機器視覺長期以來用于工業(yè)自動化系統(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、對象跟蹤到計量、缺陷檢測等應用，利用視覺數(shù)據(jù)可以通過提供簡單的通過失敗信息或閉環(huán)控制回路，來提高整個系統(tǒng)的性能。

視覺的使用并不僅僅在工業(yè)自動化領(lǐng)域；我們也看到了相機在日常生活中的大量應用，例如用于計算機、移動設備，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。

但是談到機器視覺領(lǐng)域的最大技術(shù)進步，可能一直是處理能力。隨著處理器性能每兩年翻一番，以及對多核CPU、GPU和FPGA等并行處理技術(shù)的持續(xù)關(guān)注，視覺系統(tǒng)設計人員現(xiàn)在可以將高度復雜的算法應用于視覺數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建更智能的系統(tǒng)。

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

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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，因為這些系統(tǒng)通常采用時間關(guān)鍵和非時間關(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，會導致延遲、確定性和吞吐量方面出現(xiàn)瓶頸。

例如，如果設計者試圖利用這種分布式架構(gòu)開發(fā)應用，并且必須在視覺和運動系統(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，由于每個子系統(tǒng)都具有自己的控制器，這實際上會降低處理效率。

最后，由于這種以硬件為中心的分布式方法，設計人員不得不使用不同的設計工具來設計視覺系統(tǒng)中每個子系統(tǒng)的特定視覺軟件，以及用于運動系統(tǒng)的運動專用軟件等。這對于規(guī)模較小的設計團隊而言尤其具有挑戰(zhàn)性，因為一個小團隊甚至是一名工程師，需要負責設計中的許多部分。

幸運的是，有更好的方法為先進的機器和設備設計這些系統(tǒng)，這是一種簡化復雜性、提高集成度、降低風險和縮短上市時間的方法。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計方法，結(jié)果會怎么樣（見圖2）？如果我們使用能用單一設計工具實現(xiàn)不同任務的編程工具，那么設計人員就可以在他們的軟件中反映機械系統(tǒng)的模塊性。

圖2：以軟件為中心的設計方法，允許設計人員通過在單個強大的嵌入式系統(tǒng)中整合不同的自動化任務（包括視覺檢查、運動控制、I/O和HMI）來簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

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這允許設計人員通過在單個強大的嵌入式系統(tǒng)（見圖3）中整合不同的自動化任務（包括視覺檢查、運動控制、I/O和HMI）來簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這消除了子系統(tǒng)通信的挑戰(zhàn)，因為現(xiàn)在所有子系統(tǒng)都在單個控制器上的相同軟件堆棧中運行。 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，因為這些設備中已經(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)，不僅是設計高性能視覺系統(tǒng)、也是集成運動控制、HMI和I/O的理想解決方案。

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讓我們來看看這種集中式處理架構(gòu)的一些好處。以視覺引導運動應用為例，例如柔性饋送，其中視覺系統(tǒng)為運動系統(tǒng)提供引導功能。這里，零件的位置和取向都是隨機的。在任務開始時，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動系統(tǒng)。

然后，運動系統(tǒng)根據(jù)圖像坐標將致動器移動到零件所處的位置，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，設計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，還允許應用程序能更容易地適應新的零件設計，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)點是其可擴展性，這主要歸因于系統(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>

對于大多數(shù)僅在任務開始時給出引導的視覺引導運動任務，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)。將這種設計轉(zhuǎn)向集中式處理架構(gòu)，具有諸多優(yōu)點。

首先，因為可以使用相同的軟件開發(fā)視覺系統(tǒng)和運動系統(tǒng)，設計者不需要熟悉多種編程語言或環(huán)境，因此降低了開發(fā)復雜性。第二，消除了以太網(wǎng)網(wǎng)絡上的潛在性能瓶頸，因為現(xiàn)在數(shù)據(jù)僅在單個應用中的環(huán)路之間傳遞，而不是在物理層之間傳遞。

這使得整個系統(tǒng)的運行具有確定性，因為一切共享相同的過程。當將視覺直接引入控制回路中時，例如在視覺伺服應用中，這是特別有價值的。這里，視覺系統(tǒng)在運動期間連續(xù)捕獲致動器和目標零件的圖像，直到運動完成。這些捕獲的圖像用于提供關(guān)于運動成功的反饋。有了這一反饋，設計人員可以提高現(xiàn)有自動化的精度和精密度，而無需升級到高性能運動硬件。

現(xiàn)在提出了一個問題：這個系統(tǒng)是什么樣子？如果設計人員將要使用能滿足機器視覺系統(tǒng)所需的計算和控制需求的系統(tǒng)，并要與其他系統(tǒng)（如運動控制、HMI和I/O）無縫連接，那么他們需要使用具備所需性能的硬件架構(gòu)，以及每個這些系統(tǒng)所需的智能和控制能力。

這種系統(tǒng)的一個很好的選擇是：使用將處理器和FPGA與I/O相結(jié)合的異構(gòu)處理架構(gòu)。已經(jīng)有很多行業(yè)投資這種架構(gòu)，包括美國Xilinx公司的Zynq全可編程SoC（將ARM處理器與Xilinx 7系列FPGA架構(gòu)相結(jié)合），以及英特爾數(shù)十億美元收購Altera等。

對于視覺系統(tǒng)，使用FPGA特別有益，這主要是因為其固有的并行性。算法可以分開，運行數(shù)千種不同的方式，并且可以保持完全獨立。另外，這種架構(gòu)的好處不僅僅體現(xiàn)在視覺方面，其對運動控制系統(tǒng)和I/O也大有裨益。

處理器和FPGA可用于執(zhí)行高級處理、計算和制定決策。設計人員幾乎可以通過模擬和數(shù)字I/O、工業(yè)協(xié)議、定制協(xié)議、傳感器、致動器和繼電器等，連接到任何總線上的任何傳感器。此架構(gòu)還滿足了其他要求，如時序和同步以及業(yè)務挑戰(zhàn)（如提高生產(chǎn)率）。每個人都希望更快地開發(fā)產(chǎn)品，這種架構(gòu)消除了對大型專業(yè)設計團隊的需要。

不幸的是，雖然這種架構(gòu)提供了很多性能和可擴展性，但是實現(xiàn)它的傳統(tǒng)方法需要專業(yè)知識，特別是在使用FPGA時。這為設計者帶來了巨大風險，并有可能導致使用該架構(gòu)不切實際甚至不可能。然而，使用集成軟件（如NI LabVIEW），設計人員可以通過提取低級復雜性，并將所需的所有技術(shù)集成到單一開發(fā)環(huán)境中，來提高生產(chǎn)率，降低風險。

理論是一回事，將其付諸實踐是另一回事。Master Machinery是***一家生產(chǎn)半導體加工設備的公司（見圖4）。這種特定的設備使用機器視覺、運動控制和工業(yè)I/O的組合，將芯片從硅晶片上取下并封裝。這是能使用圖1中的分布式架構(gòu)的機器示例，每個子系統(tǒng)可以單獨開發(fā)，然后通過網(wǎng)絡集成在一起。

圖4：使用中央集權(quán)的、以軟件為中心的方法，Master Machinery公司將其主機控制器、機器視覺和運動系統(tǒng)、I/O和HMI全部集成到單個控制器中，性能是競爭對手的10倍。

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行業(yè)內(nèi)這種機器每小時的產(chǎn)量大約為2000個零件。但是Master Machinery公司采取了不同的方法。他們設計了中央集權(quán)的、以軟件為中心的架構(gòu)，并將主機控制器、機器視覺和運動系統(tǒng)、I/O和HMI全部集成到單獨的控制器中，所有都采用LabVIEW編程。除了不需要單個子系統(tǒng)實現(xiàn)成本節(jié)約之外，這種方法還具備性能優(yōu)勢，其每小時大約能生產(chǎn)20000個零件，是競爭產(chǎn)品的10倍。

Master Machinery公司成功的關(guān)鍵因素之一是能夠?qū)⒍鄠€子系統(tǒng)組合在單個軟件堆棧中，特別是機器視覺和運動控制系統(tǒng)。使用這種統(tǒng)一的方法，Master Machinery公司不但簡化了設計機器視覺系統(tǒng)的方式，而且還簡化了如何設計整個系統(tǒng)。

機器視覺是一項復雜的任務，需要大量的處理能力。隨著摩爾定律繼續(xù)增加處理元件（如CPU、GPU和FPGA）的性能，設計人員可以使用這些組件來開發(fā)高度復雜的算法。設計人員還可以使用此技術(shù)來提高設計中其他組件的設計性能，特別是在運動控制和I/O領(lǐng)域。

隨著所有這些子系統(tǒng)性能的提高，用于開發(fā)這些機器的傳統(tǒng)分布式架構(gòu)將面臨壓力。將這些任務整合到單個控制器中，運行在單個軟件環(huán)境下，消除了設計過程中的瓶頸，使設計人員可以專注于創(chuàng)新，而不必擔心實施問題。

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