智能制造新視界，機(jī)器視覺發(fā)展的“前世今生”

作為人類視覺在機(jī)器上的延伸，機(jī)器視覺憑借其分辨率高、速度快、范圍寬、適應(yīng)性強(qiáng)、精度高、可量化及可持續(xù)工作等優(yōu)勢(shì)，將圖像處理應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，成為智能制造繁榮發(fā)展的推動(dòng)力。

20世紀(jì)50年代，Gilson 提出“光流”概念，機(jī)器視覺就此萌蘗。統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別運(yùn)用計(jì)算機(jī)分析識(shí)別二維圖像，集中研究光學(xué)字符識(shí)別（OCR）、工件表面圖片分析等技術(shù)，為機(jī)器視覺提供了理論實(shí)踐基礎(chǔ)。隨后，機(jī)器視覺的研究轉(zhuǎn)向三維場(chǎng)景，研究范圍不斷擴(kuò)展和復(fù)雜化。（溫馨提示：機(jī)器視覺資料可至后臺(tái)回復(fù)【機(jī)器視覺】領(lǐng)取）

1977年，美國(guó)麻省理工教授David Marr提出將視覺分為目標(biāo)與策略、表示與算法、硬件的實(shí)現(xiàn)三個(gè)層次，機(jī)器視覺迎來(lái)了第一次理論框架的升級(jí)。機(jī)器視覺發(fā)展至今七十余年，各種理論創(chuàng)新、概念升級(jí)和實(shí)踐應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，不斷推動(dòng)著工業(yè)智能化、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的演進(jìn)。

圖：機(jī)器視覺發(fā)展歷程（圖源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院）

根據(jù)美國(guó)制造工程師協(xié)會(huì)（SME）機(jī)器視覺分會(huì)和美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)（RIA）自動(dòng)化視覺分會(huì)定義，機(jī)器視覺是通過(guò)光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器，自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置。機(jī)器視覺被稱為自動(dòng)化系統(tǒng)的“靈魂之窗”，隨著5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的融合發(fā)展，在智能制造的浪潮下，機(jī)器視覺不斷創(chuàng)新升級(jí)、蓬勃發(fā)展。

智能制造的“眼睛”

隨著全球智能制造浪潮的推進(jìn)，自動(dòng)化、智能化已經(jīng)成為現(xiàn)代工廠的發(fā)展趨勢(shì)，“機(jī)器換人”也逐漸成為熱議的話題。作為人類視覺在機(jī)器上的延伸，機(jī)器視覺憑借其分辨率高、速度快、范圍寬、適應(yīng)性強(qiáng)、精度高、可量化及可持續(xù)工作等優(yōu)勢(shì)，將圖像處理應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，成為智能制造繁榮發(fā)展的推動(dòng)力。

圖：人類視覺和機(jī)器視覺對(duì)比

如定義所言，機(jī)器視覺可以非接觸地對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行外觀檢測(cè)，判斷其有否表面缺陷，并獲取物體坐標(biāo)、角度、圖像像素等信息，從而判斷物體所在位置，分析計(jì)算狀態(tài)參數(shù)。此外，還可以識(shí)別顏色、數(shù)字、條碼等物理特征。我們將這些功能主要分為四大類：檢測(cè)、定位、測(cè)量、識(shí)別。

機(jī)器視覺是“人眼”的替代和延展，如同人類視覺一樣，它也擁有一套完整的視覺系統(tǒng)。典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)一般包括光源及光源控制器、鏡頭、相機(jī)、視覺控制系統(tǒng)等。其中，光源及光源控制器、鏡頭、相機(jī)等硬件部分負(fù)責(zé)圖像捕捉功能，視覺控制系統(tǒng)則負(fù)責(zé)對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行處理分析、輸出分析結(jié)果至智能設(shè)備的其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖：典型機(jī)器視覺系統(tǒng)框架（圖源：渤海證券）

機(jī)器視覺性能優(yōu)勢(shì)顯著，技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新，未來(lái)機(jī)器視覺將朝向深度學(xué)習(xí)、3D視覺等方向不斷發(fā)展和精進(jìn)。

深度學(xué)習(xí)技術(shù)

深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)最重要的分支，典型深度學(xué)習(xí)算法包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）、生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（GANs）、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）等。深度學(xué)習(xí)利用人類知識(shí)和計(jì)算機(jī)算法共同構(gòu)建整體架構(gòu)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、標(biāo)簽、歸一化、去噪、降維等預(yù)處理，配合計(jì)算機(jī)大規(guī)模運(yùn)算能力，調(diào)節(jié)內(nèi)部參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，從而自動(dòng)提取目標(biāo)數(shù)據(jù)。深度學(xué)習(xí)具有學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、覆蓋范圍廣、適應(yīng)能力強(qiáng)、可移植性好等優(yōu)勢(shì)。

3D視覺技術(shù)

3D視覺技術(shù)分為3D重構(gòu)技術(shù)和3D數(shù)據(jù)分析算法兩部分，具體包括雙目視覺技術(shù)、結(jié)構(gòu)光技術(shù)、TOF（飛行時(shí)間）相機(jī)技術(shù)、線激光掃描技術(shù)和光譜共聚焦技術(shù)。較之2D機(jī)器視覺技術(shù)，3D技術(shù)在x、y、z、旋轉(zhuǎn)、俯仰、橫擺等六個(gè)自由度上還原目標(biāo)物體三維信息，為工業(yè)控制提供更精確靈活的特征分析與數(shù)據(jù)處理。

機(jī)器視覺市場(chǎng)藍(lán)海，智能制造加速

后疫情時(shí)代，全球數(shù)字化進(jìn)程加速，工業(yè)智能化、數(shù)字化不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)，機(jī)器視覺與工業(yè)應(yīng)用緊密結(jié)合，在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G等新興技術(shù)的融合創(chuàng)新中，不斷深入應(yīng)用落地。

機(jī)器視覺發(fā)展初期，市場(chǎng)主要集中在歐美和日本。近年來(lái)，亞太地區(qū)發(fā)展迅速，歐美市場(chǎng)份額穩(wěn)中有降。從整體來(lái)看，歐美仍然是機(jī)器視覺最大的市場(chǎng)。據(jù)Markets and Markets數(shù)據(jù)顯示，2019年，歐洲成為全球機(jī)器視覺市場(chǎng)份額最大的地區(qū)，占比高達(dá)36.4%。

圖：2019年全球機(jī)器視覺行業(yè)區(qū)域分布

數(shù)據(jù)顯示，2019年全球機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模突破百億美元，高達(dá)102億美元。受疫情嚴(yán)重影響，2020年機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)受到?jīng)_擊，市場(chǎng)下行。拋開2020年疫情等不利因素影響，預(yù)計(jì)到2025年全球機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模將突破130億美元，2026年將接近140億美元。

圖：2016-2020年全球機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模

圖：2021-2026年全球機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

機(jī)器視覺市場(chǎng)發(fā)展前景廣闊，產(chǎn)業(yè)鏈上中下游都蘊(yùn)藏著巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＩ嫌伟ü庠?、工業(yè)鏡頭、工業(yè)相機(jī)、圖像采集卡等核心零部件，以及圖像處理和算法平臺(tái)等軟件；中游分為裝備制造商和系統(tǒng)集成商，涵蓋引導(dǎo)、測(cè)量、檢測(cè)、識(shí)別等儀器裝備；下游應(yīng)用包括消費(fèi)電子、工業(yè)、半導(dǎo)體、汽車制造、食品包裝、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。

圖：工業(yè)機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)鏈（圖源：賽迪顧問(wèn)）

國(guó)產(chǎn)化熱潮，機(jī)器視覺迎來(lái)發(fā)展良機(jī)

與全球機(jī)器視覺相比，中國(guó)機(jī)器視覺的發(fā)展晚了將近五十年。1999年，中國(guó)開始發(fā)展機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)，直到2004年，國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺才邁入產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期。機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)鏈上下游高端市場(chǎng)均被歐美國(guó)際巨頭占據(jù)，其中，康耐視和基恩士壟斷了全球近50%的市場(chǎng)份額。近年，國(guó)家政策全面支持下，中國(guó)的機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)迎來(lái)發(fā)展的良機(jī)。

據(jù)中國(guó)機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2019年中國(guó)機(jī)器視覺銷售額高達(dá)103億元，增速超20%。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)到2026年我國(guó)機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模將突破300億元。

圖：2015-2019年中國(guó)機(jī)器視覺行業(yè)銷售額

圖：2020-2026中國(guó)機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

鑒于機(jī)器視覺上游的中高端市場(chǎng)被歐美及日本品牌占據(jù)，國(guó)產(chǎn)廠商積極尋求中低端市場(chǎng)突破口，逐漸從光源組件向鏡頭、相機(jī)領(lǐng)域滲透。在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺廠商深入拓展細(xì)分領(lǐng)域，加強(qiáng)自身行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，不斷擴(kuò)大市場(chǎng)占有率，共同推進(jìn)機(jī)器視覺國(guó)產(chǎn)化替代進(jìn)程。