機(jī)器視覺的市場應(yīng)用日益增加

　　機(jī)器視覺系統(tǒng)集成商與設(shè)備供貨商不斷尋求可執(zhí)行復(fù)雜影像處理算法的新興解決方案和高性能計(jì)算機(jī),，以及更具成本效益并具備更快上市時間周期的產(chǎn)品,。應(yīng)用于平面顯示器（FPD）產(chǎn)業(yè)的自動光學(xué)檢測（AOI）即為一個例子。隨著FPD產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,，在單一系統(tǒng)上需要多種高分辨率攝像機(jī)的需求正在提升,，在此同時，數(shù)據(jù)吞吐能力也成為處理大量數(shù)據(jù)負(fù)載的關(guān)鍵,。包含掃描與面掃描（area scan）在內(nèi),，正呈現(xiàn)出驚人成長的大尺寸影像視覺應(yīng)用需要成像、顯示,、儲存,、實(shí)時可視化以及階處理能力。一般的AOI應(yīng)用通常采用了搭載雙CPU,，以及一片用于攝像機(jī)接口PCI-X附加卡的服務(wù)器,。然而，在需要多個攝像機(jī)時,，就需要更多臺服務(wù)器,，以建構(gòu)一個可用的AOI系統(tǒng)。這些服務(wù)器占用了寶貴的空間,，且需要大量的管理及維護(hù),。此外，服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換也為系統(tǒng)集成商與管理人員帶來了更大挑戰(zhàn),。

　　AOI系統(tǒng)不僅適用于FPD產(chǎn)業(yè),，其應(yīng)用領(lǐng)域還橫跨了一系列運(yùn)用視覺輸入進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的工業(yè)應(yīng)用。包括自動化機(jī)器人的導(dǎo)航導(dǎo)引系統(tǒng),、用于操作任務(wù)的位置與結(jié)構(gòu)信息,、地形繪制功能（特別是在偏僻環(huán)境或在天災(zāi)期間），另外還包括了在高速及大量生產(chǎn)過程中的計(jì)算機(jī)輔助作業(yè)等,，均已成為AOI技術(shù)的必然應(yīng)用領(lǐng)域,，而且均充份使用了該技術(shù)提供的優(yōu)勢。AOI系統(tǒng)搭載了特有的人機(jī)接口,，能讓操作人員執(zhí)行無論對工業(yè)或應(yīng)用而言，都是最關(guān)鍵的實(shí)時與精確的操作控制,。

　　AOI系統(tǒng)的功能包含了將影像采集到計(jì)算機(jī),、將影像轉(zhuǎn)換為可用格式、將影像調(diào)整為所需大小,，還能計(jì)算適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)以呈現(xiàn)影像并執(zhí)行質(zhì)量檢查,。在特別針對制造環(huán)境應(yīng)用時,，AOI系統(tǒng)不僅要滿足對高速、高分辨率,、24小時運(yùn)作,、可重復(fù)測量等要求，還必須能在整個生產(chǎn)過程中進(jìn)行自動識別,、追蹤與質(zhì)量保證,。

　　一些較具特色的AOI系統(tǒng)采用了客制化數(shù)字信號處理器（DSP）與現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），為結(jié)果轉(zhuǎn)譯與缺陷定位提供了基礎(chǔ)解決方案,。與傳統(tǒng)上許多產(chǎn)業(yè)采用的手動儲存及檢測移動的方法相較,，通過先進(jìn)光學(xué)檢測技術(shù)，用戶可獲得更多質(zhì)量良好的產(chǎn)品（高良率）,，并消除缺陷產(chǎn)品所占比重（質(zhì)量控制）,。舉例來說，在木板業(yè),，提升由機(jī)器視覺系統(tǒng)所做的決定數(shù)量,，可增加生產(chǎn)率及提高合格率，而且可運(yùn)用較少的生產(chǎn)線人力實(shí)現(xiàn)更精確的產(chǎn)品分類,，通過削減成本協(xié)助一家公司達(dá)到獲利底線,。AOI系統(tǒng)可在制造環(huán)境中顯著提高價值，在這些環(huán)境中,，為了提升最終產(chǎn)品的一致性,，制造過程通常充滿了變量。

　　不過,，值得注意的是,，若缺乏適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)架構(gòu)與控制功能，在必須使用多種編程語言整合DSP與FPGA時,，AOI系統(tǒng)會擔(dān)負(fù)較長的開發(fā)時間與付出更多工程資源的風(fēng)險,。因此，這些解決方案在獲得并采用新型DSP技術(shù)時,，必須在軟硬件方面付出更多的投資,。

　　針對先進(jìn)AOI應(yīng)用的理想解決方案，將是一種能在產(chǎn)能與成本比例中實(shí)現(xiàn)最佳平衡的平臺,，而產(chǎn)能與成本比例則與制造程序,、輸出入支持、易于編程,、客制化與系統(tǒng)維護(hù)等息息相關(guān),。

　　ATCA Advanced Vision Platform (AVP) 平臺滿足高端視覺系統(tǒng)需求

　　盡管最初的設(shè)計(jì)是針對下一代電信應(yīng)用，但先進(jìn)電信運(yùn)算架構(gòu)（簡稱AdvancedTCA或ATCA）也已經(jīng)證實(shí)是解決當(dāng)前高端機(jī)器視覺系統(tǒng)問題的理想方案,。這種開放式架構(gòu)可節(jié)省開發(fā)時間及相關(guān)成本,，而配備PMC卡的ATCA系統(tǒng)還可進(jìn)行擴(kuò)展以提升系統(tǒng)靈活性,。透過整合客制化PMC卡，并運(yùn)用創(chuàng)新的Gigabit以太網(wǎng)絡(luò)和機(jī)箱管理（shelf management）技術(shù),，以ATCA為基礎(chǔ)的機(jī)器視覺系統(tǒng)能在精巧,、高密度的多刀鋒型機(jī)架系統(tǒng)中巧妙地滿足其性能需求。

　　具備PCI-X PMC模塊的高性能CPU刀鋒板卡可用來建構(gòu)單一的先進(jìn)CPU平臺,。一個PMC模塊就能與好幾種攝像機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通訊,，包括Camera Link、Firewire,，以及逐漸成為主流的Gigabit以太網(wǎng)絡(luò)接口攝像機(jī)等,。透過適當(dāng)?shù)卣线@些技術(shù)與靈活的架構(gòu)，PMC模塊可通過保證向后與前向兼容性,，消除設(shè)備因陳舊而面臨報(bào)廢的風(fēng)險,，隨著技術(shù)進(jìn)展維持系統(tǒng)的最佳執(zhí)行效能，并確保用戶可獲得最大的投資回報(bào),。

　　由于ATCA的刀鋒型架構(gòu),，針對AOI應(yīng)用，系統(tǒng)集成商可輕易地將多個攝像機(jī)整合到一個AVP之中,。例如,，若一片AVP刀鋒板卡必須處理來自兩臺Camera Link攝像機(jī)的影像數(shù)據(jù)，則一個5U的ATCA系統(tǒng)就能支持10臺Camera Link攝像機(jī)（見圖1）,。與傳統(tǒng)的服務(wù)器解決方案相比,，一個基于ATCA的AVP不需要五個服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)較有效率的作業(yè)。這種更精巧的產(chǎn)品不僅能讓基于ATCA的AVP節(jié)省更多空間,，而且能協(xié)助簡化并減少大量布線,、連接和基礎(chǔ)設(shè)備等許多工業(yè)領(lǐng)域使用者必須處理的問題，如此一來,，將可騰出寶貴的空間用于其它用途,。另外，ATCA平臺的熱機(jī)拔取(Hot Swapping)與完全冗余特性(Fully Redundancy) 可確保在移除任何組件時都不會中斷運(yùn)作,，大幅減少了維修和更換組件的時間,。

　　圖1：服務(wù)器系統(tǒng) vs. 用于AOI的AVP系統(tǒng)。

　　由于具備了base/fabric接口,，一款基于ATCA的AVP能讓系統(tǒng)集成商在處理影像的刀鋒板卡之間建立通訊,，包括基于Gigabit以太網(wǎng)絡(luò)的接口在內(nèi)，以便在板卡交換影像數(shù)據(jù)時,，提供更快速的通道,。

　　由于每個ATCA系統(tǒng)均具備系統(tǒng)管理的模塊指令，因此系統(tǒng)集成商可輕易地通過安裝機(jī)箱管理模塊（CMM）建構(gòu)一個高度可靠及可管理的平臺,，以監(jiān)控并控制處理影像的刀鋒板卡及其它現(xiàn)場可換置組件（FRU）,。CMM負(fù)責(zé)監(jiān)控機(jī)柜的運(yùn)作、報(bào)告異常情況,、進(jìn)行錯誤校正,，同時能在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)互連。ATCA架構(gòu)的可靠性與靈活性確實(shí)能改善機(jī)器視覺系統(tǒng)的運(yùn)作效能,，并通過減少現(xiàn)場人力及改善生產(chǎn)質(zhì)量協(xié)助企業(yè)節(jié)省成本,。

　　凌華科技的aTCA-6890是首款以ATCA架構(gòu),搭配使用FPGA技術(shù)及Camera Link技術(shù)的影像采集的PMC模塊,使用于高端影像處理應(yīng)用的的刀鋒板卡。 （見圖2與圖3）,。每個刀鋒板卡

均支持兩個核心速率高達(dá)3.4GHz的低電壓Intel® LV Xeon®處理器,。由于Intel®的超執(zhí)行緒（Hyperthreading）技術(shù)與EM64T 64位運(yùn)算能力，該平臺能為橫跨多種應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)類別的復(fù)雜影像處理提供強(qiáng)大運(yùn)算效能,。由于支持高達(dá)16GB的DDR2內(nèi)存,，這款A(yù)VP刀鋒板卡為高密度影像數(shù)據(jù)的處理及儲存提供了大容量內(nèi)存吞吐率。凌華科技的aTCA-6890呈現(xiàn)出了與傳統(tǒng)私有機(jī)器視覺系統(tǒng)集成商截然不同的設(shè)計(jì)方向,，它減少了對DSP的需求,，并運(yùn)用了ATCA在功率與性能方面的優(yōu)勢。針對AOI應(yīng)用,，一個AVP刀鋒板卡可利用高效能CPU,，以最佳等級處理數(shù)據(jù)，同時執(zhí)行復(fù)雜的型態(tài)學(xué)運(yùn)算,。由于具備了更大的內(nèi)存帶寬與容量,，AVP刀鋒板卡技術(shù)可進(jìn)一步協(xié)助使用者儲存大量影像數(shù)據(jù)，若有需要,，也能進(jìn)行精確追蹤與除錯,。

　　                                                                  圖2：凌華科技的AVP刀鋒板卡。

 
                                                   圖3：凌華科技的AVP刀鋒板卡結(jié)構(gòu)圖,。
 
       在針對AVP建構(gòu)一個具成本效益,，以及可節(jié)省空間的平臺時，另一項(xiàng)不可或缺的重點(diǎn)是I/O密度,，這將能提供更大的靈活性,，而且更容易管理。該平臺支持多達(dá)4個Camera Link連接器,，可用于雙通道輸出,，還具備VGA、GPIO,、LAN,，以及兩個位于前面板的USB接口。這款A(yù)VP刀鋒板卡支持內(nèi)建在PMC模塊上的Camera Link或IEEE 1394接口,，并安裝于兩個板上64位/133MHz PCI-X插槽中,。由于內(nèi)建了CompactFlash卡槽,，因此系統(tǒng)集成商能方便地建立操作系統(tǒng)影像文件（OS image）以啟動系統(tǒng)。aTCA-6890的后方轉(zhuǎn)換模塊（Rear Transition Module,，RTM）則提供儲存未來分析影像所需的額外2.5英寸SATA硬盤儲存接口,。

　　在凌華科技 AVP刀鋒板卡上，針對高性能Camera Link或IEEE 1394接口的板上PMC模塊可支持高速影像數(shù)據(jù)交換,。通過針對FPGA制造商的IP核心開發(fā)寫入/讀取包裝程序（wrapper）,，將可達(dá)到大容量系統(tǒng)的優(yōu)勢，讓用戶定義每個讀/寫端口的總線寬度,，并使運(yùn)算更有效率,。而通過板上的高密度、客制化,、基于FPGA的處理核心,，每個通道均可支持高達(dá)640MB/s的影像數(shù)據(jù)傳輸率，而畫素頻率則可達(dá)到85MHz,。

　　凌華科技 AVP系統(tǒng)提供了標(biāo)準(zhǔn)平臺,，而且僅需客制化的PMC卡就可具備所有功能。該平臺可大幅縮短應(yīng)用開發(fā)與系統(tǒng)升級時間,，并允許系統(tǒng)集成商為前置或后影像處理建置專有的FPGA技術(shù),。由于制造環(huán)境正在產(chǎn)生變化，廠商所制造的產(chǎn)品越來越精巧,，或是極容易受到污染,，例如集成電路與對溫度敏感的組件，以及也許必須采用非接觸式或非侵入式測試方法的藥品等,。視覺檢測對于訴求安全的應(yīng)用同樣有益,，如采用有害物質(zhì)的零組件等。恰當(dāng)?shù)嘏渲米屜到y(tǒng)集成商不僅可在許多高端制程中通過改善效率提升附加價值,，而且還能在制造過程中依需求對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并實(shí)時提供反饋信息,。AVP系統(tǒng)的強(qiáng)大功能、靈活性與連接能力,，在必須以相對較低成本達(dá)到100%檢測以實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率的應(yīng)用中,，幾乎已經(jīng)成為一種必要配備。

　　結(jié)論

　　本文針對高端機(jī)器視覺應(yīng)用介紹了一種創(chuàng)新的解決方案,，能滿足先進(jìn)技術(shù),、客制化與應(yīng)用的需求。此外,，該方案也強(qiáng)調(diào)通過采用革命性的ATCA架構(gòu),，可降低操作成本并減少使用空間。凌華科技的AVP刀鋒產(chǎn)品提供了較現(xiàn)有服務(wù)器與單板工業(yè)計(jì)算機(jī)方案更優(yōu)良的性能，是專為滿足當(dāng)前與未來嵌入式視覺系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的解決方案,。

　　關(guān)于作者

　　黃怡暾 現(xiàn)為凌華科技工業(yè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品部副總經(jīng)理,。主要負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)凌華科技通訊及嵌入式計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)與營銷。他在PC自動化,、通訊與嵌入式產(chǎn)品領(lǐng)域均擁有豐富經(jīng)驗(yàn),。