機(jī)器視覺：讓中國(guó)制造2025“看”得更遠(yuǎn)

阮晉蒙

機(jī)器視覺給各種先進(jìn)產(chǎn)品一雙“慧眼”，幫助各種儀器在未來工業(yè)自動(dòng)化、智能化的工業(yè)4.0發(fā)展道路上大展拳腳

機(jī)器視覺是用計(jì)算機(jī)來模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于工業(yè)智能制造中的實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量和控制等工作環(huán)節(jié)。在以智能制造為核心的工業(yè)4.0時(shí)代背景下，隨著中國(guó)制造2025戰(zhàn)略的深入，機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)正呈現(xiàn)出爆炸式增長(zhǎng)的勢(shì)頭。在智能機(jī)器人、無人機(jī)、自動(dòng)駕駛、智能醫(yī)生、智能安防、VR/AR等應(yīng)用領(lǐng)域，機(jī)器視覺給各種先進(jìn)產(chǎn)品一雙“慧眼”，幫助各種儀器在未來工業(yè)自動(dòng)化、智能化的工業(yè)4.0發(fā)展道路上大展拳腳。

現(xiàn)象 巨頭紛紛布局機(jī)器視覺

在2016年的新技術(shù)并購(gòu)中，除了VR，最火熱的莫過去機(jī)器視覺了。

機(jī)器視覺是通過計(jì)算機(jī)來模擬人類視覺功能，以讓機(jī)器獲得相關(guān)視覺信息并加以理解。機(jī)器視覺系統(tǒng)的原理是計(jì)算機(jī)或圖像處理器以及相關(guān)設(shè)備來模擬與人類視覺功能，從客觀事物的圖像中提取信息進(jìn)行處理，獲得相關(guān)視覺信息，并加以理解，最終用于實(shí)際檢測(cè)和控制等領(lǐng)域。

也許很多人還不了解機(jī)器視覺的應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)際上，在所有的智能制造產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品中，幾乎都可以找到機(jī)器視覺的應(yīng)用點(diǎn)。比如智能汽車、智能交通，智能家居，智能穿戴設(shè)備、自動(dòng)化生產(chǎn)線、無人機(jī)、甚至VR和AR領(lǐng)域……。因?yàn)闄C(jī)器視覺主要用計(jì)算機(jī)來模擬人的視覺功能，將機(jī)器賦予了人腦的一部分功能，即從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量和控制階段。而人類目前的信息傳輸中，95%以上是通過視覺傳輸?shù)?，也正是視覺傳輸?shù)母咝裕抛寵C(jī)器視覺在未來的“智能”時(shí)代占據(jù)了重要的地位。

隨著機(jī)器視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，在各行業(yè)中的應(yīng)用日益加深，2016年全球互聯(lián)網(wǎng)和半導(dǎo)體巨頭紛紛布局機(jī)器視覺領(lǐng)域。

比如2016年5月，英特爾收購(gòu)俄羅斯機(jī)器視覺公司Itseez。據(jù)了解，Itseez是一家私人公司，成立于2005年。該公司已開發(fā)了面向駕駛員輔助系統(tǒng)的軟件和服務(wù)，能就可能發(fā)生的碰撞向駕駛員發(fā)出警告，提高駕駛員觀察周邊環(huán)境的能力和讓駕駛變得更簡(jiǎn)單。此次收購(gòu)加強(qiáng)了英特爾在電子感知和圖像理解領(lǐng)域的能力，有利于公司于汽車和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的創(chuàng)新。

此外，2016年9月，英特爾還收購(gòu)機(jī)器視覺公司Movidius，該公司可以提供低功耗機(jī)器視覺芯片，而且已于谷歌、聯(lián)想、大疆等公司簽訂協(xié)議，為無人機(jī)、安保攝像頭、VR/AR頭盔等設(shè)備提供技術(shù)服務(wù)。

2016年7月，谷歌收購(gòu)了巴黎機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)開發(fā)商Moodstocks。該公司主要為智能手機(jī)開發(fā)以機(jī)器學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的圖像識(shí)別技術(shù)，推出的Moodstocks Notes，可通過照片識(shí)別書籍、CD、海報(bào)、傳單和酒標(biāo)等對(duì)象。下載該應(yīng)用程序后，對(duì)準(zhǔn)照片掃描，用戶即可瀏覽其他人對(duì)該商品的說明及評(píng)論。此前谷歌已經(jīng)收購(gòu)了美國(guó)著名的Industrial Perception公司，該公司致力于研究用于工業(yè)機(jī)器人的3D視覺識(shí)別技術(shù)，能夠準(zhǔn)確對(duì)物體進(jìn)行分類，可以使工業(yè)機(jī)器人對(duì)不同形狀的物體進(jìn)行精準(zhǔn)的貨物裝卸。另外Facebook和谷歌攜手俄羅斯計(jì)算機(jī)視覺公司VisionLabs開發(fā)了一個(gè)通用的開源計(jì)算機(jī)視覺開發(fā)平臺(tái)。

2016年11月，F(xiàn)acebook收購(gòu)了面部識(shí)別技術(shù)初創(chuàng)公司FacioMetrics。收購(gòu)目的是為了強(qiáng)化Facebook的圖片和視頻特效。目前，F(xiàn)acioMetrics提供的工具能夠記錄、檢測(cè)、掃描臉部，了解人類面部的行為和年齡，該軟件由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)“人類感覺實(shí)驗(yàn)室”研究人員研發(fā)。FacioMetrics創(chuàng)始人費(fèi)爾南多·德拉托雷表示，該公司研究和分析面部圖像就是用來滿足包括VR和AR在內(nèi)的各種需求。

另外，著名IP與處理器制造商ARM在2016年5月以3.5億美元收購(gòu)英國(guó)計(jì)算視覺公司Apical。目前，Apical掌握著全球最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)成像技術(shù)，Apical的專利技術(shù)已經(jīng)覆蓋了超過15億的手機(jī)設(shè)備，在收購(gòu)Apical以后，ARM的處理器業(yè)務(wù)將跳轉(zhuǎn)到一個(gè)全新的領(lǐng)域，為其在物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)增加了視覺技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)锳RM自己并不是設(shè)備生產(chǎn)商，但全球數(shù)以億計(jì)的設(shè)備中都能發(fā)現(xiàn)ARM的IP設(shè)置。

還有汽車巨頭福特收購(gòu)以色列機(jī)器視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)公司SAIPS，該公司開發(fā)的圖像和視頻算法解決方案、深度學(xué)習(xí)、信號(hào)處理及分類技術(shù)，能夠幫助福特的無人駕駛汽車學(xué)習(xí)和適應(yīng)周圍的環(huán)境。

總之，隨著新技術(shù)對(duì)于機(jī)器視覺的需求逐漸增多，機(jī)器視覺必然會(huì)成為新經(jīng)濟(jì)的熱點(diǎn)。機(jī)器視覺技術(shù)將有效轉(zhuǎn)換、升級(jí)設(shè)備功能與人機(jī)交互方式，為市場(chǎng)帶來新的變革。

背景 機(jī)器視覺系統(tǒng)是工業(yè)4.0之眼

如果說工業(yè)機(jī)器人是人類手的延伸、交通工具是人類腿的延伸，那么機(jī)器視覺就相當(dāng)于人類視覺在機(jī)器上的延伸。機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件尺寸、形狀、顏色等特征的自動(dòng)判斷和識(shí)別，可以讓機(jī)器代替人眼做測(cè)量和判斷，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化和智能化的必要手段。

據(jù)悉，機(jī)器視覺工業(yè)應(yīng)用廣泛，主要具有四個(gè)功能：

首先是引導(dǎo)和定位功能。視覺定位要求機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確的找到被測(cè)零件并確認(rèn)其位置，上下料使用機(jī)器視覺來定位，引導(dǎo)機(jī)械手臂準(zhǔn)確抓取。比如在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，設(shè)備需要根據(jù)機(jī)器視覺取得的芯片位置信息調(diào)整拾取頭，準(zhǔn)確拾取芯片并進(jìn)行綁定。

其次是外觀檢測(cè)功能。檢測(cè)生產(chǎn)線上產(chǎn)品有無質(zhì)量問題，該環(huán)節(jié)也是取代人工最多的環(huán)節(jié)。機(jī)器視覺可以檢測(cè)的對(duì)象包括尺寸檢測(cè)、外觀缺陷檢測(cè)、質(zhì)量缺陷檢測(cè)、附屬物檢測(cè)等。另外高精度檢測(cè)則在電子產(chǎn)品檢測(cè)中有很多應(yīng)用。有些電子產(chǎn)品的精密度較高，達(dá)到0.01--0.02m甚至到微米級(jí)，人眼無法檢測(cè)必須使用機(jī)器完成。

最后是識(shí)別功能，就是利用機(jī)器視覺對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析和理解，以識(shí)別各種不同模式的目標(biāo)和對(duì)象?？梢赃_(dá)到數(shù)據(jù)的追溯和采集，在汽車零部件、食品、藥品等應(yīng)用較多。

概括地說，機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度，主要在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。

比如在食品藥品生產(chǎn)領(lǐng)域，眾所周知，食品藥品關(guān)系到人類的生命健康，如果因?yàn)樗幤返馁|(zhì)量問題而對(duì)人的生命造成威脅，這將是一個(gè)大的災(zāi)難。因而各藥品生產(chǎn)廠家，尤其是世界知名大廠對(duì)藥品的整個(gè)生產(chǎn)過程甚至后段的包裝都給予了非常大的重視。在食品藥品的生產(chǎn)、包裝過程中，無論是藥品的泡罩包裝、液體灌裝，還是后段的壓蓋、貼標(biāo)、噴碼，以及最后的裝盒檢測(cè)，機(jī)器視覺技術(shù)都可以發(fā)揮其強(qiáng)大的功能。

再比如果蔬采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)鏈中最耗時(shí)耗力的一個(gè)環(huán)節(jié)。應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)器人在解決勞動(dòng)力不足、降低采摘成本、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、保證果蔬適時(shí)采收等方面具有很大潛力，然而，由于作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)視覺辨別能力要求高。目前的機(jī)器人視覺定位蔬果已由最初的單目視覺發(fā)展到雙目視覺甚至多目視覺，以實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬果在三維空間的精確定位。荷蘭、美國(guó)等國(guó)家已經(jīng)有基于雙目立體視覺原理的溫室黃瓜、草莓采摘機(jī)器人系統(tǒng)，正確識(shí)別率能達(dá)96%以上。

焦點(diǎn) 機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的難點(diǎn)和痛點(diǎn)

在以智能制造為核心的工業(yè)4.0時(shí)代背景下，隨著中國(guó)制造2025戰(zhàn)略的深入，智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)勢(shì)頭。作為機(jī)器人的“大腦中樞神經(jīng)”，人工智能在過去的幾年里一直處于持續(xù)的高速發(fā)展階段，很多機(jī)器人也已經(jīng)具備了相當(dāng)高的智能化特點(diǎn)，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到人類所設(shè)想的智能化程度，原因就在于機(jī)器人的視覺系統(tǒng)技術(shù)一直難以突破。想想無人駕駛汽車， 即輪式機(jī)器人，無人機(jī)，即飛行機(jī)器人，如果僅僅依靠雷達(dá)，其技術(shù)成本將會(huì)十分高昂。要讓這些機(jī)器人去很好的替代人類工作的話，首先要做的就是讓它們得能“看”到才行，不僅如此，在日常生活中我們所用到的很多智能化的東西也是需要去看的，除了無人駕駛汽車、智能無人機(jī)和智能吸塵器，工業(yè)生產(chǎn)線、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械、各種娛樂產(chǎn)品啟示都與機(jī)器視覺有著重要的關(guān)系。

只有當(dāng)工業(yè)機(jī)器人具備觀察事情的能力時(shí)，才能夠很好的對(duì)事情判斷，從而做到智能化的靈活自行解決一些問題。

在工業(yè)4.0的大勢(shì)力下，智能制造對(duì)工業(yè)機(jī)器人的要求也越來越高，傳統(tǒng)的通過編程來執(zhí)行某一特定動(dòng)作的機(jī)器人，將不再能滿足制造業(yè)向前發(fā)展的需求。很多時(shí)候，我們將需要機(jī)器人能夠具備識(shí)別、分析、處理等更高級(jí)的功能，也就是說需要為工業(yè)機(jī)器人安裝一雙“火眼金睛”來替代人眼做測(cè)量和判斷，機(jī)器視覺相當(dāng)于為工業(yè)機(jī)器人裝上了“眼睛”，讓他們能夠清晰地不知疲倦的看到物體，發(fā)揮人眼檢查檢測(cè)的功能，這在高度自動(dòng)化的大規(guī)模生產(chǎn)中非常重要。

在行業(yè)應(yīng)用方面，主要有制藥、包裝、電子、汽車制造、半導(dǎo)體、紡織、煙草、交通、物流等行業(yè)，用機(jī)器視覺技術(shù)取代人工，可以提供生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。例如在今天的電商時(shí)代需要強(qiáng)大的物流行業(yè)，物流企業(yè)就可以使用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行快遞的分揀分類，這樣不僅可以代替人工進(jìn)行分揀，減少物品的損壞率，還可以提高分揀效率，減少人工勞動(dòng)。

目前中國(guó)正成為世界機(jī)器視覺發(fā)展最活躍的地區(qū)之一，其重要原因是除了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，中國(guó)已經(jīng)成為全球制造業(yè)的加工中心，高要求的零部件加工及其相應(yīng)的先進(jìn)生產(chǎn)線，使許多具有國(guó)際先進(jìn)水平的機(jī)器視覺系統(tǒng)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)也進(jìn)入了中國(guó)。數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到50億元，其中智能相機(jī)、軟件、光源和板卡每年的增長(zhǎng)幅度都達(dá)到了15%以上，工業(yè)相機(jī)和鏡頭也保持了20%以上的增幅。我國(guó)正在實(shí)施的工業(yè)4.0離不開智能制造，智能制造離不開機(jī)器視覺。2017-2020年，在中國(guó)制造2025的推動(dòng)下，中國(guó)機(jī)器視覺市場(chǎng)增速預(yù)計(jì)將保持在20%左右。

目前，美日兩國(guó)的機(jī)器視覺制造商在全球處于絕對(duì)領(lǐng)先地位。其中，日本基恩士無論從產(chǎn)業(yè)規(guī)模還是市場(chǎng)占有率看，都位居行業(yè)第一。與國(guó)際市場(chǎng)不同，中國(guó)機(jī)器視覺行業(yè)尚未形成明顯的競(jìng)爭(zhēng)格局。據(jù)悉，國(guó)外大多數(shù)機(jī)器視覺制造商基本具備從核心組件（光源、鏡頭、相機(jī)、圖像采集卡、圖象處理軟件等）到系統(tǒng)集成的產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)，而中國(guó)機(jī)器視覺制造商在軟件及硬件市場(chǎng)都不具備優(yōu)勢(shì)（硬件主要外購(gòu)），因此大多集中在機(jī)器視覺系統(tǒng)集成及設(shè)備制造上。隨著中國(guó)微處理器、半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，以及勞動(dòng)力成本上升和高質(zhì)量產(chǎn)品的需求，中國(guó)機(jī)器視覺市場(chǎng)將從2017年進(jìn)入高速發(fā)展期，但長(zhǎng)期的技術(shù)短板還需要逐步解決。

啟示 中國(guó)制造需要的核心技術(shù)仍需攻堅(jiān)

中國(guó)經(jīng)濟(jì)正在努力回歸制造業(yè)。中國(guó)制造業(yè)向來“大而不強(qiáng)”，由于普遍缺乏核心技術(shù)，大部分制造企業(yè)處于世界產(chǎn)業(yè)鏈的下游。從2010年左右，中國(guó)制造業(yè)已經(jīng)開始意識(shí)到核心技術(shù)缺失削弱了中國(guó)制造業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力的事實(shí)，并開始進(jìn)行轉(zhuǎn)型。值得興奮的是，中國(guó)制造在軌道交通、船舶工業(yè)、工程器械、航空工業(yè)等領(lǐng)域逐漸掌握核心技術(shù)并迎頭趕上。但是中國(guó)制造依然在眾多領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國(guó)家在技術(shù)水平上存在較大的差距。

比如醫(yī)療設(shè)備、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和電噴系統(tǒng)、家電領(lǐng)域的線性變頻壓縮機(jī)和直驅(qū)變頻電機(jī)、鋼鐵領(lǐng)域的模具鋼和工具鋼、自動(dòng)化生產(chǎn)線、高端化妝品和藥品等等。這些領(lǐng)域由于我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、自主創(chuàng)新能力不夠，長(zhǎng)期以來一直沒有大的突破，成長(zhǎng)制約中國(guó)制造的主要障礙。

據(jù)鋼鐵行業(yè)專家介紹，雖然國(guó)內(nèi)鋼鐵產(chǎn)能過剩，但我國(guó)在模具鋼、工具鋼的制造方面與國(guó)外的制造水平仍存在一定差距。“模具鋼就是機(jī)車軸承、精密儀器的零部件所使用的鋼材”，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)水平難以與國(guó)外相比較，大部分企業(yè)的采購(gòu)渠道還是直接從國(guó)外進(jìn)口，另外，做比較好的刀具所用的工具鋼，現(xiàn)在也基本上要從國(guó)外進(jìn)口。

近幾年，中國(guó)制造業(yè)開始意識(shí)到自主創(chuàng)新以及掌握核心技術(shù)的重要性，逐漸加大了技術(shù)研發(fā)的投入，并取得了初步成效。但是在機(jī)器視覺領(lǐng)域，從剛才的陳述中讀者就能體會(huì)到，目前主要的創(chuàng)新動(dòng)力主要來自于美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、以色列等國(guó)家。隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)日趨成熟，雖然越來越多的制造企業(yè)考慮如何采用機(jī)器視覺來幫助生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)檢查、測(cè)量和自動(dòng)識(shí)別等功能，以提高效率并降低成本，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效益最大化，但是采用的產(chǎn)品基本還不是中國(guó)制造。

從“世界工廠”的“美譽(yù)”到“中國(guó)制造”的期待，中國(guó)現(xiàn)在的創(chuàng)新動(dòng)力正在逐步恢復(fù)，但中國(guó)缺少的是一種集成創(chuàng)新的領(lǐng)導(dǎo)者。比如機(jī)器視覺系統(tǒng)由多種技術(shù)構(gòu)成，這些技術(shù)涉及人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、心理物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像處理、模式識(shí)別等諸多學(xué)科，所以也就需要多個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)。視覺系統(tǒng)的開發(fā)需要關(guān)注硬件、軟件以及它們的跨界集成，硬件系統(tǒng)又需要成像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、處理器等領(lǐng)域的持續(xù)進(jìn)步，所以只有眾多細(xì)分領(lǐng)域的創(chuàng)新小溪?jiǎng)恿Σ恢?，才能匯成中國(guó)制造的創(chuàng)新海洋。