虽然基于规则的传统机器视觉系统已经很好地服务于工业领域多年,它们能够比人类更快、更准确地执行特定任务,但是当遇到变化、偏差、模糊和不可预测性等情况使视觉信息复杂化时,传统机器视觉系统往往不能胜任。光照条件、视角、反射、阴影、遮挡甚至灰尘等环境条件的变化,都会影响传统机器视觉系统的能力。与人眼可以感知和适应这些环境变化不同,传统机器视觉系统如果没有不断的重新编程和参数修改,就无法对视觉数据进行准确、有意义的解释。

工业自动化正在迅速发展,工业4.0计划旨在提高从制造和装配到食品饮料、物流、医疗保健等各个行业的质量、效率和生产力。对于机器视觉系统而言,这意味着来自工业物联网(IIoT)传感器的增强数据和创新的高分辨率相机技术,可以捕获3D图像、红外波段和更多光谱带,以帮助克服与图像质量、环境变化和真实世界复杂性相关的问题。然而,人工智能(AI)是最重要的工业4.0技术,其将机器视觉系统提升到了一个新水平。

机器视觉系统的未来

AI使用先进的神经网络模型,来复制人类如何看待和理解他们所看到的东西,消除了传统机器视觉系统因现实应用中的变化而造成的局限性。借助AI,机器视觉系统可以快速轻松地分析图像,以识别细微的差别和模式,比较整个图像数据集的模式,并保留每次分析的信息,以不断学习并随着时间的推移提高准确性。部署在制造和装配线边缘、以实时处理本地数据的AI系统的激增,正在改变广泛的行业。

以下是边缘AI如何增强机器视觉系统的一些例子:

•质量控制:AI仔细分析来自任何装配线上的相机的视觉数据,从测量食品和饮料加工中的填充水平和成分,到检测药丸和计数小瓶,以确保消费者在用药方面的安全性。

•缺陷检测:在一系列制造和装配操作中,AI可以检测到从轻微的表面缺陷和复杂的颜色变化,到肉眼看不到的不明显的缺陷。它非常适合识别光伏面板等可再生能源资产上的划痕、微裂纹、薄膜损伤和结构缺陷。

•装配验证:AI确认装配组件的正确对齐、排列和数量。这在电子行业中起着至关重要的作用,因为它确保了印刷电路板(PCB)组装中晶圆等精细组件的质量和高精度定位。AI还可以对组件进行分类和计数,以便将它们运送到正确的装配线或包装区域。

•包装和标签检测:AI可识别仓库和配送环境中缺失的组件以及损坏和未密封的包装。AI机器视觉系统甚至可以利用模式匹配功能来读取、识别和翻译条形码和标签。这对于确保食品、饮料和制药行业的产品质量、消费者安全和监管合规性至关重要。读取和验证标签的能力甚至可以优化库存管理,并通过将不准确、模糊或折叠的运输标签排除在供应链之外,来改善物流。

•自动化:AI使机器人能够识别物体,计算精确的形状和尺寸,并理解空间背景,以识别系统设计中的问题。这确保了组件在3D空间中的精确放置和方向,并能提高分类和拾取的准确性。

虽然机器视觉系统极大地提高了许多制造业和物流环境中的生产力和质量控制,但是AI的集成使这些系统的能力超出了想象,从而提高了速度、效率和准确性。此外,在边缘集成AI可以加快实时决策和行动,因为不需要在更大的网络上传输信息。边缘AI技术在尺寸和重量上也更小,提供了更高的可用性、更好的安全性、更容易的可扩展性和更低的整体成本。

为边缘应用选择合适的硬件

虽然工业4.0和边缘AI为机器视觉系统赋予了新的功能,但是将新技术集成到现有的制造和装配线上仍然会引入诸多挑战。当今的系统集成商面临着越来越复杂的组件、多样化的I/O接口,以及既要支持当前的应用,又能够支持用于分析海量数据集并需要高性能计算的未来的AI模型。

以下是为新兴机器视觉技术选择工业边缘计算机时,需要考虑的几点关键因素:

•计算能力和内存:边缘计算机应该能够灵活地支持各种中央和图形处理单元(即CPU/GPU)的要求,以满足多样化和未来的需求,例如最新的第12/13代Intel CPU,具备24个内核,可以有效处理更大的AI数据集。它们还需要具备最新的DDR(双倍数据速率)内存,具有极高的带宽,以便更快地访问存储的数据并将其传输到处理器进行实时分析。

•全面的I/O支持:支持最新设备的各种接口,是机器视觉边缘计算机中需要具备的关键功能。它应该包括具有数字接口的芯片组,以支持高速工业相机,例如符合GigE Vision、USB3 Vision、Camera Link和CoaXPress接口标准的相机。支持音频系统、KVM(即键盘、视频、鼠标)设备、串行通信(即RS232/422/485)、显示器和外部平台的I/O口,也是一些关键的考虑因素。

•安全、高吞吐量的网络连接:通过多千兆位以太网LAN端口与内部和外部工业网络的安全、高带宽连接,应该是每台边缘计算机不可或缺的一部分。它们还应该为越来越多的无线工业传感器和设备提供最新的5G无线连接,这些传感器和设备支持远程监测和控制、移动机器人、自主导航车辆、移动资产跟踪以及增强现实、虚拟现实和数字孪生等新兴技术。

•扩展能力:随着AI技术的演进,边缘计算机应为CPU和GPU等组件提供灵活的扩展选项,以及额外I/O端口的可选扩展模块。这允许轻松扩展系统以适应当前和未来的机器视觉技术,最终延长系统的寿命。

•定制选项:由于每个机器视觉应用和环境在预期用途、连接的设备和配置方面都有独特的要求,因此现成的产品可能并不总是能够满足特定的需求。系统集成商应考虑具有设计和集成服务支持的边缘计算机,以满足精准的项目规范。这些服务可以定制解决方案,以满足独特的硬件和软件要求。

•智能PoE设备管理:边缘计算机应确保通过直流输入电源向内部组件安全供电,同时提供无缝的智能电源管理,例如能够管理和监控USB和以太网供电(PoE)等远程配电技术的每个端口的功耗,为连接的设备(如相机、光源、传感器等)供电。

•环境保护:部署在装配线附近的边缘计算机必须坚固耐用,并且能够承受工业制造的恶劣环境,包括暴露在冲击、振动、极端温度、湿度、电磁干扰、灰尘和碎屑等环境中。

•行业合规性:任何工业边缘硬件,都应符合适合在工业环境中使用的电子设备的最新性能和安全标准。

适用于机器视觉的边缘计算产品

为了满足AI增强型机器视觉应用的需求,Axiomtek设计了IPC962A边缘计算机。与所有Axiomtek产品一样,IPC962A采用严格的质量标准制造,可承受恶劣的工业环境。它通过了EN 61000-6-4和EN 61000-6-2电磁兼容性认证,提供-20~ 60°C的宽工作温度范围和耐用型冷轧钢结构外壳。

具体来看,IPC962A具备如下特性:

•下一代性能:采用最新的Intel 13/12代Core™处理器,配备Intel Q670E/H610E芯片组和双DDR5 4800/4000 SO-DIMM插槽,可提供64GB RAM,并可选择AI加速器模块来处理密集的AI工作。

•高级连接:采用最新的高通量无线、USB 3.0和以太网连接,包括对5G无线连件的支持。

•多种显示选项:提供DisplayPort、HDMI和DVI-D端口,适用于分辨率高达4096×2160的高级3D、红外和高光谱机器视觉相机。

•灵活的I/O:提供用于USB设备、音频、串行通信、外部显示器、机器人、工业计算机等的端口。

•智能PoE设备管理:提供用于18~36VDC输入电源、点火控制、远程LED等的4针接线板。用于PoE控制和监控的Axiomtek PoE管理器,提供最终的智能电源管理,包括物理层连接、通信层协议、中间件API和高级软件管理。

兼顾当下与未来需求

凭借卓越的设计灵活性和模块化,IPC962A提供了卓越的扩展能力,便于扩展机器视觉系统。IPC962A的前置I/O扩展接受各种I/O模块,用于额外的设备连接——从局域网、USB和串行端口到外部显示器、机器人和其他外部工业设备和计算机。IPC962A还具有两个高速PCle插槽,用于高性能并行CPU和GPU AI加速器,如NVIDIA T600/T1000和Intel ARC Pro A50 GPU,支持AI深度学习推理和训练模型,使集成商能够快速轻松地适应新的多样化边缘AI和工业4.0技术,将机器视觉系统提升到一个新的水平。

IPC962A还配备了一个PCIe插槽,用于提供额外功能。例如,IPC962A可以接受Axiomtek的AX92320 4端口PCI Express GigE图像采集卡,以支持四个独立的30W PoE兼容以太网端口,用于为GigE Vision相机供电和传输信息。它还支持IEEE 1588(精确时间协议),用于实现多相机采集的同步。IPC962A还可配备Axiomtek的AX92350实时视觉I/O卡,该卡具有增量正交编码器输入和去跳滤波器,用于实时集成和控制多个I/O,实现照明、相机、执行器和传感器设备之间的精确交互。Axiomtek的照明控制模块提供多种照明控制模式和可调延迟/持续时间功能,允许用户设置“系统在发送触发输出之前等待的”延迟时间,并定义持续时间以调整LED输出的脉冲宽度。当与高度模块化的IPC962A配对时,AX92350实时视觉I/O卡和照明控制模块提供微秒级控制和照明控制,以满足时序要求并确保高质量的图像输出,适用于两种真实场景,如图1、图2所示。

图1:当光学传感器或编码器检测到生产线上的物体时,触发信号会通知系统让相机捕捉图像。视觉平台分析图像中的物体,如果检测到缺陷,气动执行机构或机械臂可以移除不合格的物体。

图2:在这个应用中,系统需要记录编码器位置用于相机触发。Axiomtek的硬件专门设计用于存储编码器位置。当传感器产生一个外部锁存输入信号时,编码器位置值将被记录到锁存寄存器中。用户可以通过调用API来获取位置数据

确保无缝集成

Axiomtek致力于通过以下服务,帮助各行各业的制造商促进多样化的机器视觉应用,并无缝集成新兴的AI技术:

•由经验丰富的工程师组成的设计服务团队,拥有一流的服务和领域专业知识,可以通过硬件和软件的组合,从板级到系统级定制解决方案,实现完全集成的部署,以满足AI和机器视觉应用的需求。

•大客户管理服务提供主动、全面的支持,以精确和谨慎的方式指导客户完成每个阶段——从个性化的项目管理、项目要求、规划和订购,到交付和持续的项目后期支持。

•通过不断扩大的合作伙伴生态系统,Axiomtek与软件合作伙伴合作,提供API实用程序、驱动程序支持和嵌入式操作系统。与硬件合作伙伴合作,确保先进的外围设备经过验证,具备兼容性和可靠性。

•DigiHub资源和软件开发套件,可以帮助机器视觉集成商轻松构建和实施定制的AI训练和推理深度学习模型。AI就绪软件开发工具包基于Intel Edge Insight,无需编码即可部署AI。

推进下一代机器视觉应用

随着机器视觉系统不断发展,通过集成先进的相机、5G、IIoT和AI技术,提供更高水平的速度、效率和准确性,Axiomtek真正处于创新机器视觉计算机解决方案的前沿,这些解决方案利用了这些新的、令人兴奋的功能。从AI嵌入式系统到全面的I/O支持和无缝的软件集成,Axiomtek提供一系列定制配置的高性能工业级机器视觉计算机,以帮助各个细分市场的客户在其制造和装配线上实现运营改进、生产率提高、性能提升和效率提高。

随着新的工业4.0技术的不断发展,Axiomtek也在不断掌握新技术,并与合作伙伴生态系统合作,开发先进且高度可靠的工业计算机解决方案,支持现实世界应用的新功能。这一切都得到了专家设计和集成服务的支持,这些服务使系统集成商能够快速、经济高效地部署先进的机器视觉系统(从传统到边缘AI),满足当下和未来的需求。