作者：黃怡暾，凌華科技工業計算機產品部

機器視覺的市場應用日益增加

機器視覺系統集成商與設備供貨商不斷尋求可執行復雜影像處理算法的新興解決方案和高性能計算機，以及更具成本效益并具備更快上市時間周期的產品。應用于平面顯示器（FPD）產業的自動光學檢測（AOI）即為一個例子。隨著FPD產業的發展，在單一系統上需要多種高分辨率攝像機的需求正在提升，在此同時，數據吞吐能力也成為處理大量數據負載的關鍵。包含掃描與面掃描（areascan）在內，正呈現出驚人成長的大尺寸影像視覺應用需要成像、顯示、儲存、實時可視化以及階處理能力。一般的AOI應用通常采用了搭載雙CPU，以及一片用于攝像機接口PCI-X附加卡的服務器。然而，在需要多個攝像機時，就需要更多臺服務器，以建構一個可用的AOI系統。這些服務器占用了寶貴的空間，且需要大量的管理及維護。此外，服務器之間的數據交換也為系統集成商與管理人員帶來了更大挑戰。

AOI系統不僅適用于FPD產業，其應用領域還橫跨了一系列運用視覺輸入進行數據處理的工業應用。包括自動化機器人的導航導引系統、用于操作任務的位置與結構信息、地形繪制功能（特別是在偏僻環境或在天災期間），另外還包括了在高速及大量生產過程中的計算機輔助作業等，均已成為AOI技術的必然應用領域，而且均充份使用了該技術提供的優勢。AOI系統搭載了特有的人機接口，能讓操作人員執行無論對工業或應用而言，都是最關鍵的實時與精確的操作控制。

AOI系統的功能包含了將影像采集到計算機、將影像轉換為可用格式、將影像調整為所需大小，還能計算適當的數據以呈現影像并執行質量檢查。在特別針對制造環境應用時，AOI系統不僅要滿足對高速、高分辨率、24小時運作、可重復測量等要求，還必須能在整個生產過程中進行自動識別、追蹤與質量保證。

一些較具特色的AOI系統采用了客制化數字信號處理器（DSP）與現場可編程門陣列（FPGA），為結果轉譯與缺陷定位提供了基礎解決方案。與傳統上許多產業采用的手動儲存及檢測移動的方法相較，通過先進光學檢測技術，用戶可獲得更多質量良好的產品（高良率），并消除缺陷產品所占比重（質量控制）。舉例來說，在木板業，提升由機器視覺系統所做的決定數量，可增加生產率及提高合格率，而且可運用較少的生產線人力實現更精確的產品分類，通過削減成本協助一家公司達到獲利底線。AOI系統可在制造環境中顯著提高價值，在這些環境中，為了提升最終產品的一致性，制造過程通常充滿了變量。

不過，值得注意的是，若缺乏適當的計算機架構與控制功能，在必須使用多種編程語言整合DSP與FPGA時，AOI系統會擔負較長的開發時間與付出更多工程資源的風險。因此，這些解決方案在獲得并采用新型DSP技術時，必須在軟硬件方面付出更多的投資。

針對先進AOI應用的理想解決方案，將是一種能在產能與成本比例中實現最佳平衡的平臺，而產能與成本比例則與制造程序、輸出入支持、易于編程、客制化與系統維護等息息相關。

ATCAAdvancedVisionPlatform（AVP）平臺滿足高端視覺系統需求

盡管最初的設計是針對下一代電信應用，但先進電信運算架構（簡稱AdvancedTCA或ATCA）也已經證實是解決當前高端機器視覺系統問題的理想方案。這種開放式架構可節省開發時間及相關成本，而配備PMC卡的ATCA系統還可進行擴展以提升系統靈活性。透過整合客制化PMC卡，并運用創新的Gigabit以太網絡和機箱管理（shelfmanagement）技術，以ATCA為基礎的機器視覺系統能在精巧、高密度的多刀鋒型機架系統中巧妙地滿足其性能需求。

具備PCI-XPMC模塊的高性能CPU刀鋒板卡可用來建構單一的先進CPU平臺。一個PMC模塊就能與好幾種攝像機接口標準進行通訊，包括CameraLink、Firewire，以及逐漸成為主流的Gigabit以太網絡接口攝像機等。透過適當地整合這些技術與靈活的架構，PMC模塊可通過保證向后與前向兼容性，消除設備因陳舊而面臨報廢的風險，隨著技術進展維持系統的最佳執行效能，并確保用戶可獲得最大的投資回報。

由于ATCA的刀鋒型架構，針對AOI應用，系統集成商可輕易地將多個攝像機整合到一個AVP之中。例如，若一片AVP刀鋒板卡必須處理來自兩臺CameraLink攝像機的影像數據，則一個5U的ATCA系統就能支持10臺CameraLink攝像機（見圖1）。與傳統的服務器解決方案相比，一個基于ATCA的AVP不需要五個服務器來實現較有效率的作業。這種更精巧的產品不僅能讓基于ATCA的AVP節省更多空間，而且能協助簡化并減少大量布線、連接和基礎設備等許多工業領域使用者必須處理的問題，如此一來，將可騰出寶貴的空間用于其它用途。另外，ATCA平臺的熱機拔取（HotSwapping）與完全冗余特性（FullyRedundancy）可確保在移除任何組件時都不會中斷運作，大幅減少了維修和更換組件的時間。

圖1：服務器系統vs.用于AOI的AVP系統。

由于具備了base/fabric接口，一款基于ATCA的AVP能讓系統集成商在處理影像的刀鋒板卡之間建立通訊，包括基于Gigabit以太網絡的接口在內，以便在板卡交換影像數據時，提供更快速的通道。

由于每個ATCA系統均具備系統管理的模塊指令，因此系統集成商可輕易地通過安裝機箱管理模塊（CMM）建構一個高度可靠及可管理的平臺，以監控并控制處理影像的刀鋒板卡及其它現場可換置組件（FRU）。CMM負責監控機柜的運作、報告異常情況、進行錯誤校正，同時能在系統中實現互連。ATCA架構的可靠性與靈活性確實能改善機器視覺系統的運作效能，并通過減少現場人力及改善生產質量協助企業節省成本。

凌華科技的aTCA-6890是首款以ATCA架構，搭配使用FPGA技術及CameraLink技術的影像采集的PMC模塊，使用于高端影像處理應用的的刀鋒板卡。（見圖2與圖3）。每個刀鋒板卡均支持兩個核心速率高達3.4GHz的低電壓Intel？LVXeon？處理器。由于Intel？的超執行緒（Hyperthreading）技術與EM64T64位運算能力，該平臺能為橫跨多種應用與產業類別的復雜影像處理提供強大運算效能。由于支持高達16GB的DDR2內存，這款AVP刀鋒板卡為高密度影像數據的處理及儲存提供了大容量內存吞吐率。凌華科技的aTCA-6890呈現出了與傳統私有機器視覺系統集成商截然不同的設計方向，它減少了對DSP的需求，并運用了ATCA在功率與性能方面的優勢。針對AOI應用，一個AVP刀鋒板卡可利用高效能CPU，以最佳等級處理數據，同時執行復雜的型態學運算。由于具備了更大的內存帶寬與容量，AVP刀鋒板卡技術可進一步協助使用者儲存大量影像數據，若有需要，也能進行精確追蹤與除錯。

圖2：凌華科技的AVP刀鋒板卡。

圖3：凌華科技的AVP刀鋒板卡結構圖。

在凌華科技AVP刀鋒板卡上，針對高性能CameraLink或IEEE1394接口的板上PMC模塊可支持高速影像數據交換。通過針對FPGA制造商的IP核心開發寫入/讀取包裝程序（wrapper），將可達到大容量系統的優勢，讓用戶定義每個讀/寫端口的總線寬度，并使運算更有效率。而通過板上的高密度、客制化、基于FPGA的處理核心，每個通道均可支持高達640MB/s的影像數據傳輸率，而畫素頻率則可達到85MHz。

凌華科技AVP系統提供了標準平臺，而且僅需客制化的PMC卡就可具備所有功能。該平臺可大幅縮短應用開發與系統升級時間，并允許系統集成商為前置或后影像處理建置專有的FPGA技術。由于制造環境正在產生變化，廠商所制造的產品越來越精巧，或是極容易受到污染，例如集成電路與對溫度敏感的組件，以及也許必須采用非接觸式或非侵入式測試方法的藥品等。視覺檢測對于訴求安全的應用同樣有益，如采用有害物質的零組件等。恰當地配置讓系統集成商不僅可在許多高端制程中通過改善效率提升附加價值，而且還能在制造過程中依需求

對收集到的數據進行統計并實時提供反饋信息。AVP系統的強大功能、靈活性與連接能力，在必須以相對較低成本達到100%檢測以實現高生產率的應用中，幾乎已經成為一種必要配備。

結論

本文針對高端機器視覺應用介紹了一種創新的解決方案，能滿足先進技術、客制化與應用的需求。此外，該方案也強調通過采用革命性的ATCA架構，可降低操作成本并減少使用空間。凌華科技的AVP刀鋒產品提供了較現有服務器與單板工業計算機方案更優良的性能，是專為滿足當前與未來嵌入式視覺系統所設計的解決方案。