過(guò)，轉(zhuǎn)換成本極高。有了GENiCAM之后，雖然轉(zhuǎn)換供應(yīng)商還是需要改寫(xiě)應(yīng)用程式，但修改幅度已大幅降低。

專(zhuān)用軟體算法加持二維碼讀取難不倒

除了更開(kāi)放之外，機(jī)器視覺(jué)軟體近年來(lái)性能的進(jìn)化也不容小覷?？的鸵?Cognex)臺(tái)灣區(qū)總經(jīng)理方瑞應(yīng)表示，為了提升產(chǎn)品制造過(guò)程的自動(dòng)化程度，或是搜集完整的生產(chǎn)履歷資料，制造業(yè)導(dǎo)入工業(yè)二維碼的風(fēng)氣已經(jīng)成形。

不過(guò)，要在生產(chǎn)線(xiàn)上穩(wěn)定而快速地讀出正確的二維碼，其實(shí)是相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。例如二維碼標(biāo)簽本身已經(jīng)破損、被其他物件遮住一部分，或標(biāo)簽印得模糊不清等狀況，都是很常見(jiàn)的問(wèn)題。目前最先進(jìn)的二維碼辨識(shí)演算法已經(jīng)有能力克服上述問(wèn)題，即便是在二維碼本身有部分破損或被其他物件遮擋的情況下，還是可以正確解譯。

針對(duì)電子業(yè)應(yīng)用的二維碼，還有一個(gè)其他產(chǎn)業(yè)比較少遇到的難題：微型化的二維碼。舉例來(lái)說(shuō)，某家手機(jī)品牌大廠(chǎng)便已經(jīng)在其手機(jī)所使用的零組件上，利用雷射、蝕刻等種種方法，將二維碼直接打在元件上。如此一來(lái)，在手機(jī)的組裝制造過(guò)程中，每一個(gè)步驟都能留下紀(jì)錄，不僅有助于提升產(chǎn)品良率，萬(wàn)一手機(jī)發(fā)生故障，也很容易追溯到生產(chǎn)源頭。

不過(guò)，由于手機(jī)零件本身已經(jīng)非常微小，能留給二維碼標(biāo)示的面積非常有限，因此這種二維碼的長(zhǎng)寬往往只有數(shù)毫米，甚至常比米粒還小，因而對(duì)機(jī)器視覺(jué)算法的可靠度與性能構(gòu)成相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

為了解決在生產(chǎn)線(xiàn)上讀取二維碼時(shí)所遇到的各種挑戰(zhàn)，康耐視耗費(fèi)多年時(shí)間，研發(fā)出在條碼缺損、部分遮蔽的情況下，也能輕松讀取的PowerGrid讀碼演算法。這項(xiàng)特性也讓該公司的演算法可以準(zhǔn)確讀取超小型二維碼。舉例來(lái)說(shuō)，因?yàn)镻owerGrid演算法即便是在二維碼標(biāo)簽?有靜音區(qū)、時(shí)鐘圖案、定位圖案的情況下也能順利讀取，因此廠(chǎng)商在元件上打印標(biāo)簽時(shí)，便可以省下非?？捎^的空間。

視覺(jué)功能加持機(jī)器手臂應(yīng)用更靈活

機(jī)器手臂是工業(yè)自動(dòng)化的象征，過(guò)去在某些制造業(yè)已經(jīng)大量普及，例如汽車(chē)產(chǎn)業(yè)。工業(yè)4.0將是機(jī)器手臂應(yīng)用大舉擴(kuò)張到其他制造業(yè)的契機(jī)，但在此之前，機(jī)器手臂業(yè)者必須先設(shè)法推出具備高部署彈性，適合各種產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的機(jī)器手臂解決方案，并且要設(shè)法壓低導(dǎo)入的門(mén)檻。

愛(ài)普生(Epson)機(jī)器手臂自動(dòng)化營(yíng)業(yè)部解決方案服務(wù)處經(jīng)理陳建仲表示，中長(zhǎng)期來(lái)看，機(jī)器手臂不會(huì)一直停留在取代勞力的階段，而是會(huì)朝執(zhí)行人類(lèi)無(wú)法勝任的工作發(fā)展。因此，機(jī)器手臂必然要搭配各種感測(cè)功能，并且視當(dāng)下的條件處理所遇到的問(wèn)題。因此，機(jī)器手臂搭配機(jī)器視覺(jué)與力覺(jué)感測(cè)等各種感測(cè)功能，將是必然趨勢(shì)。

有鑒于此，愛(ài)普生除了提供多種小型、高精度機(jī)器手臂外，同時(shí)也發(fā)展自己的智慧視覺(jué)與力覺(jué)感測(cè)技術(shù)，以便為客戶(hù)提供完整的原廠(chǎng)解決方案，降低導(dǎo)入障礙。事實(shí)上，機(jī)器視覺(jué)是實(shí)現(xiàn)手臂校正非常重要的工具，以愛(ài)普生的方案為例，藉由機(jī)器視覺(jué)輔助，手臂的工具座標(biāo)設(shè)定時(shí)間可以縮減80%，而且任何人都可以獨(dú)力完成。在遇到生產(chǎn)線(xiàn)調(diào)整、產(chǎn)品換線(xiàn)時(shí)，此特性可以創(chuàng)造很大的價(jià)值。