用途日益廣泛的電子眼睛
????作者：Stuart F. Brown ????視覺機器正在取代工廠里的檢驗人員。它們甚至可以測量你的手型，以便為你定制高爾夫球手套。 ????憑著人類所無法比擬的警惕性和準確性，不知疲倦的“電子眼睛”正被用于門類越來越廣泛的各種工業過程之中，發揮著檢查和指導的作用。“機器視覺”一詞就是指把這些從不眨眼的“眼睛”與能夠對它們的所見進行處理的計算機相聯結的技術。機器視覺不僅能夠指導機器人在汽車車身上安裝車門，而且還可以從冷凍食品生產線上挑揀出有污點的蔬菜，在木材被制成帶有裝飾條的辦公室用門板之前檢查里面是否有節疤，以及保證在送往藥店之前裝在藥盒里的藥丸準確無誤，治病救人。? ????甚至在制造業之外的領域，機器視覺也得到奇妙的新應用。某些民航班機在冬天起飛之前會利用電子眼睛檢查機翼上是否積有冰塊，以免出現危險。最新研制出的新系統可以通過辨認人們的五官或眼球的虹膜來確認在?ATM?自動柜員機上操作的顧客的身份。? ????據賓夕法尼亞州亞德利市從事技術研究的機器視覺國際公司（Machine?Vision?International）的內洛?措伊克（Nello?Zeuch）估計，去年北美市場機器視覺設備的銷售額達到了創紀錄的?12?億美元。這個數字比?1996?年增長?15%，并且差不多是五年前同類產品銷售額的兩倍。措伊克指出，盡管機器視覺行業的銷售額中有差不多?15%?與機器人有關，但該行業業務的內容主要還是安裝用于檢測生產活動的固定設備。在某些場合，這些設備替代了檢查人員，而在另外一些場合，它們成了檢查人員的好幫手。措伊克說：“在執行大多數的檢查任務時，人的工作效率只有大約?75%?到?80%。檢驗員的眼睛會瞟到別處，或者會開始想足球賽的事情。”? ????機器視覺的歷史最早可以追溯到?40?年代末期。當時，人們在裝瓶工廠里開始使用簡單的電光學檢查系統。通過測量閃爍的光線穿過瓶子后的亮度，這些裝置可以檢查瓶子是否干凈、是不是空的以及是否適合灌裝。一直到?70?年代，即微處理器芯片和固態電子攝像機出現之后，工程師們才得以設計出今天的機器視覺系統的前身。從那以后，芯片處理速度的加快及其成本的下跌使機器視覺技術的性能得到改善，同時價格也不斷下降。措伊克估計，安裝機器視覺系統的平均費用已經從六年前的?7.5?萬美元下降到了目前的五萬美元。? ????在工廠里，分析視頻或激光圖像的計算機采用了能夠高效地執行算法程序的專用芯片。這里所謂的算法程序是指用于識別物體的一系列數學和邏輯步驟。計算機通常使用的辦法是把它所看到的物體與它記憶中儲存的某一簡化了的典型物體形象進行比較。如果兩者存在差異之處──譬如電路板上少了一塊芯片和兩只電容，系統將會發出信號表明發現了差錯，并把這樣的次品從生產線上“踢”出去。? ????執行這樣的任務，不具備深度的二維視覺技術就足夠使用了，而有的二維系統──例如芯片制造廠所使用的──在技術上也是極為先進的。不過有些時候，視覺系統除了要能夠測定高度和寬度之外，還需要具備對深度的感知能力。例如，從架子上取下了車門的機器人需要具有三維視覺能力才能把車門準確無誤地安裝到車身的相應部位。? ????筆者最近走訪了制造行業的若干企業，對機器視覺技術許多出色的新用途作了一番考察之后，發現機器視覺正在發揮著指導生產和保證產品質量的作用。? ????利用三維視覺技術，工程師們已經研制出了可以對體積巨大、且外形多變的物體──例如松樹原木──進行檢查的系統。海灣諸州紙業公司（Gulf?States?Paper?Corp.）投資?4,000?萬美元在亞拉巴馬州芒德維爾新建的一個鋸木廠于去年?5?月投產，每天可鋸原木?3,000?根。使這家鋸木廠得以運轉的關鍵設備是兩套總價值?42.5?萬美元的機器視覺技術系統。它們是由密歇根州普利茅斯一家上市企業──佩西普特隆公司（Perceptron）研制的。這兩套系統基本上消除了木材切割生產中的不確定性。? ????在佩西普特隆公司研制的第一套視覺系統上，佩西普特隆系統確定把原木橫著鋸成短木料的最佳切割方法。接著，在第二套視覺系統，一排激光照相機向木料投射出極細的條帶狀紅色光束。利用這些光線內所含的信息，計算機可以生成反映木料體積的圖像。? ????第二個視覺系統能考慮木材規格的市場因素，計算出切割各種尺寸木料的比例，從而使每一段原木的浪費達到最少，利潤達到最高。該機器系統思考如何切割木料，就如同是一個饑極之人一邊打量、一頭牛、一邊看著列出了牛身體上全部美味肉塊的圖表一樣。在視頻顯示器上，彩色的圖表顯示出計算機計劃好切割的各種木料的比例。? ????負責木材產品的經理格里夫?斯坦利（Griff?Stanley）說：“我們同時生產厚度為一英寸和兩英寸的木板，長度在?8?至?22?英尺之間，因此每天我們對市場上各類規格木材的價格和庫存量十分關心?！睂τ谌魏谓涍^該系統處理的原木，目前最佳的切割方案是把一端切割成?1×4×12?英尺的木料，把另一端切割成?2×4×16?英尺的木料，剩下的部分再切割成?2?英寸厚的木板。鋸木工人可能會對計算機的切割方案不屑一顧，并根據自己認為適當的方式進行切割。但是經過該系統處理的原木是被按照計算機選擇的計劃自動切割的。? ????斯坦利不愿提供具體數字說明新的視覺技術系統對生產率有多大促進。不過他的言外之意十分明白：“以往我們常常憑人的經驗來作出這樣的決定。毫無疑問，在大多數時候機器要比人來得聰明。”? ????在亞拉巴馬州的另一個工廠里，人們利用激光測量設備來保證一種遠比木材昂貴的產品的質量。這便是梅塞德斯－奔馳公司（Mercedes-Benz）的新款?M?系列多用途運動型汽車。這家德國汽車公司一年前在鄉村小鎮萬斯開設的組裝廠目前正在大量制造這種針對雅皮士推出的旺銷汽車。? ????對于那些希望在車身裝配過程中密切控制精密度和規范度的汽車廠商來說，機器視覺技術已經成為必不可少的東西，這家梅塞德斯車廠便是最新的一個例子。如果沒有密切的監視，車身某些部位的尺寸就會與規格有出入，從而導致車門不合縫之類的質量問題。? ????汽車生產廠傳統上一直從裝配線上抽取樣品車并且利用特殊設備對樣車大量的尺寸參數進行實測檢查，以此跟蹤車身裝配過程中的準確程度。梅塞德斯公司仍在使用這種做法：每當裝配完?100?臺車身，便讓剛裝配完的車身通過一臺蔡斯（Zeiss）牌坐標測量儀，利用靈敏度很高的探頭對車身上?1,062?個尺寸參數進行測量。整個過程耗時約四小時。? ????為了能隨時發現此類精密檢查過程的間隔中可能出現的差錯，梅塞德斯公司采用了一個價值?80?萬美元的視覺系統。該系統也是由佩西普特隆公司研制的。在車身裝配線的末端，一臺閃銀光的“白車身”──汽車裝配廠里把尚未噴漆和還沒有安裝車門、車頂和保險杠的車身稱為“白車身”──抵達視覺檢查站。在那兒，安裝在一個巨大懸架上的?38?架激光照相機對?84?項關鍵的尺寸進行檢查，整個過程只需要?45?秒鐘。這一系統帶來的好處是可以在車身出現任何令人無法容忍的紕漏之前發現并改正細微的尺寸差錯。測量小組組長邁克?希爾（Mike?Hill）說：“在采用激光測量技術之前，汽車廠的質量檢查工作不可能面面俱到。現在我們做到了?！? ????如果說精密地規范雅皮士汽車裝配過程中的各種尺寸令人拍案叫絕的話，那么檢查人類所制造的最微小的東西──微芯片內部的具體特征──又當如何？芯片的內部是擠壓得十分緊密的數千萬個晶體管及其他電路元件。如今，這些元件的尺寸已經小到一微米以下，即比頭發直徑的百分之一還要細很多。芯片內一個微小的“致命”缺陷就會使整塊芯片變得一文不值。讓檢查人員通過顯微鏡盯著如此細微而又千篇一律的東西，指望找出其中所有的差錯，根本就是不可能的。人類自己已經無法勝任這樣的工作了。? ????機器視覺幫助人類解決了這個問題。德州儀器公司（Texas?Instruments）在達拉斯設有若干個工廠，其中有一個被稱為?DP1?的芯片制造廠。德州儀照公司利用這個工廠對新的微處理器設計以及制造工藝進行試驗和調試。DP1?廠按一級潔凈室規范進行潔凈管理。在這家工廠的車間里，身穿無塵工作服、看上去如同兔子一般的技術人員在淡桔色燈光下匆匆行走于不銹鋼處理設備旁的過道上。專門負責解決故障的技術人員端坐在由?KLA?坦科公司（KLA-Tencor，一家設於圣何塞的上市公司）制造的工作站前，眼睛緊緊盯著監視屏，雙手操縱控制鍵鈕，對芯片的各項特征進行放大顯示。? ????工程師們把芯片放大后的外觀比作城市的鳥瞰照片，并且把芯片內的線性特征比作城市的街道。由于一塊芯片上有數千條兩旁高樓林立的街道，而且在每段八英寸的硅片上可以同時處理大約?100?塊芯片，因此唯有?KLA?坦科公司出品的這種反應靈敏、技術先進的系統才能夠有條不紊地檢查每一條“街道”，并且在發現差錯時發出信號通知檢查人員。? ????這種視覺機器利用了高倍的二維光學裝置，“鉆”進芯片電路中呈層狀的“街道”之中，其冷酷無情的勁頭仿佛電影《星球大戰》中呂克?斯加沃克（Luke?Skywalker）在他的宇宙飛船中追殺來自黑暗世界的戰士一般。在這些機器的眼睛里，“街道”上一處微小的污跡看起來大得就像是一塊?20?噸的大石頭。? ????在半導體行業中，人們用批量生產的硅片中成品的百分率作為芯片廠的“出產率”。對于像德州儀器公司項目負責人布賴恩?米蒂爾（Brian?Metteer）這樣一些從事提高芯片出產率的工程師來說，如何發現硅片上的缺陷是首先需要解決的問題。為了拿出對策，他們必須弄清自己究竟要尋找什么樣的紕漏。于是軟件便有了用武之地。KLA?坦科公司的系統對硅片的“地形”進行統計學分析，以表格形式分類列出各種缺陷的明細帳。有了自動對各種缺陷進行分類的機器，這項本來要由檢查人員經過顯微鏡前的漫長工作才能做完──這種情況下出現誤差的可能性要高很多──的任務只需很短時間即可完成。? ????米蒂爾說，芯片出產率的管理之道在于確定需要多少臺機器視覺設備以及把它們放置在生產線的什么部位。由于?KLA?坦科公司的機器通常的售價是每臺?100?萬美元，在布置這樣的設備時人們是非常謹慎的。盡管德州儀器公司對于其?DP1?芯片廠使用的視覺機器數目守口如瓶，筆者在最近的一次采訪中還是看到了幾臺這樣的機器。? ????實驗室里的研究人員正在開辟機器視覺技術的新用途，以便把一些不同尋常的新鮮玩藝兒推向市場──例如為高爾夫球手定做戴起來極為舒適的手套。最近在奧蘭多舉行的一個?PGA（美國職業高爾夫球協會）高爾夫球用品展覽上，幸福品牌集團（Fortune?Brands）下屬的德萊斯特與福喬世界公司（Titleist?&?Foot-Joy?Worldwide）展出了由馬薩諸塞州劍橋的私營企業智能自動化系統公司（Intelligent?Automation?Systems）制造的激光掃描儀。這種掃描儀可以精確地采集顧客手型的尺寸信息。? ????目前，福喬公司將利用這種掃描儀幫助高爾夫球手從各種現成的手套中選擇最適合的手套。許多高爾夫球玩家為了彌補自己球技的不足，往往不惜重金購置制作精致的手套和球鞋。福喬公司負責掃描技術的桑迪?惠特爾西（Sandy?Whittlesey）說：“根本不存在手套的尺碼體系。”福喬公司可能會在一兩年內開始利用掃描儀采集的數據在泰國為顧客定做手套。? ????而這可能只是第一步而已。福喬公司打算在晚些時候利用遠程通信技術把掃描儀獲得的顧客手形信息傳給計算機控制的縫紉設備──這樣的縫紉設備差不多可以設置在任何地方。高爾夫球玩家可以在接受掃描后不幾天就戴上定做的手套。果真如此的話，機器視覺技術的用途將會得到進一步拓展。這種一開始被用來監測大規模生產過程的“機械監督員”將會帶來大規模定制的時代。 ????譯者：曹衛國 相關稿件
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