機(jī)器視覺長(zhǎng)期以來用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，以通過取代傳統(tǒng)上的人工檢查來提高生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量。從拾取和放置、對(duì)象跟蹤到計(jì)量、缺陷檢測(cè)等應(yīng)用，利用視覺數(shù)據(jù)可以通過提供簡(jiǎn)單的通過失敗信息或閉環(huán)控制回路，來提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。

　　視覺的使用并不僅僅在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域；我們也看到了相機(jī)在日常生活中的大量應(yīng)用，例如用于計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備，特別是在汽車中。攝像頭僅僅是在幾年前才被引入到汽車中，但是現(xiàn)在汽車中已經(jīng)配備了大量攝像頭，以為駕駛員提供完整的360°車輛視圖。

　　但是談到機(jī)器視覺領(lǐng)域的最大技術(shù)進(jìn)步，可能一直是處理能力。隨著處理器性能每?jī)赡攴环约皩?duì)多核CPU、GPU和FPGA等并行處理技術(shù)的持續(xù)關(guān)注，視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以將高度復(fù)雜的算法應(yīng)用于視覺數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建更智能的系統(tǒng)。

　　處理技術(shù)的發(fā)展帶來了新機(jī)會(huì)，而不僅僅是更智能或更強(qiáng)大的算法。讓我們看看為制造機(jī)器增加視覺功能的應(yīng)用案例。這些系統(tǒng)傳統(tǒng)上設(shè)計(jì)為形成協(xié)作分布式系統(tǒng)的智能子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)允許模塊化設(shè)計(jì)（見圖1）。

　　圖1：智能子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其設(shè)計(jì)為構(gòu)成協(xié)作分布式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)允許模塊化設(shè)計(jì)，但采用這種以硬件為中心的方法可能導(dǎo)致性能瓶頸。

　　然而，隨著系統(tǒng)性能的提高，采用這種以硬件為中心的方法可能遇到困難，因?yàn)檫@些系統(tǒng)通常采用時(shí)間關(guān)鍵和非時(shí)間關(guān)鍵協(xié)議的混合來聯(lián)接。通過各種通信協(xié)議將這些不同的系統(tǒng)聯(lián)接在一起，會(huì)導(dǎo)致延遲、確定性和吞吐量方面出現(xiàn)瓶頸。

　　例如，如果設(shè)計(jì)者試圖利用這種分布式架構(gòu)開發(fā)應(yīng)用，并且必須在視覺和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)之間保持緊密集成，例如在視覺伺服中所需要的，那么可能遇到由于缺乏處理能力而帶來的主要性能挑戰(zhàn)。此外，由于每個(gè)子系統(tǒng)都具有自己的控制器，這實(shí)際上會(huì)降低處理效率。

　　最后，由于這種以硬件為中心的分布式方法，設(shè)計(jì)人員不得不使用不同的設(shè)計(jì)工具來設(shè)計(jì)視覺系統(tǒng)中每個(gè)子系統(tǒng)的特定視覺軟件，以及用于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)專用軟件等。這對(duì)于規(guī)模較小的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)而言尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)橐粋€(gè)小團(tuán)隊(duì)甚至是一名工程師，需要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)中的許多部分。

　　幸運(yùn)的是，有更好的方法為先進(jìn)的機(jī)器和設(shè)備設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)，這是一種簡(jiǎn)化復(fù)雜性、提高集成度、降低風(fēng)險(xiǎn)和縮短上市時(shí)間的方法。如果我們將思維從以硬件為中心轉(zhuǎn)向以軟件為中心的設(shè)計(jì)方法，結(jié)果會(huì)怎么樣（見圖2）？如果我們使用能用單一設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)的編程工具，那么設(shè)計(jì)人員就可以在他們的軟件中反映機(jī)械系統(tǒng)的模塊性。

　　圖2：以軟件為中心的設(shè)計(jì)方法，允許設(shè)計(jì)人員通過在單個(gè)強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)中整合不同的自動(dòng)化任務(wù)（包括視覺檢查、運(yùn)動(dòng)控制、I／O和HMI）來簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　這允許設(shè)計(jì)人員通過在單個(gè)強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)（見圖3）中整合不同的自動(dòng)化任務(wù)（包括視覺檢查、運(yùn)動(dòng)控制、I／O和HMI）來簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這消除了子系統(tǒng)通信的挑戰(zhàn)，因?yàn)楝F(xiàn)在所有子系統(tǒng)都在單個(gè)控制器上的相同軟件堆棧中運(yùn)行。 高性能嵌入式視覺系統(tǒng)是這種集中式控制器的最佳候選者，因?yàn)檫@些設(shè)備中已經(jīng)內(nèi)置了這些功能。

　　圖3：將處理器與FPGA和I／O結(jié)合在一起的異構(gòu)架構(gòu)，不僅是設(shè)計(jì)高性能視覺系統(tǒng)、也是集成運(yùn)動(dòng)控制、HMI和I／O的理想解決方案。

　　讓我們來看看這種集中式處理架構(gòu)的一些好處。以視覺引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)應(yīng)用為例，例如柔性饋送，其中視覺系統(tǒng)為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)提供引導(dǎo)功能。這里，零件的位置和取向都是隨機(jī)的。在任務(wù)開始時(shí)，視覺系統(tǒng)拍攝零件的圖像以確定其位置和取向，并將該信息提供給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

　　然后，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)圖像坐標(biāo)將致動(dòng)器移動(dòng)到零件所處的位置，并拾起它。它也可以使用此信息在放置零件之前校正方向。通過這種方法，設(shè)計(jì)者可以消除先前用于定向和定位零件的任何夾具。這不但降低了成本，還允許應(yīng)用程序能更容易地適應(yīng)新的零件設(shè)計(jì)，只需要修改軟件即可。

　　以硬件為中心的架構(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是其可擴(kuò)展性，這主要?dú)w因于系統(tǒng)之間的以太網(wǎng)鏈路。但是也必須特別注意通過該鏈路的通信。如前所述，這種方法的挑戰(zhàn)在于以太網(wǎng)鏈路的不確定性，并且?guī)捰邢蕖?/p>

　　對(duì)于大多數(shù)僅在任務(wù)開始時(shí)給出引導(dǎo)的視覺引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)任務(wù)，這是可接受的；但是也可能存在其他情況，其中延遲的變化可能是一大挑戰(zhàn)。將這種設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向集中式處理架構(gòu)，具有諸多優(yōu)點(diǎn)。