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全面进入工业领域 智慧机器视觉系统势头看涨
因应COVID-19与高阶制造

【作者: 籃貫銘】2020年09月30日 星期三

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机器视觉(Machine Vision)具备智慧功能是迟早的事,但新冠肺炎(COVID-19)疫情加速了这个趋势,它让更多的人工离开产线变成了需要立即解决的事,两相加乘,新一代具备人工智慧功能的机器视觉解决方案将迅速占据舞台焦点,成为市场的主流。


自从工业4.0趋势兴起後,制造流程与机械设备的智慧化就变成产业显学,不管是相关的零件供应商,还是系统设计商,都不断地朝向发展具备更高技术整合能力与可以自主运行的自动化系统,以从事更高阶的产品制造,同时达到更高的产线效能。也因此,作为检测与辨识用的机器视觉方案也需要不断的提升其功能与可应用领域。


智慧制造+COVID-19加速人员退出产线

在产线上,机器视觉最常见的应用就是所谓的自动光学检测(Automated Optical Inspection)。早期的技术发展,是以增加检测的解析度与速度为主轴,重点是满足大量制造为导向的产业需求。但进入智慧制造时代後,便开始有了少量多样的概念与需求,在一条产线上要辨识的物件,不再只是过往单一规则的品项,可能是更复杂且多元的产品,因此就需要增加物件分析与辨识的运算系统,来满足这种新时代的产线制造需求。



图1 : 智慧机器视觉系统的架构示意图。
图1 : 智慧机器视觉系统的架构示意图。

另一方面,进入少量多样的制造年代後,同时也意味着产品生产将从低阶转向高阶,以追求更高的附加价值。而这对产品检测的技术来说,就是要能做到更高阶的辨识功能,以判别出人眼难以分辨的瑕疵,同时也要能进行复杂度更高的工件检验。而这样的需求也刺激了机器视觉发展更先进的检测技术。


而COVID-19疫情爆发之後,对产线最大的影响,就是加速了人员退出产线的速度,对机器视觉市场来说也是如此。根据MarketsadMarkets的分析报告,全球机器视觉市场将从2020年的96亿美元,成长到2025年的130亿美元,复合年增长率达到6.1%。


该机构特别指出,在COVID-19之後,制造商比以往任何时候都重视自动化在制造产线上的重要性,但因为全球封城和限制移动的政策因素,许多公司都面临了严重的现金流问题,因此推迟了导入新机器视觉方案的计画,一但疫情的影响时间拉长,将对机器视觉市场的发展出现负面的影响。


尽管财务因素将推迟自动化设备的投资计画,但整体来说,全球制造业对於自动化的态度与认同,都在COVID-19发生後达到了新的高峰。目前全球制造业者都计划在COVID-19之後,对自动化进行更多的投资,尤其是在制造质量提升方面的技术,这也意味着机器视觉会是未来先进制造中不可或缺的一部分,同时导入的数量也会节节高升。


视觉引导、智慧相机、机器学习软体成长快速

在应用领域方面,具备视觉功能的「视觉引导机器人」,会是未来机器视觉发展的重要领域。这种能够自行定位并找出料件,自动进行捡料和放料的机器人,它的特色就是可以处理各种不同的元件,因此在汽车和消费电子领域中的自动化应用已有快速的成长。而要实现这种机器人,机器视觉元件是不可或缺的部份,同时需要的数量与性能也会逐步成长。


不过这种机器人因为厂商的设计与应用领域的不同,所使用的视觉系统也差异甚大,因此视觉元件要走向标准化并不容易,都将会是根据客户的需要进行客制化生产,而且使用的视觉元件也十分的不同,可能会是3D与2D的搭配,或者是3D+3D的架构。这种需要高度客制化特性,多少也将会限制这个领域的发展速度。


另一个重点发展的领域,就是「机器人制造单元(Robot Cell)机器视觉」,它将有??在机器视觉市场中以更快的速度成长。


从导入的观点来看,机器视觉市场大概会分成「通用机器视觉系统」和「机器人制造单元」。相较於机器人制造单元,通用型的机器视觉更具成本效益,因此在部署的范围与数量上,通用型的机器视觉系统更为广泛。


不过,机器人单元可因应场域和机具的不同来客制化,因此能处理的产品种类也更多。它通常只需更改检测软体和程序,就可在不停止生产过程的情况下,更改组件类型。此外,相机的视场和透视图也可以进行客制化,因此目前机器人单元的在成长速度超过了通用机器视觉市场。


具备智慧相机功能的机器视觉系统,预测将会是另一个成长速度加快的领域,主要的因素是采用智慧相机的机器视觉系统具有高成本效益、体积紧凑和应用灵活性的特点。这种采用智慧相机的系统在变更上更为容易,因此对於法规和标准的适应性也更高。



图2 : 机器视觉市场发展预测。(source:MarketsandMarkets)
图2 : 机器视觉市场发展预测。(source:MarketsandMarkets)

此外,随着智慧相机技术和物联网的发展,在整合智慧物联应用架构上也更为容易。因此智能相机的机器视觉系统的普及度在未来几年内可能会增加。


而相觉於智慧相机系统,电脑版(PC-Based)机器视觉系统因具备更快的运算效能和更加的操作性能,因此预计未来几年在市占率仍会是主要的产品,再加上电脑版的视觉系统也更容易升级和进行元件替换,因此在部分的场域仍会是重要的机器视觉方案。


但随着智慧相机技术和物联网的发展,这种情况也会逐渐改变,尤其在物联网大趋势的带动下,未来智慧相机的机器视觉系统的普及率可能就会超过电脑版。


另一个间接的影响驱力,则是预测性维护技术。这种基於感测的机具维护技术,需要对关键的设备元件进行不间断的监控,因此势必也会增加搭载机器视觉功能的系统,因此预测性维护的也会以最快的速度增长在机器视觉市场中。


当然,随着人工智慧应用的兴起,具备机器学习技术的系统将会渐趋主流,为了让系统可以自动学习以辨识物件,整合AI功能的机器视觉软体将会推动工业机器视觉软体市场的成长。


亚太区领军 汽车、食品与包装业是主角

至於区域方面,亚太地区将会是机器视觉最主要的市场。依据MarketsadMarkets的报告,在2020年至2025年之间,亚太区将拥有整体机器视觉市场最大的占有率,主因为中国、日本、印度和韩国等亚太地区国家,将投入大量的制造业产线自动化的投资。


此外,亚太区的消费电子公司之间的激烈竞争,可能也会促进该地区机器视觉系统的采用。但因为COVID-19严重影响了亚太地区的制造业,未来的发展局势仍须进一步观察。



图3 : 使用智慧相机的机器视觉系统会逐渐受到重视。
图3 : 使用智慧相机的机器视觉系统会逐渐受到重视。

而在产业方面,汽车产业预计将会是机器视觉最主要的市场。因其在关键的制造流程中提供了更高的准确性,这些流程包括垃圾箱的拾取,以及用於组装的零件的定位。由於车厂技术工人的短缺和汽车制造价格的下降,汽车公司在生产过程中更加关注自动化。因此,未来汽车产业将占据最大的机器视觉市场。


同样面临人力挑战的,食品与包装工业,这些产业都是高度劳动密集型的,人工成本大约是产品成本的50%,且大部分是重复性工作。因此导入机器视觉系统将可大幅降低人工成本,尤其是在COVID-19之後,食品和包装的自动化需求将会大量增加,以确保整体流程中的人为干预最少。


至於具体的应用项目,当然是品管和检测,特别是制造工艺不断提高,同时技术工人的短缺,对视觉检测技术的依赖也会更加提供,成为最主要的成长趋力。


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