如何將機器視覺整合至工業系統

November 26, 2018

Brandon Lewis

人工智慧與工業 4.0 的融合正在轉變影像處理程序。隨著機器視覺日益廣泛，將成像程序由獨立程序轉變為緊密整合的工業自動驅動器的需求也越來越高。同樣，對視覺系統的要求也更高，期待它們能將深入見解傳回監控整體工廠效能的企業系統。

這些新興的需求伴隨著艱難的挑戰。機器視覺需要極高的效能。工業物聯網需要安全的連線能力，以及能在邊緣執行商務應用程式的能力。此外，所有自動化系統皆必須符合長壽、安全，以及可靠等準則。

現在營運商想要能最小化佔用空間的整合解決方案，以節省空間、成本，以及耗電量。過去，這讓工程師們不斷想辦法利用單一平台滿足多種需求。

開發人員必須找出新方法，整合可靠、即時的控制功能，同時具有人工智慧與工業物聯網能力。最好的解決方案，通常是可容納多種工作負載類型，並盡可能將佔用空間、耗電量，以及成本降到最低的多功能工業控制器。

讓我們來看看工業機器視覺控制器滿足即時控制、工業 4.0，以及電腦視覺人工智慧功能的方法。

工業級的新一代成像能力

要將多種工作負載統合至相同的控制器，需要先進的多核心處理器與高階繪圖效能、彈性的連線能力，以及工業級的特性。第 7 代 Intel^® Core^™ 處理器是非常值得考慮的選項，能提供長效的生命週期支援，並在最高達 4.20 GHz 的二顆到四顆核心上提供多執行緒運算效能。針對空間有限和有電源考量的系統，此裝置亦有最低 35 W 的可設定散熱設計功耗 (TDP)。

對機器視覺應用來說，更為重要的是處理器的整合式繪圖單元，例如 Intel^® HD Graphics 630。Intel HD Graphics GPU 包含一系列通用功能，可為 CPU 核心卸載深度學習推斷與電腦視覺運作，如圖 1 所示。整合式 GPU 亦可加速工業機器視覺等高畫格率應用，搭配 Intel^® OpenVINO^™ 工具組等框架，加快執行 OpenCV 和 OpenVX 視覺功能的速度。

圖 1. Intel^® Core^™ 處理器內建 Intel^® HD Graphics 技術，可加速 DL 與 CV 工作負載，同時由主 CPU 核心卸載這些工作負載。（資料來源：Intel^® 公司）

相較於前一代，Intel Core 裝置的繪圖效能也能更有效率地處理 4K 影片內容。這是因為這一代搭載了 Intel^® 高速影像同步轉檔技術等技術。高速影像同步轉檔有助於增加所處理的影格量，同時支援 10 位元 HEVC、VP8、VP9，以及 VDENC 編碼解碼器的快速編碼、解碼，以及轉碼。

整合式圖形處理器亦原生支援三個獨立顯示器。此功能由 Intel Core 處理器的 Intel^® Q170 輔助晶片組支援，提供高達 20 條 PCI Express 3.0 線道、多達 10 個 USB 3.0 連接埠、最多 14 個 USB 2.0 連接埠，以及整合式的 Ethernet MAC。

除了跨多個 HMI 推斷自動化資料之外，這樣的企業級連線能力可將在雲端中進行調整的 CV 演算法帶到邊緣的機器視覺系統。如此不僅能改善這些系統的完整部署生命週期，也能在 CV 技術不停進化的情況下協助避免系統過時。

為工業工作負載整合提供更多選項

整合式 Intel HD Graphics 技術的加速與卸載功能，加上 Intel Q170 晶片組的網路功能，可確保在 Intel Core 處理器 CPU 核心上保存寶貴的時脈週期。搭配合適的機器視覺系統架構，這些週期可用於對安全性極為重要的感應與控制工作，讓工程師最大化單一控制器的功能。

其中一個例子，就是 Premio, Inc. 的 VCO-6000 系列，這是高度整合的工業機器視覺控制器，支援 Intel Core i3、i5 和 i7 處理器（圖 2）。這可自訂的無葉片系統具有最多五個 PCIe 擴充插槽可供設置，使系統能接受各種不同的資料取得方法與 I/O 模組，用於動作控制、影片擷取，或是運用 CANBUS 或 PROFINET 等通訊協定。更具有三個額外的 Mini PCIe 插槽，可支援高速無線或數據通訊。

圖 2. Premio, Inc. VCO-6000 系列工業機器視覺控制器提供最多五個 PCIe 擴充插槽與三個 Mini PCIe 插槽，可擴充系統功能。（資料來源︰Premio, Inc.）

VCO-6000 系列與機器視覺等其他工業自動化應用不同的特點，就是實體化並經過電氣隔離的 16 個數位 I/O 針腳（八個數位輸入，八個數位輸出）。因為此系列的控制器支援從 9 VDC 到 50 VDC 的電壓，經過隔離的 I/O 能使兩個部份的線圈分別設定為不同的電壓等級。這能協助保護系統電路不受暫態電壓尖波影響，並可在其他機器與電感負載的環境中改善共模電壓與雜訊消除效果。

6000 系列亦提供過量電壓 (OVP)、過量電流 (OCP)，以及逆向保護等安全防護功能，確保工業感應器、動作控制系統，以及 HMI 裝置能運作可靠無比。系統支援 -25 ºC 至 +70 ºC 的操作溫度範圍，並相容 Microsoft* Windows 7、Windows 10，以及 Linux 作業系統。