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????作者：Stuart F. Brown

????視覺(jué)機(jī)器正在取代工廠里的檢驗(yàn)人員。它們甚至可以測(cè)量你的手型，以便為你定制高爾夫球手套。

????憑著人類所無(wú)法比擬的警惕性和準(zhǔn)確性，不知疲倦的“電子眼睛”正被用于門(mén)類越來(lái)越廣泛的各種工業(yè)過(guò)程之中，發(fā)揮著檢查和指導(dǎo)的作用。“機(jī)器視覺(jué)”一詞就是指把這些從不眨眼的“眼睛”與能夠?qū)λ鼈兊乃?jiàn)進(jìn)行處理的計(jì)算機(jī)相聯(lián)結(jié)的技術(shù)。機(jī)器視覺(jué)不僅能夠指導(dǎo)機(jī)器人在汽車(chē)車(chē)身上安裝車(chē)門(mén)，而且還可以從冷凍食品生產(chǎn)線上挑揀出有污點(diǎn)的蔬菜，在木材被制成帶有裝飾條的辦公室用門(mén)板之前檢查里面是否有節(jié)疤，以及保證在送往藥店之前裝在藥盒里的藥丸準(zhǔn)確無(wú)誤，治病救人。?

????甚至在制造業(yè)之外的領(lǐng)域，機(jī)器視覺(jué)也得到奇妙的新應(yīng)用。某些民航班機(jī)在冬天起飛之前會(huì)利用電子眼睛檢查機(jī)翼上是否積有冰塊，以免出現(xiàn)危險(xiǎn)。最新研制出的新系統(tǒng)可以通過(guò)辨認(rèn)人們的五官或眼球的虹膜來(lái)確認(rèn)在?ATM?自動(dòng)柜員機(jī)上操作的顧客的身份。?

????據(jù)賓夕法尼亞州亞德利市從事技術(shù)研究的機(jī)器視覺(jué)國(guó)際公司（Machine?Vision?International）的內(nèi)洛?措伊克（Nello?Zeuch）估計(jì)，去年北美市場(chǎng)機(jī)器視覺(jué)設(shè)備的銷(xiāo)售額達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的?12?億美元。這個(gè)數(shù)字比?1996?年增長(zhǎng)?15%，并且差不多是五年前同類產(chǎn)品銷(xiāo)售額的兩倍。措伊克指出，盡管機(jī)器視覺(jué)行業(yè)的銷(xiāo)售額中有差不多?15%?與機(jī)器人有關(guān)，但該行業(yè)業(yè)務(wù)的內(nèi)容主要還是安裝用于檢測(cè)生產(chǎn)活動(dòng)的固定設(shè)備。在某些場(chǎng)合，這些設(shè)備替代了檢查人員，而在另外一些場(chǎng)合，它們成了檢查人員的好幫手。措伊克說(shuō)：“在執(zhí)行大多數(shù)的檢查任務(wù)時(shí)，人的工作效率只有大約?75%?到?80%。檢驗(yàn)員的眼睛會(huì)瞟到別處，或者會(huì)開(kāi)始想足球賽的事情。”?

????機(jī)器視覺(jué)的歷史最早可以追溯到?40?年代末期。當(dāng)時(shí)，人們?cè)谘b瓶工廠里開(kāi)始使用簡(jiǎn)單的電光學(xué)檢查系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)量閃爍的光線穿過(guò)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(tài)電子攝像機(jī)出現(xiàn)之后，工程師們才得以設(shè)計(jì)出今天的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)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(jī)器視覺(jué)技術(shù)的性能得到改善，同時(shí)價(jià)格也不斷下降。措伊克估計(jì)，安裝機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的平均費(fèi)用已經(jīng)從六年前的?7.5?萬(wàn)美元下降到了目前的五萬(wàn)美元。?

????在工廠里，分析視頻或激光圖像的計(jì)算機(jī)采用了能夠高效地執(zhí)行算法程序的專用芯片。這里所謂的算法程序是指用于識(shí)別物體的一系列數(shù)學(xué)和邏輯步驟。計(jì)算機(jī)通常使用的辦法是把它所看到的物體與它記憶中儲(chǔ)存的某一簡(jiǎn)化了的典型物體形象進(jìn)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(tǒng)將會(huì)發(fā)出信號(hào)表明發(fā)現(xiàn)了差錯(cuò)，并把這樣的次品從生產(chǎn)線上“踢”出去。?

????執(zhí)行這樣的任務(wù)，不具備深度的二維視覺(jué)技術(shù)就足夠使用了，而有的二維系統(tǒng)──例如芯片制造廠所使用的──在技術(shù)上也是極為先進(jìn)的。不過(guò)有些時(shí)候，視覺(jué)系統(tǒng)除了要能夠測(cè)定高度和寬度之外，還需要具備對(duì)深度的感知能力。例如，從架子上取下了車(chē)門(mén)的機(jī)器人需要具有三維視覺(jué)能力才能把車(chē)門(mén)準(zhǔn)確無(wú)誤地安裝到車(chē)身的相應(yīng)部位。?

????筆者最近走訪了制造行業(yè)的若干企業(yè)，對(duì)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)許多出色的新用途作了一番考察之后，發(fā)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)正在發(fā)揮著指導(dǎo)生產(chǎn)和保證產(chǎn)品質(zhì)量的作用。?

????利用三維視覺(jué)技術(shù)，工程師們已經(jīng)研制出了可以對(duì)體積巨大、且外形多變的物體──例如松樹(shù)原木──進(jìn)行檢查的系統(tǒng)。海灣諸州紙業(yè)公司（Gulf?States?Paper?Corp.）投資?4,000?萬(wàn)美元在亞拉巴馬州芒德維爾新建的一個(gè)鋸木廠于去年?5?月投產(chǎn)，每天可鋸原木?3,000?根。使這家鋸木廠得以運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵設(shè)備是兩套總價(jià)值?42.5?萬(wàn)美元的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)系統(tǒng)。它們是由密歇根州普利茅斯一家上市企業(yè)──佩西普特隆公司（Perceptron）研制的。這兩套系統(tǒng)基本上消除了木材切割生產(chǎn)中的不確定性。?

????在佩西普特隆公司研制的第一套視覺(jué)系統(tǒng)上，佩西普特隆系統(tǒng)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(jué)系統(tǒng)，一排激光照相機(jī)向木料投射出極細(xì)的條帶狀紅色光束。利用這些光線內(nèi)所含的信息，計(jì)算機(jī)可以生成反映木料體積的圖像。?

????第二個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)能考慮木材規(guī)格的市場(chǎng)因素，計(jì)算出切割各種尺寸木料的比例，從而使每一段原木的浪費(fèi)達(dá)到最少，利潤(rùn)達(dá)到最高。該機(jī)器系統(tǒng)思考如何切割木料，就如同是一個(gè)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(jì)算機(jī)計(jì)劃好切割的各種木料的比例。?

????負(fù)責(zé)木材產(chǎn)品的經(jīng)理格里夫?斯坦利（Griff?Stanley）說(shuō)：“我們同時(shí)生產(chǎn)厚度為一英寸和兩英寸的木板，長(zhǎng)度在?8?至?22?英尺之間，因此每天我們對(duì)市場(chǎng)上各類規(guī)格木材的價(jià)格和庫(kù)存量十分關(guān)心?！睂?duì)于任何經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)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(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)的切割方案不屑一顧，并根據(jù)自己認(rèn)為適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行切割。但是經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)處理的原木是被按照計(jì)算機(jī)選擇的計(jì)劃自動(dòng)切割的。?

????斯坦利不愿提供具體數(shù)字說(shuō)明新的視覺(jué)技術(shù)系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)率有多大促進(jìn)。不過(guò)他的言外之意十分明白：“以往我們常常憑人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)作出這樣的決定。毫無(wú)疑問(wèn)，在大多數(shù)時(shí)候機(jī)器要比人來(lái)得聰明?！?

????在亞拉巴馬州的另一個(gè)工廠里，人們利用激光測(cè)量設(shè)備來(lái)保證一種遠(yuǎn)比木材昂貴的產(chǎn)品的質(zhì)量。這便是梅塞德斯－奔馳公司（Mercedes-Benz）的新款?M?系列多用途運(yùn)動(dòng)型汽車(chē)。這家德國(guó)汽車(chē)公司一年前在鄉(xiāng)村小鎮(zhèn)萬(wàn)斯開(kāi)設(shè)的組裝廠目前正在大量制造這種針對(duì)雅皮士推出的旺銷(xiāo)汽車(chē)。?

????對(duì)于那些希望在車(chē)身裝配過(guò)程中密切控制精密度和規(guī)范度的汽車(chē)廠商來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)成為必不可少的東西，這家梅塞德斯車(chē)廠便是最新的一個(gè)例子。如果沒(méi)有密切的監(jiān)視，車(chē)身某些部位的尺寸就會(huì)與規(guī)格有出入，從而導(dǎo)致車(chē)門(mén)不合縫之類的質(zhì)量問(wèn)題。?

????汽車(chē)生產(chǎn)廠傳統(tǒng)上一直從裝配線上抽取樣品車(chē)并且利用特殊設(shè)備對(duì)樣車(chē)大量的尺寸參數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)檢查，以此跟蹤車(chē)身裝配過(guò)程中的準(zhǔn)確程度。梅塞德斯公司仍在使用這種做法：每當(dāng)裝配完?100?臺(tái)車(chē)身，便讓剛裝配完的車(chē)身通過(guò)一臺(tái)蔡斯（Zeiss）牌坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，利用靈敏度很高的探頭對(duì)車(chē)身上?1,062?個(gè)尺寸參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。整個(gè)過(guò)程耗時(shí)約四小時(shí)。?

????為了能隨時(shí)發(fā)現(xiàn)此類精密檢查過(guò)程的間隔中可能出現(xiàn)的差錯(cuò)，梅塞德斯公司采用了一個(gè)價(jià)值?80?萬(wàn)美元的視覺(jué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)也是由佩西普特隆公司研制的。在車(chē)身裝配線的末端，一臺(tái)閃銀光的“白車(chē)身”──汽車(chē)裝配廠里把尚未噴漆和還沒(méi)有安裝車(chē)門(mén)、車(chē)頂和保險(xiǎn)杠的車(chē)身稱為“白車(chē)身”──抵達(dá)視覺(jué)檢查站。在那兒，安裝在一個(gè)巨大懸架上的?38?架激光照相機(jī)對(duì)?84?項(xiàng)關(guān)鍵的尺寸進(jìn)行檢查，整個(gè)過(guò)程只需要?45?秒鐘。這一系統(tǒng)帶來(lái)的好處是可以在車(chē)身出現(xiàn)任何令人無(wú)法容忍的紕漏之前發(fā)現(xiàn)并改正細(xì)微的尺寸差錯(cuò)。測(cè)量小組組長(zhǎng)邁克?希爾（Mike?Hill）說(shuō)：“在采用激光測(cè)量技術(shù)之前，汽車(chē)廠的質(zhì)量檢查工作不可能面面俱到?，F(xiàn)在我們做到了?！?

????如果說(shuō)精密地規(guī)范雅皮士汽車(chē)裝配過(guò)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(nèi)部的具體特征──又當(dāng)如何？芯片的內(nèi)部是擠壓得十分緊密的數(shù)千萬(wàn)個(gè)晶體管及其他電路元件。如今，這些元件的尺寸已經(jīng)小到一微米以下，即比頭發(fā)直徑的百分之一還要細(xì)很多。芯片內(nèi)一個(gè)微小的“致命”缺陷就會(huì)使整塊芯片變得一文不值。讓檢查人員通過(guò)顯微鏡盯著如此細(xì)微而又千篇一律的東西，指望找出其中所有的差錯(cuò)，根本就是不可能的。人類自己已經(jīng)無(wú)法勝任這樣的工作了。?

????機(jī)器視覺(jué)幫助人類解決了這個(gè)問(wèn)題。德州儀器公司（Texas?Instruments）在達(dá)拉斯設(shè)有若干個(gè)工廠，其中有一個(gè)被稱為?DP1?的芯片制造廠。德州儀照公司利用這個(gè)工廠對(duì)新的微處理器設(shè)計(jì)以及制造工藝進(jìn)行試驗(yàn)和調(diào)試。DP1?廠按一級(jí)潔凈室規(guī)范進(jìn)行潔凈管理。在這家工廠的車(chē)間里，身穿無(wú)塵工作服、看上去如同兔子一般的技術(shù)人員在淡桔色燈光下匆匆行走于不銹鋼處理設(shè)備旁的過(guò)道上。專門(mén)負(fù)責(zé)解決故障的技術(shù)人員端坐在由?KLA?坦科公司（KLA-Tencor，一家設(shè)於圣何塞的上市公司）制造的工作站前，眼睛緊緊盯著監(jiān)視屏，雙手操縱控制鍵鈕，對(duì)芯片的各項(xiàng)特征進(jìn)行放大顯示。?

????工程師們把芯片放大后的外觀比作城市的鳥(niǎo)瞰照片，并且把芯片內(nèi)的線性特征比作城市的街道。由于一塊芯片上有數(shù)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(shí)處理大約?100?塊芯片，因此唯有?KLA?坦科公司出品的這種反應(yīng)靈敏、技術(shù)先進(jìn)的系統(tǒng)才能夠有條不紊地檢查每一條“街道”，并且在發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)發(fā)出信號(hào)通知檢查人員。?

????這種視覺(jué)機(jī)器利用了高倍的二維光學(xué)裝置，“鉆”進(jìn)芯片電路中呈層狀的“街道”之中，其冷酷無(wú)情的勁頭仿佛電影《星球大戰(zhàn)》中呂克?斯加沃克（Luke?Skywalker）在他的宇宙飛船中追殺來(lái)自黑暗世界的戰(zhàn)士一般。在這些機(jī)器的眼睛里，“街道”上一處微小的污跡看起來(lái)大得就像是一塊?20?噸的大石頭。?

????在半導(dǎo)體行業(yè)中，人們用批量生產(chǎn)的硅片中成品的百分率作為芯片廠的“出產(chǎn)率”。對(duì)于像德州儀器公司項(xiàng)目負(fù)責(zé)人布賴恩?米蒂爾（Brian?Metteer）這樣一些從事提高芯片出產(chǎn)率的工程師來(lái)說(shuō)，如何發(fā)現(xiàn)硅片上的缺陷是首先需要解決的問(wèn)題。為了拿出對(duì)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(tǒng)對(duì)硅片的“地形”進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，以表格形式分類列出各種缺陷的明細(xì)帳。有了自動(dòng)對(duì)各種缺陷進(jìn)行分類的機(jī)器，這項(xiàng)本來(lái)要由檢查人員經(jīng)過(guò)顯微鏡前的漫長(zhǎng)工作才能做完──這種情況下出現(xiàn)誤差的可能性要高很多──的任務(wù)只需很短時(shí)間即可完成。?

????米蒂爾說(shuō)，芯片出產(chǎn)率的管理之道在于確定需要多少臺(tái)機(jī)器視覺(jué)設(shè)備以及把它們放置在生產(chǎn)線的什么部位。由于?KLA?坦科公司的機(jī)器通常的售價(jià)是每臺(tái)?100?萬(wàn)美元，在布置這樣的設(shè)備時(shí)人們是非常謹(jǐn)慎的。盡管德州儀器公司對(duì)于其?DP1?芯片廠使用的視覺(jué)機(jī)器數(shù)目守口如瓶，筆者在最近的一次采訪中還是看到了幾臺(tái)這樣的機(jī)器。?

????實(shí)驗(yàn)室里的研究人員正在開(kāi)辟機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的新用途，以便把一些不同尋常的新鮮玩藝兒推向市場(chǎng)──例如為高爾夫球手定做戴起來(lái)極為舒適的手套。最近在奧蘭多舉行的一個(gè)?PGA（美國(guó)職業(yè)高爾夫球協(xié)會(huì)）高爾夫球用品展覽上，幸福品牌集團(tuán)（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(yíng)企業(yè)智能自動(dòng)化系統(tǒng)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(xiàn)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(bǔ)自己球技的不足，往往不惜重金購(gòu)置制作精致的手套和球鞋。福喬公司負(fù)責(zé)掃描技術(shù)的桑迪?惠特爾西（Sandy?Whittlesey）說(shuō)：“根本不存在手套的尺碼體系?！备坦究赡軙?huì)在一兩年內(nèi)開(kāi)始利用掃描儀采集的數(shù)據(jù)在泰國(guó)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(shí)候利用遠(yuǎn)程通信技術(shù)把掃描儀獲得的顧客手形信息傳給計(jì)算機(jī)控制的縫紉設(shè)備──這樣的縫紉設(shè)備差不多可以設(shè)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(jī)器視覺(jué)技術(shù)的用途將會(huì)得到進(jìn)一步拓展。這種一開(kāi)始被用來(lái)監(jiān)測(cè)大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程的“機(jī)械監(jiān)督員”將會(huì)帶來(lái)大規(guī)模定制的時(shí)代。

????譯者：曹衛(wèi)國(guó)