图像传感器在工业成像的应用及挑战

　　＂人口红利＂的消退，让智能制造等相关话题再次得到人们的热议。
　　机器视觉作为智能制造的＂眼睛＂，相比人类视觉更具精确性、速度性、客观性、可靠性等优势，能够在生产环境中代替人工实现高强度的连续精准作业，大幅度提升工作效率与工作质量。无疑，工业成像技术在工业自动化中扮演着重要的角色，图像传感器则是机器视觉应用不可或缺的关键零组件。
　　近日，a&s特别采访了Teledyne e2v专业影像部门亚太区副总裁张耀强，探讨图像传感器在工业成像的应用与发展趋势。
　　Q：a&s
　　A：Teledyne e2v专业影像部门亚太区副总裁 张耀强
　　Q：贵司主要在工业自动化领域扮演什么角色？这个领域国内目前市场有哪些特点？
　　A：我司特励达易图威科技有限公司 (下称Teledyne e2v) 为图像传感器公司。在工业自动化中，传感器起着至关重要的作用，以使产品智能化和超自动化。传感器帮助人们检测，分析，测量和处理各种变化，例如在工业生产场所发生的位置，长度，高度，外部和错位的变化。传感器是一种设备，可以识别电气或物理或其他数量的进度，并以确认产量进度的方式交付收益。
　　图像传感器是利用光电器件的光电转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。图像传感器是现代自动化的基础，通过图像传感器捕获的数据为机器视觉技术提供支持。数据通过图像识别算法运行，以识别视野中的物体，从而可以实现对目标物体的细粒度实时协调，从而实现自动化。视觉技术正在迅速发展，这对包括工业市场在内的多个部门产生了重大影响，而工业市场的不断改进则优化了图像传感器，从而优化了该部门的自动化系统，提高检测的精度和效益，从而大幅提高工业化的产量和品质。
　　在图像传感器领域，中国目前机器视觉市场为方兴未艾的广阔发展领域，有望拉动CMOS图像需求扩容。机器视觉技术利用图像传感器搭配多角度光源以获取检测对象的图像，并通过计算机从图像中提取信息进行分析和处理，最终实现多场景下的识别、测量、定位和检测四大功能，赋予机器＂看＂和＂认知＂的能力。
　　从机器视觉行业整体市场竞争来看，CMOS图像传感器行业目前是由国外厂商主导，如索尼、安森美、Teleydne e2v占据行业领先地位，国内传感器公司紧跟市场行情和需求迎头赶上的局面，如豪威，思特威等。我司Teledyne e2v公司拥有超过40年的成像设计及制造经验，针对机器视觉市场，提供高性能图像传感器、定制化的摄像头解决方案以及特定应用的标准产品。我司研发的全局快门的图像传感器，由于其成像质量好，噪声低，帧率高，并且集成了相应的处理功能，受到了客户的广泛欢迎。现在我司的产品应用于工业相机，智能扫码，人脸识别，智能交通系统、和工业人工智能等很多领域，我们广泛地称其为机器视觉领域。
　　在工业领域，机器视觉被广泛用于自动检验、工件加工、装配自动化以及生产过程控制和监视图像识别。对产品质量需求的提升，促进了机器视觉在汽车、电子、半导体、食品和包装行业的发展。事实上，机器视觉已经＂超越＂工厂领域，广泛应用于农场、道路和停车场（如车牌识别）、物流仓储等多种场景中。机器视觉相机市场将从2017年的20亿美元增长到2023年的40亿美元左右，复合年增长率（CAGR）为12%。
　　Q：您如何看待国内工业自动化的发展态势？与西方国家相比有哪些差异？
　　A：机器视觉自起步发展到现在，已有15年的发展历史。目前全球整个视觉市场总量大概在60~70亿美元，以每年8.8%的增长速度增长。而在中国，这个数字目前看来似乎有些庞大，但是随着加工制造业的发展，中国对于机器视觉的需将呈上升趋势。 在国外，机器视觉的应用普及主要体现在半导体及电子行业，其中大概40%-50%都集中在半导体行业。具体如PCB印刷电路，SMT表面贴，电子生产加工设备：电子元件制造设备、半导体及集成电路制造设备、元器件成型设备、电子工模具。机器视觉系统还在质量检测的各个方面已经得到了广泛的应用，并且其产品在应用中占据着举足轻重的地位。除此之外，机器视觉还用于其他各个领域。
　　而在中国，以上行业属于新兴的领域，国内的机器视觉行业的技术落差正在不断的变小，某些特定领域甚至可以由国内市场特有的需求提炼产品卖点。目前我国随着配套基础建设的完善，技术、资金的积累，各行各业对采用图像和机器视觉技术的工业自动化、智能化需求开始广泛出现，国内有关大专院校、研究所和企业近两年在图像和机器视觉技术领域进行了积极思索和大胆的尝试，逐步开始了工业现场的应用。其主要应用于制药、印刷、矿泉水瓶盖检测等领域。这些应用大多集中在如药品检测分装、印刷色彩检测等。但真正高端的应用目前还是很少，因此，以上相关行业的应用空间还比较大。当然，其他领域如指纹检测等等领域也有着较好的发展空间。
　　Q：在目前的工业自动化市场中，软件虽然支撑了整个工业的体系，但其价值往往会被人所忽视，如何看待这种现象？
　　A：欧美是工业软件的起源地，也是工业软件应用的巨大市场，由于工业软件在需求、知识、应用、数据等方面依赖于工业体系，故工业软件巨头多来自于制造业强国。
　　作为制造行业中的软实力，在机器视觉行业的发展初期，国内的机器视觉行业的重点在于解决硬件的问题，从而忽略了软件的开发，造成了当前在软件行业的落后局面。由于我国还未全面实现工业自动化进程，相关企业缺乏经验和人才积累，使得我国工业软件市场长期被国外厂商产品所占据。
　　目前，国内已经具备一定数量的软件企业，部分通用软件企业已在市场中充分成长壮大，但在专业知识属性更强的工业软件领域，国内软件企业仍有待突破。软件的开发，数据的积累没有捷径，只能通过不断的努力和奋斗，不断完善算法的精度和稳定性。随着中美贸易摩擦的加剧，核心技术国产化的重要性愈发突出，出于对先进制造和信息安全问题的考虑，国产研发设计类工业软件进入国内大型企业的步伐将加快，国产工业软件实现对国外工业软件的逐步替代将成为工业软件行业的长期趋势。
　　Q：作为制造业大国，工业却是国内AI落地场景中最薄弱的一环，您认为工业+AI或工业+数字化技术目前仍有哪些不足，贵司有哪些新的见解？
　　A：我国虽然跟发达国家同步起步，但与发达国家相比，我国工业互联网的发展水平和现实基础还存在着很大差距。产业支撑能力不足，核心技术和关键平台综合能力不强，标准体系不完善，企业数字化网络化水平都有待提高，缺乏龙头企业引领，人才支撑和安全保障能力都不足。
　　具体来看，在网络方面，一是现有的网络难以满足工业生产高安全、高实时、高可靠的需求。二是缺乏统一的标准接口，互通性差。安全方面，当前我们国家工业互联网的安全存在着管理和防护不到位、产业核心技术薄弱，还有工业信息安全的人才匮乏，工业信息安全的意识不足等等问题。
　　中国机器视觉产业发展主要表现为以下一些薄弱环节：
　　1) 缺乏统一开放的标准
　　目前国内有近数家机器视觉产品厂商，与国外机器视觉产品相比，国内产品最大的差距并不单纯是在技术上，而且还包括品牌和知识产权上。另一现状是目前国内的机器视觉产品主要以代理国外品牌为主，以此来逐渐朝着自主研发产品的路线靠近，起步较晚。未来，机器视觉产品的好坏不能够通过单一因素来衡量，应该逐渐按照国际化的统一标准判定，随着中国自动化的逐渐开放，将带领与其相关的产品技术也逐渐开放。因此，依靠封闭的技术难以促进整个行业的发展，只有形成统一而开放的标准才能让更多的厂商在相同的平台上开发产品，这也是促进中国机器视觉朝国际化水平发展的原动力；
　　2) 基于嵌入式的产品将取代板卡式产品仍是空白
　　从产品本身看，机器视觉会越来越趋于依靠PC技术，并且与数据采集等其他控制和测量的集成会更紧密。且基于嵌入式的产品将逐渐取代板卡式产品，这是一个不断增长的趋势。主要原因是随着计算机技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式系统应用领域越来越广泛，尤其是其具备低功耗技术的特点得到人们的重视。另外，嵌入式操作系统绝大部分是以C语言为基础的，因此使用C高级语言进行嵌入式系统开发是一项带有基础性的工作，使用高级语言的优点是可以提高工作效率，缩短开发周期，更主要的是开发出的产品可靠性高、可维护性好、便于不断完善和升级换代等。因此，嵌入式产品将会取代板卡式产品。
　　3) 标准化、一体化解决方案也将是机器视觉的必经之路
　　另外，由于机器视觉是自动化的一部分，没有自动化就不会有机器视觉，机器视觉软硬件产品正逐渐成为协作生产制造过程中不同阶段的核心系统，无论是用户还是硬件供应商都将机器视觉产品作为生产线上信息收集的工具，这就要求机器视觉产品大量采用＂标准化技术＂，直观的说就是要随着自动化的开放而逐渐开放，可以根据用户的需求进行二次开发。当今，自动化企业正在倡导软硬一体化解决方案，机器视觉的厂商在未来5-6年内也应该不单纯是只提供产品的供应商，而是逐渐向一体化解决方案的系统集成商迈进。
　　在未来的几年内，随着中国加工制造业的发展，对于机器视觉的需求也逐渐增多；随着机器视觉产品的增多，技术的提高，国内机器视觉的应用状况将由初期的低端转向高端。由于机器视觉的介入，自动化将朝着更智能、更快速的方向发展。另外，由于用户的需求是多样化的，且要求程度也不相同。那么，个性化方案和服务在竞争中将日益重要，即用特殊定制的产品来代替标准化的产品也是机器视觉未来发展的一个取向
　　Q：工业自动化项目个性化需求繁多，导致厂商业务偏向定制为主，如何看待行业标准化的进程？哪些行业可复制性较强？
　　A：伴随中国智能制造2025以及工业4.0崛起，各行各业对图像的需求百花齐放。自动化行业的不断发展，从原来简单的照搬国外设备和标准发展到了现今各个行业，按照各自的发展需求，偏向定制化服务的进程。这是时代发展的必然阶段，也是市场发展的自然需求。
　　作为图像传感器CMOS芯片制造厂商，如何更好地了解各行业应用，为客户节省成本，提高生产效率和检测率是我们的使命。我们首先要满足每一个细分市场的标准化需求，开发该行业的标准产品。比如Topaz2M满足物流扫码小型化，低成本的需求；自动追焦模组满足固定式扫描市场的需求；Flash4k满足激光三角和光谱公交的市场；Hydra WVGA 满足3D ToF的市场；Teledyne e2v 的CMOS、CCD和EMCCD的面阵和3D图像传感器、线扫相机、相机模块和子系统为许多应用提供了高性能服务， Teledyne e2v 独特的方式包括聆听客户的市场和应用挑战, 与他们建立战略共赢关系, 提供创新的标准、局部或完全定制的成像解决方案, 从而帮助客户提高其系统的核心竞争力。
　　在满足细分化市场的标准需求之后，我们同时要满足各行业的头部客户对某一特殊应用的客制化需求。我司拥有图像传感器的最先进的技术和制造工艺，多年在光学，制成上的积累，为行业的头部客户一起开发了很多客制化的需求。在微透镜工艺，近红外传感，像元二极管架构，图像高速接口上都有着特殊的工艺和专利，客制化的服务，满足了头部客户的技术需求，实现技术的差异化和代差，确保其市场中的领导地位，公共创造新的市场需求，从而定义市场新的标准。
　　我国企业在机器视觉的行业中还处于跟随状态，与国外的先进企业的差距缺失越来越小，不过我们也要承认差距。国内的机器视觉玩家还没有能够定义下一代产品的能力。我们还处在国外企业定制行业标准开发新产品，国内客户制造相同产品替代的阶段中。我们仍旧需要不断地积累自己在光学，光电，软件，算法，行业标准等各方面的能力，能够自信的说出某一行业的发展方向和下一代，下两代的市场标准。届时我司将倾注所有的技术与研发，与客户共同研发，定制出最能够满足客户和市场需求的产品。期待这一天能够尽快到来，这一天终将会尽快来到。
　　Q：当下，工业‘卡脖子’问题仍然存在，您如何看待未来行业的发展？
　　A：当前的制造业主要产业存在的短板，在当前和今后一段时期内，产业基础的薄弱环节主要聚焦在核心零部件领域。举例来讲，基础零部件/元器件，包括高端芯片和传感器，关键基础材料，基础检测检验设备和平台，关键制造工业和装备，基础工业软件等，不能实现完全自主可控，相当一部分需要依赖进口。但其对于拥有工业门类最全、全球制造业规模第一的中国来讲，当前中国智能制造所用的核心器件高度依赖进口，也是自主可控发展的＂卡脖子＂难题，迫切需要解决。
　　＂卡脖子＂技术大都具有投入高、耗时长、难度大的特点，其实用价值并非短期能够显现。因此，在不少业内人士看来，这尤其需要科研人员耐得住寂寞、坐得住冷板凳，需要国家在政策、保障等方面加大支持力度，科学布局，利用制度优势，发挥社会主义市场机制的优势，通过培育＂专精特新＂企业，解决大约70%的工业基础问题；合理发挥政府的引导统筹作用，集中力量突破一批急需解决的＂卡脖子＂短板项目，如一些投入大、见效慢的关键核心零部件、元器件、基础材料、操作系统和工业软件。想要短时间内有所突破，需要国家进行协调部署，解决大约10%的工业基础问题；在部分产品和技术领域取得了突破，必须保持政策连续性，形成长效政策机制，解决大约20%的工业基础问题。
　　大力的进行人才和教育升级。建设制造强国、网络强国，不仅需要一大批经营管理人才、数以千万计的科学家和工程师，也需要数以亿计的技能人才。当前，我国制造业人才队伍在总量和结构上都难以适应制造业高质量发展的要求，高素质人才占比明显偏低，要拓展人才发展通道，让更多优秀的高技能人才脱颖而出。
　　另外，不只是通过＂补短板＂的方式来解决，还要通过发大力展我国特有的我国在稀土研发、核电技术和应用、通信技术及应用等领域之所以能够达到国际先进水平，具备国际竞争力，有能力＂卡别人的脖子＂。只有长期在这些领域有大量的人力、物力、财力投入，才能丰富自己的武器和弹药，不再惧怕外部的威胁。
　　Q：＂双碳＂ 战略目标下，公司采用了哪些具体举措，取得了怎样的效果？公司如何用技术创新驱动发展？
　　A：推进＂双碳＂目标的实现，需要科技创新。二氧化碳减排＂节流＂重要，＂开源＂同样重要，发展清洁能源，提升公共交通的运能是大趋势。我司当前运用特有的图像传感器技术，正在助力＂双碳＂目标的实现。
　　我司开发的＂Onyx＂传感器，凭借其1英寸的大底，10um的大像元，能够过得非常好的图像显示效果，在可见光近红外和低照度的表现都非常的卓越。真款传感器支持14bit的位深和190fps的帧率，能够拍出又快又好的图像。该产品用于太阳能面板的检测，提升太阳能电池板的自动化和检测效率的升级，满足双碳战略下的太阳能清洁能源市场的需求。
　　在传统的物流运输行业，机器视觉的技术正得到大量的运用。在条形码识别环节 条形码广泛用于快递物流产品的传输、识别、备案等。在物体检测环节，快递物流产品的安全检测贯穿于整个接纳、运送环节。当前的机器视觉很大程度上，已经替代了安全识别环节的人口检测。在快递物流系统中应用的机器视觉分拣系统，不同类型的快递物流产品被放至传送带上并处于高清相机的拍照范围以内，高清相机通过连续快速采集图像，传送至计算机进行图像处理，得出产品位置坐标以及物品识别，将信息传送至机器手臂，从而实现对抓取部分的控制已完成分拣工作。我司开发了多款产品适用以上的市场需求，其中Topaz2M最为当前市场上最小的2M全局曝光图像传感器，大量的用于扫码，识别行业，Emerald12M产品用于物流分拣行业，Hydra Tof产品凭借优秀的性能，满足客户在体积检测，箱体测量上的技术需求。我司通过多年的积累和在传感器行业的不断钻研，将于不久开发出5D的相关产品，该传感器将同时提供2D和3D图像，直击行业痛点，满足市场的需求。该产品的推出将更加助力物流行业的开发和升级，助力双碳战略的实施，创造新的市场需求。
　　Q：关于工业自动化，还有什么想补充的内容？
　　A：未来的5年将会是中国机器视觉飞速发展的5年，也会是Teledyne e2v公司成功的5年 ，虽然2019年的生意由于中美贸易战的影响有些调整， 但是未来的5年来说总体将会是成功、发展和产业升级的5年。我们看到机器视觉在各行各业都有了长足的应用，相信这种应用将会进一步进化和升级。首先传统的工业相机已从2D扩展到了3D的应用，接下来3D的精确测量和检测将带动行业整体的发展和提升，使得工业检测进入到了一个全新的领域。其次，工业扫码物流行业会有集约型，小型化，智能型的发展，中国市场对二维码的应用将得到进一步的深入应用和开发。最后，对于Teledyne e2v，我司会将会在服务于传统机器视觉行业的同时，进入到不同的市场。例如安防监控，智能交通，智能家居甚至是自动驾驶市场。
　　我司对不同市场和应用的需求进行了深入的学习和检讨，制定了针对不同市场的策略和产品路线。在对客户不断的接触，了解和合作中，我司做了较为详尽的市场规划和部署。未来的5年我司还会有更加符合市场需求的产品推出，相信未来是中国机器视觉飞速发展的5年，期待Teledyne e2v公司在飞速发展的大环境下，可以与视觉行业的朋友共筑彼此友谊，共建行业需求，共享最新科技，共创属于中国自动化行业的盛世辉煌。
　　后记
　　随着机器视觉的广泛落地，图像传感器市场也得到蓬勃发展。
　　作为工业自动化的核心，机器视觉的应用覆盖几乎所有机器以及制造周期的各个方面。目前在工业应用场景中，图像传感器正对识别速度及分辨率进行新的突破，实现更高帧率下步影响图像质量，同时在人工智能的加持下，智能化的能力正得到进一步的释放。