在空間受限的工業(yè)過程監(jiān)控中，使用與基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)連接的大量相機(jī)，并不是一種可行性方案。在這種情況下，使用包含了相機(jī)和PC功能的智能相機(jī)，能為系統(tǒng)集成商提供局部通過/失敗判定、I/O零件剔除和聯(lián)網(wǎng)的管理能力等選項(xiàng)，同時(shí)還能減少系統(tǒng)所占用的空間。

在過去的十年中，機(jī)器視覺應(yīng)用領(lǐng)域?qū)χ悄芟鄼C(jī)的需求穩(wěn)步增長。然而，正如澳大利亞國家信息通信技術(shù)研究院（NICTA）的Yu Shi在《Smart Cameras: A Review》一文中所指出的，智能相機(jī)將會(huì)越來越多地部署到醫(yī)療、娛樂和教育等領(lǐng)域。

在這些領(lǐng)域，每種應(yīng)用都需要不同類型的智能相機(jī)。雖然大批量生產(chǎn)的安全相機(jī)可能需要低成本的成像器、處理器、存儲(chǔ)器和無線接口，但是為工業(yè)機(jī)器視覺應(yīng)用開發(fā)的相機(jī)還需要額外的功能。對(duì)于那些希望為工業(yè)應(yīng)用部署智能相機(jī)的用戶而言，市場上存在一系列智能相機(jī)產(chǎn)品可供選擇，這些產(chǎn)品中包含不同類型的圖像傳感器、CPU、DSP、FPGA、I/O、軟件以及內(nèi)部和外部照明功能。

多處理器架構(gòu)在提供機(jī)器視覺應(yīng)用所需的圖像處理吞吐量方面非常有用，因?yàn)檫@種架構(gòu)可以在不同處理器之間分配視覺任務(wù)。例如，F(xiàn)PGA能最有效地執(zhí)行諸如直方圖均衡和圖像過濾等處理任務(wù)；而對(duì)于統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別這樣的任務(wù)，則最好交給通用CPU來執(zhí)行。通過在多個(gè)處理器之間分配這些任務(wù)，可以有效地執(zhí)行圖像處理任務(wù)，從而減少延遲和處理時(shí)間。

每家智能相機(jī)供應(yīng)商都采用了自己特定的計(jì)算架構(gòu)，它們之間的差異會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大的影響。瑞典中部大學(xué)的Abdul Waheed Malik在他的論文《用于實(shí)時(shí)機(jī)器視覺系統(tǒng)的三種智能相機(jī)架構(gòu)的比較》（Comparison of Three Smart CameraArchitectures for Real-Time Machine Vision System）一文中表示，基于軟件的商用智能相機(jī)可能會(huì)比其他類型的設(shè)計(jì)展現(xiàn)出更高的延遲，并消耗更多的功率，但是它們可以獲益于更輕松的軟件編程。

在這種智能相機(jī)設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA可以執(zhí)行低級(jí)圖像處理功能，例如在CPU、DSP或GPU處理圖像之前的缺陷像素校正、伽馬校正或拜耳插值。通過將這些任務(wù)卸載到FPGA上，相機(jī)中的處理器可以更好地執(zhí)行更高級(jí)別的圖像處理任務(wù)。

正如智能相機(jī)的架構(gòu)非常重要一樣，智能相機(jī)的易用性或可編程性、用以按照需要的速度執(zhí)行特定的任務(wù)，對(duì)于系統(tǒng)集成商而言也非常關(guān)鍵。雖然智能相機(jī)可以使用各種不同類型的圖像傳感器、I/O和照明配置，但是供應(yīng)商通常提供用于執(zhí)行某種特定成像任務(wù)（如條形碼讀取）的智能相機(jī)產(chǎn)品。這些特定功能通常已經(jīng)定制到相機(jī)的板載FPGA和CPU上，相機(jī)已經(jīng)不能配置為執(zhí)行其他任務(wù)。

然而，許多系統(tǒng)集成商需要能夠執(zhí)行多個(gè)圖像處理操作的智能相機(jī)，例如圖像增強(qiáng)、特征位置、對(duì)象測量、存在/不存在檢測或其他機(jī)器視覺任務(wù)。在這種情況下，開發(fā)人員將面臨多種選擇。為了滿足這些需求，許多智能相機(jī)供應(yīng)商提供具有自身軟件和圖形用戶界面（GUI）開發(fā)系統(tǒng)的智能相機(jī)產(chǎn)品。雖然使用這種相機(jī)可能僅限于使用供應(yīng)商自己的軟件，但是供應(yīng)商對(duì)智能相機(jī)及其使用的視覺軟件都有深入的了解，這一點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)開發(fā)人員也是一種支持保證。

一些供應(yīng)商（特別是那些已經(jīng)在機(jī)器視覺軟件開發(fā)方面比較成熟的廠商）已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，在設(shè)計(jì)上與他們的產(chǎn)品相似的第三方智能相機(jī)的出現(xiàn)。很多供應(yīng)商并沒有忽略這個(gè)機(jī)會(huì)，而是允許其他智能相機(jī)供應(yīng)商將他們的軟件集成到各種智能相機(jī)產(chǎn)品中。然而，雖然第三方相機(jī)供應(yīng)商也可以提供智能相機(jī)產(chǎn)品，但是他們提供的支持，相比于智能相機(jī)系統(tǒng)和機(jī)器視覺軟件供應(yīng)商可能更為有限。通過這種發(fā)展，復(fù)雜的系統(tǒng)集成商可以使用現(xiàn)成的軟件包和第三方相機(jī)，為他們的機(jī)器視覺任務(wù)開發(fā)最有效和最高效的解決方案。

條形碼讀取

今天，許多公司都專門針對(duì)條形碼讀取應(yīng)用提供智能相機(jī)（通常被稱為智能圖像傳感器），如康耐視的DataMan和MX讀碼器、Datalogic的Matrix系列、基恩士的SR系列、邁思肯的MicroHAWK讀碼器、SICK的Lector系列，以及TeledyneDALSA的BOA Spot ID產(chǎn)品。

雖然這些公司各自都使用了專門針對(duì)條形碼讀取的成像器和處理器，但是許多公司已經(jīng)意識(shí)到，必須將讀取或驗(yàn)證條形碼數(shù)據(jù)的完整性，與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和軟件一起部署。通過實(shí)施這樣的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，工廠經(jīng)理可以識(shí)別和分類任何讀取或驗(yàn)證錯(cuò)誤，并且將錯(cuò)誤原因呈現(xiàn)為可視化數(shù)據(jù)，例如錯(cuò)誤的條形碼打印機(jī)，從而增加正確讀取代碼的概率，提高生產(chǎn)線上的機(jī)器效率，減少浪費(fèi)。

市場上存在一些這種實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的樣例，例如SICK的軟件包分析軟件、基恩士的WebSentinel PLUS和康耐視的Cognex Explorer實(shí)時(shí)監(jiān)控（RTM）系統(tǒng)（見圖1）。通過解讀這些圖像數(shù)據(jù)，而不僅僅是讀取或驗(yàn)證，可以使管理者獲得有關(guān)讀碼器性能和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上其他外設(shè)狀態(tài)的寶貴數(shù)據(jù)。

圖1：Cognex Explorer實(shí)時(shí)監(jiān)控（RTM）系統(tǒng)，可以從基于圖像的讀碼器中解讀圖像數(shù)據(jù)，為運(yùn)營經(jīng)理提供有關(guān)讀碼器性能和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上其他外設(shè)狀態(tài)的寶貴數(shù)據(jù)。

專有解決方案

雖然許多智能相機(jī)在設(shè)計(jì)上都較為相似，但是制造商已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，要讓這些智能相機(jī)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)增值，是通過它們可以執(zhí)行的機(jī)器視覺任務(wù)來實(shí)現(xiàn)的。將這樣的軟件定制到特定的設(shè)備中，使得供應(yīng)商能夠更緊密地控制其產(chǎn)品和他們的客戶需要執(zhí)行的任務(wù)?；魇亢蜌W姆龍都提供具有自身專有軟件的智能相機(jī)，用于執(zhí)行特定的成像任務(wù)。例如，基恩士的Vision Sensor IV系列可以執(zhí)行邊緣存在、輪廓和色差測量等功能；歐姆龍的FQ2系列和Shape Search III工具，可以搜索和匹配登記的圖案。這在識(shí)別特定顏色和尺寸的標(biāo)簽、以及同時(shí)測量標(biāo)簽的面積或中心位置的應(yīng)用中，特別有用。

提供專有的硬件/軟件解決方案的不僅僅是日本供應(yīng)商。例如，Datalogic公司的Impact軟件支持其P系列、A系列和T系列智能相機(jī)，為開發(fā)人員提供超過100種檢測工具和用戶界面控件，用于創(chuàng)建機(jī)器視覺檢測程序（見圖2）。BannerEngineering提供Vision Manager軟件支持其VE系列智能相機(jī)，用于目標(biāo)檢測、零件定位、特征測量和缺陷分析等任務(wù)。印度Soliton Technologies公司為其基于DSP的智能相機(jī)Neo，開發(fā)了SolitonVision Library（SVL）軟件。希望定制相機(jī)的OEM也可以使用德州儀器的Code Composer Studio開發(fā)自己的算法。

圖2：Datalogic的Impact軟件支持其P系列、A系列和T系列智能相機(jī)，該軟件為開發(fā)人員提供超過100種檢測工具和用戶界面控件，用于創(chuàng)建機(jī)器視覺檢測程序。

軟件是關(guān)鍵

正如基恩士和歐姆龍這樣的公司提供只能配置自身相機(jī)的專有軟件一樣，一些成熟的軟件供應(yīng)商也提供他們自己的智能相機(jī)產(chǎn)品。其中，康耐視、Teledyne DALSA、MatroxImaging、邁思肯和NI都提供與他們的機(jī)器視覺軟件一起使用的智能相機(jī)產(chǎn)品。

憑借在機(jī)器視覺軟件開發(fā)方面的悠久歷史，這些公司已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，系統(tǒng)開發(fā)人員需要一種簡單的方法來編程他們的智能相機(jī)。為此，他們開發(fā)了簡化的用戶界面。這樣一來，系統(tǒng)開發(fā)人員不需要再進(jìn)行復(fù)雜的軟件開發(fā)任務(wù)，進(jìn)而可以將主要精力專注于他們的檢測任務(wù)上。

在許多不同的配置中都提供這樣的開發(fā)工具，以便集成商可以使用易于理解的界面配置智能相機(jī)。這些界面，為編程智能相機(jī)提供了多種選擇。例如，對(duì)于In-Sight系列智能相機(jī)而言，康耐視的EasyBuilder軟件允許從菜單中選擇一系列功能，來實(shí)現(xiàn)模式圖像匹配、過濾、缺陷分析和OCR等任務(wù)。

類似地，Teledyne DALSA的iNspectExpress界面能夠指導(dǎo)開發(fā)人員設(shè)置視覺任務(wù)，執(zhí)行諸如存在/不在檢測、零件對(duì)準(zhǔn)、測量和表面檢測等功能（見圖3）。該軟件在其BOA系列智能相機(jī)上運(yùn)行，還包括一個(gè)腳本功能，允許通過以太網(wǎng)或RS-232串行接口與第三方設(shè)備進(jìn)行通信。邁思肯提供AutoVISION 圖形用戶界面開發(fā)其MicroHAWK系列智能相機(jī)，以便執(zhí)行條形碼讀取、零件定位、計(jì)數(shù)、存在/不存在檢測等任務(wù)，該界面還可以通過邁思肯的VisionScape軟件進(jìn)行擴(kuò)展，用于更高級(jí)的應(yīng)用。

圖3：Teledyne DALSA的iNspect Express軟件運(yùn)行在其BOA系列智能相機(jī)上，用于指導(dǎo)開發(fā)人員設(shè)置視覺任務(wù)，執(zhí)行諸如存在/不在檢測、零件對(duì)準(zhǔn)、測量和表面檢測等任務(wù)。提供超過20種可用工具，本應(yīng)用中顯示了半導(dǎo)體封裝的引腳計(jì)數(shù)和距離測量（中心）。

Matrox公司提供一種流程圖方法來編程其Iris GTR智能相機(jī)。使用公司的Matrox Imaging Library（MIL）構(gòu)建的MatroxDesign Assistant，是一個(gè)集成的開發(fā)環(huán)境（IDE），允許開發(fā)人員在不需要常規(guī)編程的情況下構(gòu)建應(yīng)用程序。該IDE還支持為特定應(yīng)用開發(fā)圖形操作界面。

第三方解決方案

許多專有的智能相機(jī)專用于諸如條形碼讀取等任務(wù)，而可編程智能相機(jī)則允許執(zhí)行多個(gè)機(jī)器視覺任務(wù)。系統(tǒng)集成商可以選擇第三方相機(jī)，而不從智能相機(jī)和軟件供應(yīng)商那里選取。由于很多智能相機(jī)都是基于Intel或AMD處理器的，所以開發(fā)人員可以利用這兩家公司開發(fā)的軟件，或是采用其他基于PC的機(jī)器視覺軟件供應(yīng)商的軟件。

例如，凌華科技的NEON-1021智能相機(jī)采用Intel凌動(dòng)處理器，支持多種軟件包，包括MVTec公司的MERLIC和HALCON、StemmerImaging的Common Vision Blox、康耐視的VisionPro、Matrox的MIL以及TeledyneDALSA的Sherlock。

許多智能相機(jī)供應(yīng)商也支持第三方機(jī)器視覺軟件包，如Adaptive Vision的Graphical Adaptive Vision Studio 4.8軟件包。Adaptive Vision的軟件使用基于數(shù)據(jù)流的軟件界面，可以為相機(jī)校準(zhǔn)、條形碼讀取、一維和二維測量以及模板匹配等任務(wù)進(jìn)行編程（見圖4）。

圖4：Graphical Adaptive Vision Studio 4.8軟件使用基于數(shù)據(jù)流的軟件界面，可在智能相機(jī)上運(yùn)行，用于相機(jī)校準(zhǔn)、條形碼讀取、一維和二維測量以及模板匹配。

在Adaptive Vision Studio環(huán)境下創(chuàng)建的程序，可以在凌華科技的NEON、New Electronic Technology的Corsight、上海銳勢的Woodpecker1、以及XIMEA的xPlatform等智能相機(jī)上運(yùn)行。目前，XIMEA與英特爾NUC的版本保持了對(duì)四個(gè)庫的支持——National Instruments的LabVIEW、MathWorks的MATLAB、MVTec的HALCON，以及開源計(jì)算機(jī)視覺庫（OpenCV），同時(shí)也為許多其他軟件包提供有限的支持。

希望在生產(chǎn)設(shè)備中部署智能相機(jī)的系統(tǒng)開發(fā)人員，有許多不同的選擇：選擇專用的固定功能的設(shè)備、從成熟的硬件和軟件供應(yīng)商那里選擇可編程的智能相機(jī)，或是選擇第三方的基于PC的相機(jī)。也許比性價(jià)比更重要的是，每個(gè)制造商提供的軟件的功能性和支持水平。

文/Andy Wilson （原文在英文版2017-9月刊）