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机器视觉技术再进化
 

【作者: 王明德】2015年11月16日 星期一

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机器视觉系统集光学、电子、机械及电脑资讯技术整合的科技,它的应用层面包罗万象,近来科技的发展所产生的机器视觉系统不断推陈出新,在一切要求自动化的前提之下,机器视觉加上影像处理系统已经在许多工厂自动化量测方面扮演着重要的角色。


在影像撷取、数位化影像处理系统里,必须考虑的因素包括有光源、镜头、CCD相机、电脑、界面卡及影像处理应用软体等,每一部份都影响到了影像品质及检测品管资料。


机器视觉在产线检测中是极重要的一环,近年来在摄影机解析度逐渐提高,影像需求亦更加复杂的情况下,从摄影机解析度到后端分析系统的传输介面需求,也跟着受到重视。


图一
图一

德商兆镁新(IMAGINESOURCE)技术专案经理曾庆国指出,机器视觉主要应用于制程上,对解析度的要求相当高,过去所采用的影像感测器以CCD为主,不过近年来CMOS 影像感测器的解析度快速提升,已然跃居机器视觉主流,各大影像感测器厂商的CCD出货量逐渐减少,龙头厂商Sony已决定从2017年起逐步CCD,专注于CMOS感测器研发。


与CCD相较,CMOS的优势在于成本低,耗电需求少,容易制造生产,早期因杂讯难以控制,只用于低价产品;近年来因新技术导入,CMOS的成像效果已逐步跟上甚至超越CCD,目前CCD在天文、低光度、动态摄影等领域仍有其优势,不过在制程检测,已为CMOS取代。


与其他厂商相较,曾庆国指出兆镁新台湾市场的优势在于设有组装厂,可就近提供弹性服务,其产品则强调高性价比,他表示,这几年机器视觉市场有走进价格战的趋势,产品品质是兆镁新维持市场竞争力的主因,他表示产品品质除了硬体层面德产品稳定度外,专案的服务能力与后续供货的稳定,也都属于品质的一部分,兆镁新在这部份市场口碑相当不错。


除了影像处理技术外,摄影机的机构设计也会因制程需求而有不同,美商邦纳(Banner)杨志强指出,机器视觉属于制程中的一环,因此会有与制程设备整合的需求,目前的设计可分为分离式与单机式,分离式主要是因应狭窄空间的制程环境,减少摄影机外壳所占的体积与可能影响的视角。


单机式则是带有外壳包覆的摄影机,这类摄影机又分为智慧摄影机(Smart Camera)与一般摄影机,两者的主要差异在于智慧摄影机内建了处理器,摄影机撷取画面后,可先进行一定程度的影像处理,邦纳的机器视觉就属于智慧摄影机,以其产品为例,该公司的智慧摄影机控制器有支援多种目前机器视觉的通讯协定,包括串列式的RS-232、Ethernet均有,至于在外观设计,也会针对不同制程采用不同材质,例如制药、食品产业,常须清洗制造系统,因此邦纳所提供机器视觉摄影机为不锈钢外壳,防水等级达到IP68。


GigE Vision成通讯介面王者


至于通讯传输介面,传统来说,摄影机传输的介面中,类比式与IEEE 1394向来是两大应用技术;但自从挟着乙太网路为基础的GigE Vision问世后,市场上似乎有开始重新洗牌。


GigE Vision刚问世时,德商Basler就指出GigE Vision的确有相当的竞争力。 Basler在各项技术上均有完整产品线,从这几年的趋势来看,GigE Vision在介面的整合上,的确也更受到使用者的青睐;由于GigE Vision以乙太网路技术为其主要优势,因此相对其他技术,GigE Vision与后端PC相容性高,在讲求高度整合的自动化系统中,以乙太网路做为介面传递,直接整合感测、控制及管理层面,GigE Vision的优势相当明显。


目前GigE Vision介面已成为市场主流,Basler认为,在视觉主力仍放在类比的日本及亚洲市场;加上Basler以GigE Vision标准推出的Ace系列,执行高质低价的市场策略,现在的低价市场已造成大幅冲击。


过去GigE Vision刚问世时,市场仍有疑虑,虽然GigE Vision可直接架构于乙太网路介面传输,对厂商而言较为方便,但用于工业场域是否适宜,仍然还需要验证;此外,目前像是USB及HDMI等传输介面,当时也均已导入机器视觉装置,因此是否要押宝在GigE Vision,厂商仍有疑虑。


当初会形成IEEE 1394与GigE Vision的拉锯,主要原因在于这两种技术的能力虽几乎不分轩轾,但两者仍然有些缺陷必须克服,IEEE 1394与GigE Vision的传输速率其实差异不大,如果真的要快速传输高解析度的影像,业者多会选择类似Camera Link等介面,至于优势分析,由于IEEE 1394的传输距离仅有10公尺左右,对于长距离的传输,就比不上GigE Vision;而GigE Vision除了乙太网路介面的稳定与安全性遭到挑战外,另外由于GigE Vision的传输协定中,必须透过CPU搬运资讯,对于CPU的负载有很重的影响,尤其在高解析度的大量资料传输时,GigE Vision的困境就更加倍凸显。


周边技术精进


相较于GigE Vision,IEEE 1394本身设计定位就是用于高速传输,抓影像时完全不动到CPU,CPU纯粹进行影像分析,对其负担当然较低,加上高解析度摄影机产品的发展,对于传输系统及后端分析的负担亦更加沉重,这对于要求快与准的机器视觉技术,的确是需要努力的地方,不过这个问题,随着周边技术的进化,逐步获得解决,部分厂商在影像撷取技术中导入FPGA,透过FPGA直接分担CPU分析的功能,自动化大厂NI就在影像撷取卡上导入这种技术,让影像分析可以更为快速,此外,NI亦导入其软体系统LabVIEW,可直接对FPGA规划设定,不必透过VHDL,对使用者来说,应用将会更为平民化。


传输介面各有优缺点,因此考量使用模式采用介面,是较佳的选择方式,以可支援大多数程式语言的CCD来看,在近距离传输资讯进行分析时,当然以IEEE 1394为首选;而需要远距监控甚或跨国工厂规画的,GigE Vision则不可或缺;至于近期也被关注的USB3.0,则是多运用在生产线上较低成本的模式为大宗,但无可否认,GigE Vision目前的性价比、应用模式,都高出USB3.0许多,就中短期来看,多数厂商都认为GigE Vision仍将是市场的主流。


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