新一代x86智慧相機突破機器視覺發展瓶頸

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機器視覺在‘智慧工廠’中扮演重要的角色，可有效增加產能、提升良率。在小型影像系統的選擇中，傳統工業用智慧相機的優點是小體積、高整合度以及便於開發使用；嵌入式影像系統的優點則在於彈性配置，可搭載較高階的CPU處理器，支援多通道相機，以及具備高擴充性。為了滿足越來越嚴苛與快速的視覺應用需求，業者需要一款兼具智慧相機與嵌入式影像系統的優點，同時又能降低成本的新型態小型影像系統。


小型影像系統的類型


隨著智慧工廠概念的興起，影像系統能夠提升產能與確保產品品質，因而在智慧工廠的配置中扮演達到系統成功導入的重要角色。其中，小型影像系統因為體積小、整合度高，市場正以每年30%的成長率逐年成長。


小型影像系統通常用於影像檢測、定位與讀取條碼等功能，大致區分為三種類型。第一種是一般熟知的工業用智慧相機(smart camera)或智慧感測器，能將影像感測器與處理器整合在小型影像系統中，以小體積、高整合度(整合鏡頭、感測器、處理器到影像系統介面以及軟體)、便於開發使用為最大優勢。然而，因為受限於運算效能與相機的解析度，通常僅負責較單純的影像任務，如掃描條碼、OCR字元辨識等。另外，因為是一體成型(AIO)的系統，無法提供系統擴充性，如果使用者還有多通道影像方面的需求，則必須額外配置。


第二種類型是搭載工業用相機的嵌入式影像系統，客戶可根據不同的應用需求彈性配置。優點在於可搭載較高階的CPU處理器，可連結多支相機，並且透過豐富的IO介面，便於與其他工廠裝置進行連結。然而，嵌入式影像系統存在體積與空間上的限制，無法完全取代智慧相機。


第三種類型是新一代的x86智慧相機，這是一款可編程的智慧相機，兼具小體積、可擴充等一般智慧相機與嵌入式影像系統的優點，可跨界區隔出另一種全新的市場需求。



各種小型影像系統的優點與缺點。
各種小型影像系統的優點與缺點。


智慧工廠的基本需求


如何提升產能、系統效能與處理能力，在實現智慧工廠的過程中扮演關鍵的角色。就一般影像系統的認知，高解析度與高畫面更新率(frame rate)就像魚與熊掌一樣不可兼得。在實際的應用中，通常出現高解析但低格數或解析度低但格數高的應用組合。如果想要兩者兼得，惟一的辦法就是使用高階CPU處理器來補足解析度與格數加乘的結果。如何以合理的成本取得最佳的處理效能，是系統開發人員所關心的重點。


CPU資源有限、只能進行單一功能的運算系統雖然較便宜，卻無法因應新一代智慧型數位安全與監控系統所需的多工即時處理性能。因此選擇多核心的控制器，運算功能強大、CPU資源豐富的平台，更能達到多工且即時處理的目的。


此外，設備之間的相互連結也不可或缺。具有多樣化I/O連接埠的嵌入式系統可方便連接設備，例如RS-232序列埠可用於連接攝影所需的閃光燈、無線Wi-Fi能與後台伺服器連線、足夠的GbE連接埠則可連接多支網路攝影機。因此，選購系統時必須注意系統的I/O連接埠是否具備足夠的彈性來進行整體系統功能的規劃。


一般來說，工廠環境通常較為嚴峻，例如在飲料生產包裝的產線，系統可能直接接觸到液體。而在工具機加工的環境中，則充滿切削工件的惡劣環境。如果影像系統必須就近配置在嚴苛的產線環境，那麼選擇具備防水、防塵能力的產品才能達到需求。


此外，軟體解決方案開發的難易度與整合度，也是導入智慧化系統的工程人員心中一大隱憂，也往往是決定專案成敗的最重要因素。如何縮短開發時間，降低系統開發成本，才是重要關鍵。



智慧工廠的基本需求


選擇小型影像系統的決勝點


處理器運算效能：傳統智慧相機因為體積小，在有限的空間中，散熱能力受限，因而僅能搭載單核心Atom處理器或ARM based處理器，雖然功耗較低，但因效能有限，僅能處理單一任務的影像分析處理，如計數、掃描條碼等。隨著英特爾(Intel) Atom處理器E3840系列的發表，帶來較前代D2550系列更高兩倍的處理效能，同時擁有低功耗的優勢。這還意味著小體積也能帶來高效能，多工的影像處理得以實現。


影像感測器與影像品質優劣：影像感測器可說是影像系統的靈魂，感測器的尺寸直接代表著影像的品質。在過去智慧相機的應用定義在初階的影像檢測上，感測器的尺寸與影像品質優劣並不容易被凸顯。然而，如果要將機器視覺應用在高階的高速檢測應用，感測器的尺寸就成為系統選擇時必須考量的要點。


滾動快門與全域快門：滾動快門(Rolling shutter)與全域快門(global shutter)的不同在於畫面曝光的時間差。滾動快門是透過電子訊號告訴感光元件，依序曝光直到整個畫面曝光完成。而全域快門是在曝光時‘同時’曝光整個畫面。在過去智慧相機的應用中，因為系統處理器效能有限，無法同時處理大量的影像資料，因而多採用滾動快門。但缺點是快速運動的物體會出現殘影，無法導入高速應用中。


隨著系統處理效能的提升，系統效能將不再是瓶頸，若有高速移動物件的檢測需求，採用全域快門感測器更能取到無殘影的正確影像。



滾動快門與全域快門


協同處理器：在機器視覺影像擷取與分析過程中，影像品質扮演重要關鍵。但由於先天光學條件(鏡頭、光源)的限制，所取得的影像會有亮度不一致的情況，而造成後端影像分析的誤判。如果在影像進入分析之前預先最佳化取像品質，可確保影像分析的正確性。在過去的應用中，影像資料擷取至系統後，必須透過系統處理器進行運算以及最佳化影像品質，但由於受限於運算資源，得以處理的影像資料量也會受到限制。


然而，若能透過FPGA的支援計算影像矩陣，在進入CPU運算之前先進行過濾與最佳化處理，則可大幅加速影像處理效能，從而降低CPU資源，一方面把系統資源留給影像系統的核心—影像演算法，另一方面則能更即時的處理大資料量的影像，實現高速與複雜的影像處理與分析，包括前處理功能，如查找表(LUT)、感興趣區域(ROI)、遮光校正(Shading Correction)等影像品質最佳化功能。因此，影像系統搭載協同處理器進行前處理，將可大幅提升影像分析與演算應用。


GPU繪圖與多媒體影像處理效能：新一代英特爾Atom E3840處理器較前一代D2550系列提升六倍的GPU效能，透過英特爾HD Graphics 4000技術，可同時處理多通道的影像壓縮傳輸。結合CPU與GPU效能的提升，影像檢測結果可被記錄、存檔，或者提供原始資料進行深入的比對與分析，讓工廠的資訊系統具備更智慧的功能。


系統顯示效能：在工廠環境中，傳統智慧相機僅能透過乙太網路(Ethernet)傳輸資料，以供中控端的監控使用。若影像系統可支援VGA輸出埠，則可同時透過VGA與Ethernet埠輸出影像，連結至HMI或產線端的螢幕，即時檢查結果與發現問題，從而有效提升產線效能。


64位元架構：從32位元到64位元架構的改變是一個根本的改變，從處理器、OS以及軟體都必須支援64位元架構，才能真正有效提升效能。影像分析軟體因為需要處理的資料量大，市場上主流的應用軟體多支援64位元。所以影像系統的選擇，當然也必須選擇支援64位元的系統，才能發揮應用的最大效益。



32位元OS與64位元OS


系統儲存容量：小型影像系統的儲存容量大小，象徵使用者得以儲存更多的影像辨識比對樣本，亦可儲存檢測資料或進行備份。對於整體系統的穩定性是一大利多。另一方面，儲存容量大小的選擇，必須衡量裝載作業系統(OS)以及應用軟體的足夠空間。


總持有成本的考量：系統建置的總持有成本，並非僅考量影像系統本身的售價。使用者是聰明的，如何從總持有成本的角度協助客戶降低費用，才是王道。


新一代x86智慧相機


高效能與小體積兼備：新一代x86智慧相機可搭載最新四核心英特爾Atom E3800處理器，在CPU、GPU效能大幅提升的同時，亦享有低功耗的優勢，因而得以將影像系統的長寬尺寸縮小至僅有iPhone般大小。同時兼具嵌入式影像系統的效能以及傳統智慧相機小體積的優勢。


CPU/GPU/FPGA協同處理器加速前處理：透過處理器(CPU)、FPGA的影像前處理以及影像處理器(GPU)協力合作，新一代的x86智慧相機有效釋放CPU資源，讓多工的影像處理得以被實現，結合四核心的優勢，使其新一代的小型影像系統具備同時進行尺寸測量、計數、定位、讀取2D條碼等多工處理的能力，相當於一台抵多台的能力。



CPU/GPU/FPGA協同處理器加速前處理


魚與熊掌不可兼得？過去高速、高解析與複雜的影像處理是無法兼具的。如今透過搭載4百萬60fps的全域快門感測器，高效能的四核心新處理器支援64位元架構以及FPGA影像前處理的能力，從影像的擷取效能到影像分析處理能力一併到位。


彈性與穩定性兼備：新一代x86智慧相機可提供類似於嵌入式電腦的I/O介面，如GigE埠、VGA、RS-232、USB埠與Isolated DIO等均易於與產線中的其他裝置通訊。此外，GigE 埠可用於支援另一組GigE視覺相機，滿足智慧相機過去無法達到的擴充性能，卻還能達到傳統智慧相機的IP-67等級防水防塵規範，耐受潮溼、粉塵的嚴苛的作業環境中。


開放架構降低開發總成本：新一代x86智慧相機相容於GeniCam與GenTL，可透過API連接第三方軟體。無論使用者原有產線的IPC系統，或是線性掃瞄系統，甚至原本就已經在使用中的智慧相機，開發人員僅需學習一套開發程式語言，即可直接移植到新一代x86智慧相機。一旦有產線擴充需求，又可以運用易於複製的優勢，大幅降低原有智慧相機必須付出的成本。



新一代x86智慧相機


例如，凌華科技(Adlink Technlogy)最新推出的x86工業用智慧相機解決方案NEON-1040搭載英特爾最新四核心1.91GHz Atom E3845處理器，以及400萬畫素、60fps格數與1英吋全域快門感測器，且僅需使用10W的功耗，即可透過內建FPGA的影像最佳化前處理與優異的GPU效能，在小巧機身中(僅68.5x110x 52.7mm)達到與嵌入式影像平台同級的運算效能，實現高階且複雜的影像運處理與運算。



新一代x86智慧相機

新一代的NEON-1040智慧相機可同時進行高速與高解析度的影像擷取、處理與分析，並提供豐富的軟體支援，輕易地轉移其他平台已開發的軟體程式，節省開發成本，同時展現嵌入式影像系統與傳統智慧型相機的優勢，適用於3D導引視覺機器人、食品或藥品包裝檢測等高速機器視覺應用。


結論


新一代x86智慧相機打破傳統智慧相機與嵌入式影像系統的框架，在效能、彈性、穩定性、開發成本與總持有成本等方面大幅提升，使其不僅具備跨界優勢，也為當今高階的高速機器視覺與影像分析應用提供新選擇。另一方面，它也為具備彈性開發能力的使用者與整合商，帶來了更具成本優勢以及加速進入市場的新方案。