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- 机器视觉:照亮“智”造新“视”界
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2022-06-17
作为五感之首,人类从外界接收的信息中80%是通过视觉获得的。 随着人工智能、边缘计算等新兴技术的高速发展,人们同样赋予了机器“认识”和“改造”世界的能力,从而替代人眼对外部环境进行测量、识别与判断,在无接触的情况下完成既定的任务。 这种技术称为机器视觉(MV),被誉为 “工业自动化的眼睛”,是实现智能制造最至关重要的一环。 身处智能革新的关键节点,传统制造行业面临着多方面的转型挑战。 一方面,人力成本攀升,工厂面临“招工难、留工难”的压力;另一方面,在智能制造浪潮下,质量检验和生产的需求不断增加,生产线对工业设备有了更高的要求。 加之国家越来越注重智能制造的发展,发布多项政策和规划大力推动智能制造领域的产品研发和市场扩展。在《“十四五”数字经济发展规划》中就明确提出了:到2025年,数字经济核心产业增加值占GDP比重达到10%。作为国之重器的制造业,工业互联网平台应用普及率要从2020年的14.7%,达到45%。 机器视觉质检就是工业互联网的一个重要应用场景。 机器视觉系统能够利用视觉传感器和计算设备,根据像素分布和亮度、颜色等信息,将目标的视觉信息转变成数字化信号。随后,图像处理系统通过对这些信号进行各种运算来抽取目标的特性,进而根据判别的结果来控制现场设备,完成工业中的自动检测、过程控制和机器人引导等任务。 当然,机器视觉的应用绝不仅限于质量检测,从包装和产品型号、序列号的字符识别,到物流行业的智能抓取、自动化分拣,再到生产线上可提升插件和组装环节效率的“飞拍”,所有这些场景都可以从机器视觉中受益,减少差错,降低成本,同时提升生产效率。 广阔的应用空间孕育了充足的市场潜力。中国作为全球制造业的加工中心,正成为世界机器视觉发展最活跃的地区之一。Grand View Research预测,到2023年,中国机器视觉行业的复合增长率将达28%。 在为数众多的应用场景中,机器视觉到底如何发挥作用?在哪些方面可以帮助制造业实现智能化升级? 英特尔在最新发布的《机器视觉特刊2022》中详细解读了机器视觉方案在实际场景中的应用,并展示了英特尔如何扮演重要的“赋能者”角色,携手中国机器视觉行业合作伙伴,助力工业企业加速迈向数字化转型、智能化升级。 英特尔发布《机器视觉特刊2022》 何为“智慧之眼”? 01 智能质检,让现场总线精度更高 机器视觉质检属于工业现场检测的一部分。在电子、汽车、金属加工、包装等行业,简单、可靠、经济实用的现场总线技术日益普及,也对过程自动化、制造自动化提出更高要求。因此,需要引入机器视觉,替代传统的人工检测方法。 机器视觉可以识别、提取待检测目标的关键特征,包括尺寸、形状、颜色,同时检验产品是否符合设计参数和质量参数,发现问题后,机器视觉还能识别出缺陷类型及位置,辅助进行产线调整。 虽然传统计算机视觉技术已经在该领域得到应用,但难以实现高精度。面向工业环境的机器视觉系统,具备比人类更高的视觉感知效率以及精度,降低了人为失误的可能性,从而提升表面缺陷检测等应用的稳定性、精确性与效率。 02 机器视觉,让机器人身段更柔软 随着中国经济不断发展,大家的需求也越来越多样。小批量、客制化、柔性制造,成为中国制造业不可逆转的趋势。 2020年,中国新安装了16.8万台工业机器人,占全球新安装量的43.85%。机器视觉可以为机器人带来了 “柔性”。IDC预测:将机器视觉集成到机器人系统中,可将操作灵活性增加50%,产品质量提高35%。 从物流、金属加工、汽车到3C市场,配备机器视觉的机器人,可以抓取不规则包裹、焊接非标金属部件、抓取随机摆放和堆叠零部件、装配客制化产品零部件,同时还能实现导航避障,以柔软的身段穿行于环境复杂的制造业厂房之中。 03 预测维护,让生产线成本更低寿命更长 为提高生产效率、降低运营成本,很多行业的工厂生产线往往是24小时运转,非计划突发停机往往造成重大损失。此时,依靠传感器收集的关键组件性能和操作人员行为,并对其加以分析,从而实现预测性维护,制造商就能更准确地判断何时需要维护机器、优化生产步骤。 根据IoTAnalytics发布的数据:到2026年,预测性维护市场将持续保持高速增长,复合年均增长率 (CAGR) 为31%。 随着技术的不断成熟,以往只能用于高端领域的机器视觉等设备,现在可以部署在边缘端,分析图片、视频、时序等海量数据,并开展实时分析,不但可以提高生产线收益率,同时还能延长机器寿命,提高成本效益。 英特尔® 架构 加速机器视觉应用 新冠疫情凸显了以机器人、机器视觉等为代表的自动化、智能化生产系统的重要价值——通过应用机器视觉系统,企业能够降低员工无法到岗对于生产节奏与生产秩序带来的影响,同时降低在疫情防控方面的压力。而随着疫情的逐步平息,制造业预计将加速复苏,机器视觉市场需求也将日益旺盛。 大量的需求无疑提高了制造业对于软硬件技术的标准和需求。为了加快机器视觉在工业互联网中落地,英特尔提供一系列硬件、软件和工具包,助力更多方案的落地,加速工业自动化产业升级,释放数据在边缘端的潜能。 在硬件层面,第三代英特尔® 至强® 可扩展处理器内置AI加速技术,代际平均性能增益1.46 倍, 图像分类的AI推理性能提升1.56倍,为机器视觉需要的服务器端负载提供有力支撑。再加上英特尔凌动® 、酷睿™ 、至强® 等处理器与FPGA及网络芯片,构成不同算力级别的处理器层次,同时有丰富的可扩展高速IO及外围接口电路等硬件支撑,能够满足从基础、主流、高级等不同机器视觉系统的需求。 在软件层面,英特尔® 工业边缘洞见平台(EII)、OpenVINO™ 工具套件、oneAPI工具包,以及英特尔机器视觉开发套件,构成了机器视觉的英特尔软件基础设施: ■ EII包括一套成熟的预集成软件栈。在边缘端提取、分析和存储视频数据和时序数据,内置AI功能,为边缘端提供AI加成,提高运营和生产效率。 英特尔® 工业边缘洞见平台(EII)架构示意 ■ OpenVINO™ 工具套件以加速深度学习推理为目标,基于最新一代人工神经网络,可扩展跨英特尔® 硬件的计算机视觉和非视觉工作负载,并大幅提高性能。 ■ oneAPI工具包作为跨行业、开放、基于标准的统一编程模型,提供跨加速器架构的通用开发人员体验,可以帮助制造业的方案开发达到更快的性能、更高生产力,以及更广阔的创新。 ■ 英特尔® 机器视觉开发套件是一个软硬一体的工具套件,基于英特尔凌动® 、酷睿™ 、或至强® 处理器开发,其中一部分采用新一代模块化核心板硬件架构 — 工业边缘节点参考架构,可以适应复杂的机器视觉场景。 有了上述软硬件的加持,英特尔提供了3D视觉加速方案,可以为机器人提供视觉导引与检测: 视觉导引:借助3D视觉定位与识别工件,指导机器人抓住工件,用于排序与堆放、装货与卸货以及焊接等。基于OpenVINO™ 工具套件的智能视觉引导和抓取可使得推理时间缩短6-15倍,CPU负载减少25%-73%。 视觉检测:使用工作站的摄像头、激光扫描仪等,对工件执行轮廓检测、表面缺陷检测与三维重建。 此外,英特尔的SigOpt AI训练平台可以用于自动优化深度学习训练流水线参数调优,从而提高建模效率,加快投产速度。 当然,英特尔的这些解决方案,绝不是纸上谈兵,已经在各行各业的众多企业中落地。 机器视觉落地生花 中国智造飞跃升级 传统的轮毂生产过程中,不同型号轮毂往往由人工完成,效率低,而且培训成本高,容易出错。信捷电气打造的AI轮毂分类/分割方案,用到第十一代英特尔® 酷睿™ 处理器、OpenVINO™ 工具套件和oneAPI工具包,推理精度可达99%,推理速度从531毫秒降到33毫秒,同时将人力成本降低75%。 基于AI的轮毂分类/分割流程 作为另一家制造业巨头,富士康建立起工业互联工厂(Fii),其中广泛应用了自动化系统,但由于海量数据造成的数据拥塞和网络延迟,阻碍了设备同步,降低产线效率。富士康使用工业互联网TSN解决方案,其核心目标之一是引入更多AI功能,构建监控产品的智能系统。现在,使用第十一代英特尔® 酷睿™ 处理器、英特尔® 至强® 和凌动® 处理器、英特尔® FPGA和英特尔® 以太网控制器(i210)作为关键设备组件,TSN可以预测性分析切割机的使用寿命和使用情况,并在整体上实现三大优势: 1 制造过程中的生产线收益率提高8%; 2 工业物联网的传输成功率提升到99% 3 异常检测、预测性分析等AI应用提高了成本效益和生产率 此外,在中国电信的5G MEC边缘云平台、光伏行业的接线盒定位焊接等场景中,英特尔的软硬件都起着决定性作用,帮助企业提升效率,消除安全隐患,降低运营成本。 当然,机器视觉的使用场景绝不仅限于这些,它已经成为基础设施智能化升级不可或缺的一部分。随着智能制造的不断推进,作为其关键元素的机器视觉,将持续推进工业系统实现自动化、智能化,改善系统在成本、效率、安全性、稳定性等方面的表现。 工业慧眼 智变未来 未来几年,制造业的机器视觉系统预计将集成更加精确的视觉传感器,具备更加强大、多元化的算力,并融合更加强大的机器视觉算法,衍生更多的场景化应用。同时机器视觉系统也将与工业机器人等系统进行协同应用,助力构建柔性、智能的产线,实现智能制造的远景目标。 通过技术创新与战略转型引领机器视觉发展是一个持续的过程,对企业效率的提升、供应链的稳定以产品的质量至关重要。在数字化创新技术的推动下,越来越多的制造企业将通过自主研发、生态合作等方式,将机器视觉应用到工业检测、工业机器人、预测性维护等场景之中,将传统的工业流程转变为智能化流程,这同时也为企业数据资源的挖掘与利用奠定了坚实的基础。 英特尔将继续强化与ISV、SI、OEM、ODM等生态合作伙伴的紧密合作,提供优化的机器视觉解决方案,将端到端的技术优势赋能给合作伙伴,助力机器视觉方案的场景化落地,进而帮助更多制造企业从这些方案中获益,持续拓展智能制造的能力范围与服务边界,将海量的工业数据变成可操作的洞察力。
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