机器视觉及工业检测

“工业4.0”引爆一场全新的工业革命，继“工业1.0”的蒸汽机时代、“工业2.0”的电气化时代、“工业3.0”的信息化时代之后，我们正快速步入智能化时代，努力为中国制造业转型升级贡献力量。智能制造的核心要素之一是传感器技术——机器视觉（Machine Vision，MV）则是重中之重。近些年，3D视觉、智能视觉等创新技术为工业自动化打开了“新视界”。

图1 机器视觉系统的硬件构成

人类感知外界信息的80%来自于眼睛，所以视觉的重要性不言而喻。而机器视觉就是为工业设备安装“眼睛”——相机、摄像头等，赋予像人一样的视觉感官，从而实现各种检测、测量、识别和引导等功能。工业相机作为机器视觉的核心部件，其工作原理是通过光电探测器或图像传感器将外界光信号转变成可被计算机处理的电信号，实现目标图像信息的采集。工业相机按照不同的指标有诸多分类方式（如图2），选择合适的工业相机是机器视觉系统设计中的重要环节，不仅直接决定采集图像的质量和速度，同时也与整个系统的运行模式相关。

图2：工业相机的分类

应用于工业相机的图像传感器主要有电荷耦合元件（CCD）和金属氧化物半导体（CMOS）两大类。随着CMOS技术的不断进步，CMOS图像传感器的性能与CCD的差距不断缩小，CMOS图像传感器凭借高集成、低成本、低功耗、设计简单等优势正逐渐取代CCD成为主流，尤其是背照式（BSI）技术的出现加快了这一进程。另一方面，由于可以将CMOS图像传感器与图像采集和信号处理等功能集成实现片上系统（SoC），机器视觉系统也从基于PC的板级式视觉系统，向能嵌入更多功能、更小型的智能相机系统发展。

图3：机器视觉的技术发展趋势

（来源：《工业和自动化领域的机器视觉-2018版》）

在工业制造领域，机器视觉主要面向半导体及电子制造、汽车制造、机械制造、食品与包装、制药等行业，实现功能包括缺陷检测、尺寸测量、模式识别、导航定位等，可以大幅度提高产品质量和生产效率，同时也确保工业现场环境的安全性。随着生产逐渐从劳动密集型向技术密集型转移，我国对机器视觉技术的需求愈发强烈，并成为全球机器视觉的主要市场之一。Yole预计全球机器视觉相机市场将从2017年的20亿美元增长到2023年的40亿美元，复合年增长率（CAGR）为12%。

图4 机器视觉在工业制造领域内的主要应用

传统的机器视觉相机获取目标物体的二维图像，缺少空间深度信息。而3D视觉技术的出现不仅有效解决了复杂物体的模式识别和3D测量难题，同时还能实现更加复杂的人机交互功能。因此，3D视觉的应用领域越来越广泛，成为提升产业自动化和智能化水平的重要抓手。

目前，工业领域主流的3D视觉技术方案主要有三种：飞行时间（ToF）法、结构光法、双目立体视觉法。这些3D视觉技术也给工业相机的硬件方面带来变革，相应的核心传感器和半导体芯片技术发展迅速，例如ToF图像传感器、垂直腔面发射激光器（VCSEL）、雪崩光电二极管（APD）/单光子雪崩二极管（SPAD）、MEMS微镜等。

3D视觉技术需要软硬兼施。软件方面，三维点云处理及机器学习（Machine Learning，ML）是两项重要技术，推动3D成像与传感应用，引起机器视觉厂商的重视。例如，2017年康耐视（Cognex）收购了深度学习软件公司Vidi Systems。

图5 3D工业相机核心元器件及主要厂商

当前，中国制造正从“制造大国”向“制造强国”转型升级，而机器视觉作为实现“工业4.0”的核心技术正处于制造产业的风口浪尖。为此，麦姆斯咨询特邀机器视觉领域的技术大咖和产业精英共聚『第二十七届“微言大义”研讨会：机器视觉及工业检测』，针对工业相机核心元器件、3D成像及机器视觉技术及应用进行深入交流，为“中国智造”出谋划策！