嵌入式視覺(jué)系統給制造業(yè)帶來(lái)的好處

長(cháng)期以來(lái)用于系統中，以通過(guò)取代傳統上的人工檢查來(lái)提高生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量。從拾取和放置、對象跟蹤到計量、缺陷檢測等應用，利用視覺(jué)數據可以通過(guò)提供簡(jiǎn)單的通過(guò)失敗信息或閉環(huán)控制回路，來(lái)提高整個(gè)系統的性能。

視覺(jué)的使用并不僅僅在工業(yè)領(lǐng)域;我們也看到了相機在日常生活中的大量應用，例如用于計算機、移動(dòng)設備，特別是在汽車(chē)中。攝像頭僅僅是在幾年前才被引入到汽車(chē)中，但是現在汽車(chē)中已經(jīng)配備了大量攝像頭，以為駕駛員提供完整的360°車(chē)輛視圖。

但是談到機器視覺(jué)領(lǐng)域的最大技術(shù)進(jìn)步，可能一直是處理能力。隨著(zhù)處理器性能每?jì)赡攴环?，以及對多核CPU、GPU和FPGA等并行處理技術(shù)的持續關(guān)注，視覺(jué)系統設計人員現在可以將高度復雜的算法應用于視覺(jué)數據，并創(chuàng )建更智能的系統。

處理技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了新機會(huì )，而不僅僅是更智能或更強大的算法。讓我們看看為制造機器增加視覺(jué)功能的應用案例。這些系統傳統上設計為形成協(xié)作分布式系統的智能子系統網(wǎng)絡(luò )，該系統允許模塊化設計(見(jiàn)圖1)。

圖1：智能子系統網(wǎng)絡(luò )，其設計為構成協(xié)作分布式。該系統允許模塊化設計，但采用這種以硬件為中心的方法可能導致性能瓶頸。

然而，隨著(zhù)系統性能的提高，采用這種以硬件為中心的方法可能遇到困難，因為這些系統通常采用時(shí)間關(guān)鍵和非時(shí)間關(guān)鍵協(xié)議的混合來(lái)聯(lián)接。通過(guò)各種通信協(xié)議將這些不同的系統聯(lián)接在一起，會(huì )導致延遲、確定性和吞吐量方面出現瓶頸。

例如，如果設計者試圖利用這種分布式架構開(kāi)發(fā)應用，并且必須在視覺(jué)和運動(dòng)系統之間保持緊密集成，例如在視覺(jué)伺服中所需要的，那么可能遇到由于缺乏處理能力而帶來(lái)的主要性能挑戰。此外，由于每個(gè)子系統都具有自己的控制器，這實(shí)際上會(huì )降低處理效率。

最后，由于這種以硬件為中心的分布式方法，設計人員不得不使用不同的設計工具來(lái)設計視覺(jué)系統中每個(gè)子系統的特定視覺(jué)軟件，以及用于運動(dòng)系統的運動(dòng)專(zhuān)用軟件等。這對于規模較小的設計團隊而言尤其具有挑戰性，因為一個(gè)小團隊甚至是一名工程師，需要負責設計中的許多部分。

幸運的是，有更好的方法為先進(jìn)的機器和設備設計這些系統，這是一種簡(jiǎn)化復雜性、提高集成度、降低風(fēng)險和縮短上市時(shí)間的方法。如果我們將思維從以硬件為中心轉向以軟件為中心的設計方法，結果會(huì )怎么樣(見(jiàn)圖2)?如果我們使用能用單一設計工具實(shí)現不同任務(wù)的編程工具，那么設計人員就可以在他們的軟件中反映機械系統的模塊性。

圖2：以軟件為中心的設計方法，允許設計人員通過(guò)在單個(gè)強大的中整合不同的自動(dòng)化任務(wù)(包括視覺(jué)檢查、、I/O和HMI)來(lái)簡(jiǎn)化控制系統結構。

這允許設計人員通過(guò)在單個(gè)強大的嵌入式系統(見(jiàn)圖3)中整合不同的自動(dòng)化任務(wù)(包括視覺(jué)檢查、運動(dòng)控制、I/O和HMI)來(lái)簡(jiǎn)化控制系統結構。這消除了子系統通信的挑戰，因為現在所有子系統都在單個(gè)控制器上的相同軟件堆棧中運行。 高性能嵌入式視覺(jué)系統是這種集中式控制器的最佳候選者，因為這些設備中已經(jīng)內置了這些功能。

圖3：將處理器與FPGA和I/O結合在一起的異構架構，不僅是設計高性能視覺(jué)系統、也是集成運動(dòng)控制、HMI和I/O的理想解決方案。

讓我們來(lái)看看這種集中式處理架構的一些好處。以視覺(jué)引導運動(dòng)應用為例，例如柔性饋送，其中視覺(jué)系統為運動(dòng)系統提供引導功能。這里，零件的位置和取向都是隨機的。在任務(wù)開(kāi)始時(shí)，視覺(jué)系統拍攝零件的圖像以確定其位置和取向，并將該信息提供給運動(dòng)系統。

然后，運動(dòng)系統根據圖像坐標將致動(dòng)器移動(dòng)到零件所處的位置，并拾起它。它也可以使用此信息在放置零件之前校正方向。通過(guò)這種方法，設計者可以消除先前用于定向和定位零件的任何夾具。這不但降低了成本，還允許應用程序能更容易地適應新的零件設計，只需要修改軟件即可。

以硬件為中心的架構的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是其可擴展性，這主要歸因于系統之間的以太網(wǎng)鏈路。但是也必須特別注意通過(guò)該鏈路的通信。如前所述，這種方法的挑戰在于以太網(wǎng)鏈路的不確定性，并且帶寬有限。

對于大多數僅在任務(wù)開(kāi)始時(shí)給出引導的視覺(jué)引導運動(dòng)任務(wù)，這是可接受的;但是也可能存在其他情況，其中延遲的變化可能是一大挑戰。將這種設計轉向集中式處理架構，具有諸多優(yōu)點(diǎn)。

首先，因為可以使用相同的軟件開(kāi)發(fā)視覺(jué)系統和運動(dòng)系統，設計者不需要熟悉多種編程語(yǔ)言或環(huán)境，因此降低了開(kāi)發(fā)復雜性。第二，消除了以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )上的潛在性能瓶頸，因為現在數據僅在單個(gè)應用中的環(huán)路之間傳遞，而不是在物理層之間傳遞。

這使得整個(gè)系統的運行具有確定性，因為一切共享相同的過(guò)程。當將視覺(jué)直接引入控制回路中時(shí)，例如在視覺(jué)伺服應用中，這是特別有價(jià)值的。這里，視覺(jué)系統在運動(dòng)期間連續捕獲致動(dòng)器和目標零件的圖像，直到運動(dòng)完成。這些捕獲的圖像用于提供關(guān)于運動(dòng)成功的反饋。有了這一反饋，設計人員可以提高現有自動(dòng)化的精度和精密度，而無(wú)需升級到高性能運動(dòng)硬件。

現在提出了一個(gè)問(wèn)題：這個(gè)系統是什么樣子?如果設計人員將要使用能滿(mǎn)足機器視覺(jué)系統所需的計算和控制需求的系統，并要與其他系統(如運動(dòng)控制、HMI和I/O)無(wú)縫連接，那么他們需要使用具備所需性能的硬件架構，以及每個(gè)這些系統所需的智能和控制能力。

這種系統的一個(gè)很好的選擇是：使用將處理器和FPGA與I/O相結合的異構處理架構。已經(jīng)有很多行業(yè)投資這種架構，包括美國Xilinx公司的Zynq全可編程SoC(將ARM處理器與Xilinx 7系列FPGA架構相結合)，以及英特爾數十億美元收購Altera等。

對于視覺(jué)系統，使用FPGA特別有益，這主要是因為其固有的并行性。算法可以分開(kāi)，運行數千種不同的方式，并且可以保持完全獨立。另外，這種架構的好處不僅僅體現在視覺(jué)方面，其對運動(dòng)控制系統和I/O也大有裨益。

處理器和FPGA可用于執行高級處理、計算和制定決策。設計人員幾乎可以通過(guò)模擬和數字I/O、工業(yè)協(xié)議、定制協(xié)議、傳感器、致動(dòng)器和繼電器等，連接到任何總線(xiàn)上的任何傳感器。此架構還滿(mǎn)足了其他要求，如時(shí)序和同步以及業(yè)務(wù)挑戰(如提高生產(chǎn)率)。每個(gè)人都希望更快地開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，這種架構消除了對大型專(zhuān)業(yè)設計團隊的需要。

不幸的是，雖然這種架構提供了很多性能和可擴展性，但是實(shí)現它的傳統方法需要專(zhuān)業(yè)知識，特別是在使用FPGA時(shí)。這為設計者帶來(lái)了巨大風(fēng)險，并有可能導致使用該架構不切實(shí)際甚至不可能。然而，使用集成軟件(如NI LabVIEW)，設計人員可以通過(guò)提取低級復雜性，并將所需的所有技術(shù)集成到單一開(kāi)發(fā)環(huán)境中，來(lái)提高生產(chǎn)率，降低風(fēng)險。

理論是一回事，將其付諸實(shí)踐是另一回事。Master Machinery是臺灣一家生產(chǎn)半導體加工設備的公司(見(jiàn)圖4)。這種特定的設備使用機器視覺(jué)、運動(dòng)控制和工業(yè)I/O的組合，將芯片從硅晶片上取下并封裝。這是能使用圖1中的分布式架構的機器示例，每個(gè)子系統可以單獨開(kāi)發(fā)，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò )集成在一起。

圖4：使用中央集權的、以軟件為中心的方法，Master Machinery公司將其主機控制器、機器視覺(jué)和運動(dòng)系統、I/O和HMI全部集成到單個(gè)控制器中，性能是競爭對手的10倍。

行業(yè)內這種機器每小時(shí)的產(chǎn)量大約為2000個(gè)零件。但是Master Machinery公司采取了不同的方法。他們設計了中央集權的、以軟件為中心的架構，并將主機控制器、機器視覺(jué)和運動(dòng)系統、I/O和HMI全部集成到單獨的控制器中，所有都采用LabVIEW編程。除了不需要單個(gè)子系統實(shí)現成本節約之外，這種方法還具備性能優(yōu)勢，其每小時(shí)大約能生產(chǎn)20000個(gè)零件，是競爭產(chǎn)品的10倍。

Master Machinery公司成功的關(guān)鍵因素之一是能夠將多個(gè)子系統組合在單個(gè)軟件堆棧中，特別是機器視覺(jué)和運動(dòng)控制系統。使用這種統一的方法，Master Machinery公司不但簡(jiǎn)化了設計機器視覺(jué)系統的方式，而且還簡(jiǎn)化了如何設計整個(gè)系統。

機器視覺(jué)是一項復雜的任務(wù)，需要大量的處理能力。隨著(zhù)摩爾定律繼續增加處理元件(如CPU、GPU和FPGA)的性能，設計人員可以使用這些組件來(lái)開(kāi)發(fā)高度復雜的算法。設計人員還可以使用此技術(shù)來(lái)提高設計中其他組件的設計性能，特別是在運動(dòng)控制和I/O領(lǐng)域。

隨著(zhù)所有這些子系統性能的提高，用于開(kāi)發(fā)這些機器的傳統分布式架構將面臨壓力。將這些任務(wù)整合到單個(gè)控制器中，運行在單個(gè)軟件環(huán)境下，消除了設計過(guò)程中的瓶頸，使設計人員可以專(zhuān)注于創(chuàng )新，而不必擔心實(shí)施問(wèn)題。