從基礎到應用：探索機器視覺技術的優勢和應用

機器視覺是近年來工業自動化的重要科技之一，也是實現工業 4.0 智能製造的關鍵。根據知名的自動化協會 A3（Association for Advancing Automation）的定義：機器視覺是利用軟體及硬體的結合，對於圖像或影片進行分析處理，使其能在工業設備的執行過程中，提供引導與協助。相較於人工，機器視覺能以非接觸式、快速、高準確性的方式執行指導、識別、測量和檢查動作，能有效實現自動化轉型，因此常被稱為 ”工業 4.0 之眼”。

機器視覺在 90 年代開始在半導體、電子和汽車行業嶄露頭角，現已快速延伸到其他領域，例如監控、醫療、機器人、自動駕駛汽車和無人機等範疇。也因此全球機器視覺市場規模不斷擴大，根據 Research and Markets 的預測，預計到 2030 年將達 259.2 億美元。年均複合成長率為 7.7%。

一個基本的機器視覺系統組件包含：

• 照明 ：照明系統是用來照亮要被攝影或成像的物體或場景的，通常使用閃光燈或 LED 燈，來幫助捕捉清晰、明亮且細節豐富的影像。
• 相機和鏡頭 ：CCD 相機、CMOS 相機和機器視覺專用鏡頭等。這些元件用於捕捉影像，提供基礎數據供後續分析和處理使用。
• 圖像採集卡 ：圖像採集卡用來將相機的輸出訊號轉換為數位訊號，並提供與電腦的高速接口。同時可透過圖像採集卡來提高影像的品質與傳輸速度。
• 電腦 ：在進行圖像處理時，電腦通常藉由 CPU、GPU 等處理器來做運算，而當需要進行深度學習的訓練和推理時，則會需要更高處理效能的處理器。
• 圖像處理軟體 ：使用圖像處理軟體來進行影像處理，以擷取影像中的特徵、進行分析和識別。
• 螢幕 ：將影像進行分析後得出的結果顯示在螢幕上，也可透用使用介面觸發下一個動作或機制。
• 控制系統 ：藉由 COM 或 DIO 的訊號觸發控制機械，如 PLC 及馬達的運作。

機器視覺的應用範疇非常廣泛，列舉其中四種重要的應用如下：

• 工業自動化
  • 品質檢測：製造業是最早使用機器視覺來優化製造流程的產業，主要使用在自動光學檢測 AOI（Automated Optical Inspection）。藉由相機對物體表面拍照或掃描，檢測物體的色差、瑕疵等問題。
  • 視覺導航：使用在自主移動機器人 AMR（Autonomous Mobile Robot）或無人搬運車 AGV （Automated Guided Vehicle）上。機器視覺可透過相機、雷達、激光雷達等，對工作環境進行 3D 感知和識別，使機器人能夠自主導航並到達目標地點。


• 安防監控
  • 人臉識別：在機器視覺輔助下，從圖像或影片中偵測和識別人臉。然後比對是否為已知的人臉。這對機場和邊境管制中的身分辨識，可大幅提升偵測速度和安全管理。
  • 車牌識別：在自動化車牌識別 ANPR（Automatic Number Plate Recognition）中，車牌由鏡頭捕捉，然後透過光學字元辨識（OCR）來識別車牌號。在智能交通基礎設施中，ANPR 帶來更有效率、便利的交通管理。
  • 異常檢測：利用機器視覺影像辨識技術，自動偵測監控影像中的異常情況，如入侵、竊盜、洪水或火災等自然災害檢測。當檢測到異常事件時，系統可自動發出警報通知，協助安全人員迅速做出反應。


• 醫療影像與手術輔助
  機器視覺技術在醫學影像領域，如 CT、MRI 和 X 光中可實現病灶的自動檢測。利用深度學習等技術進行圖像識別和特徵擷取分析，可以幫助醫生更快速、高精度地進行診斷和治療。此外，機器視覺在手術輔助方面也發揮著重要作用，利用手術機器人和智能儀器等設備，以微創手術形式協助醫生完成精確的定位、切割、止血和縫合等操作，克服傳統手術的精確度不足、手術時間長及醫生疲勞等問題。


• 自動駕駛
  機器視覺在自動駕駛技術中，為自駕車提供多種功能，如車道線識別、障礙物檢測、交通標誌識別以及行人和車輛檢測。藉由使用高解析度相機、雷達和激光雷達等感測器，機器視覺系統能夠即時捕捉周圍環境的數據，並進行特徵提取和圖像識別等處理，使自駕車對環境有清晰的認知。如車道線識別方面透過捕捉車道線的特徵並進行直線或曲線擬合處理，確保自駕車能夠識別並沿著正確的車道行駛。對於障礙物檢測，機器視覺將圖像和感測器數據進行分析，以確定障礙物的形狀、大小和距離，幫助自駕車避免碰撞。

工業電腦擁有強大的運算能力、高度的連接性和穩定性，這些特性讓工業電腦在機器視覺應用中成為不可或缺的關鍵角色。在圖像數據的即時分析中，如圖像處理、特徵提取和識別分類等操作，高性能的工業電腦能滿足這些計算密集型任務需求。此外，工業電腦可靈活的增加記憶體與硬碟空間，來應對不斷增長的數據存儲需求。

在通訊與連接性方面，工業電腦需與多個設備（如相機、感測器等）進行通信與數據交換。多元化的 I/O 接口使工業電腦能與其他設備連接，實現設備間協同工作。而無線通訊功能讓工業電腦將分析結果提供給控制中心作為決策依據。工業電腦具有卓越的穩定性，其強固的優勢使其能在惡劣工業環境中正常運行。這些特點使工業電腦成為機器視覺應用中理想的運算平台。

德承提供多種不同效能、擴充的嵌入式電腦解決方案，包括 GPU Computing – GOLD 和 Embedded Computing – DIAMOND 產品線，可作為機器視覺解決方案的基礎。這些電腦適用於惡劣的工業環境，包括高衝擊和振動、極端溫度和特殊的電力保護。電腦還具有 CMI/MEC/CFM 模組化擴充設計，可客製擴充不同的 I/O 和功能。並且通過許多國際相關認證及行業認證，提供客戶最穩定可靠的運作。

• GOLD系列
  • GM-1000：GM-1000 是一款緊湊高效能 GPU 電腦。支援 Intel Xeon® 工作站級 CPU 和搭載嵌入式 MXM 3.1 插槽，可安裝嵌入式 MXM GPU 模組，包括 type A 及 type B 尺寸。提供最多 360 W 的系統功耗。緊湊的體積特別適合安裝在機器手臂以及空間有限的環境中。
  • GP-3000：GP-3000 是一款高效能、可擴充的 GPU 電腦。搭配 Intel Xeon® 工作站級 CPU 和最多兩個 250 W 全長 GPU 卡，提供高達 720W 超大總系統功耗，充分滿足高規格的機器視覺需求。GP-3000 支援 GEB 擴展盒設計，透過 GEB 連接到主機以增加 GPU 處理能力和額外的 PCIe 功能擴充。額外擴充的高階 GPU 可加速複雜的工業 AI 和機器視覺任務。


• DIAMOND 系列
  DIAMOND 旗下的嵌入式電腦也提供不同體積大小、功耗、擴充方式，讓客戶能根據需求選擇最適合的機器視覺解決方案。其中，DX-1200 搭載 Intel® 第 12 代 Alder Lake-S Core™ i CPU 和 Intel® Xe 架構的 UHD 770 顯示晶片，並支援 4x 10Gbps LAN 高速網路和最多 8x PoE。如果需要較大的擴充性，搭載 Intel Xeon® 工作站級 CPU、可擴充的 DS-1300 提供至多二組 PCI/PCIe 擴充槽，可外接影像擷取卡、運動卡或 GPU 卡等。此外，並搭配專利設計的｢可調式固定架｣（Patent No. I773359）可依據不同尺寸的擴充卡進行調整和鎖固。針對空間有限的機器人或無人搬運車等移動式設備，搭配 Intel® Core™ CPU 系列的 DI-1100 和 DV-1000 是高效能又輕便的解決方案。


• 實際案例
  • 工業 X 光檢測系統：X 光檢測具非破壞性、高精度和高效率等特點，適用於汽車、航天、電子等工業領域的品質檢測。歐洲 X 光檢測設備製造商選擇 DS-1302 高擴展強固型工業電腦，作為其 X 光自動化品質管理檢測系統的核心平台。
  • 熱成像系統檢測：智能化熱成像系統使用 GM-1000 結合了 AI 和深度學習演算，用於在機場、醫院、工廠進行快速個人體溫監測、口罩偵測、人臉辨識、以及比對行程軌跡，以防止 COVID-19 的傳播。
  • 自動化軌道檢測車：鐵路系統工程公司將 GP-3000 安裝於自動化軌道檢測車上，並透過機器視覺技術的成像系統進行精準的軌道缺陷判斷。並使用 GP-3000 的 GEB 擴展盒額外安裝 GPU 卡和其他 RAID 卡、控制卡。GP-3000 成為此案中影像處理和檢測的強大處理中樞。
  • 工廠自主移動機器人：自主移動機器人 AMR 使用 DS-1202 為其運算控制核心，搭配 GPU 卡透過機器視覺與機器手臂實現在工廠物流流程 (intralogistics) 中自動撿料下料，智能動態偵測環境，穿梭於廠內各種障礙物，將物品搬運到目標位置。