快速將機械視覺添加到工業系統中即可提升工廠的安全性和生產力。

工業自動化機器的設計人員必須實作一定形式的機械視覺，以便在指定視野內判定所有物體的距離。實作這種測距用的機械視覺的原因可能有所不同，包括感測一般環境內的變化或侵入、生產線上的物體測距，或針對操作人員或機器人提供整體安全防護。特別是工業倉庫中的室內車輛，正逐漸實作機械視覺，以進行自動駕駛、物體定位和識別，以及障礙物偵測與迴避。

光偵測與測距 (LiDAR) 是最常見的物體測距用室內機械視覺方法，其採用雷射光來測量物體之間的距離。LiDAR 會測量反射雷射光的回傳時間與波長，藉此判定各點之間的距離。但是，LiDAR 機械視覺演算法非常複雜，學習曲線相當陡峭，因此需要機械視覺專業知識才能進行應用編程。

本文將向開發人員說明如何在應用中使用 Intel 立即可用的 LiDAR 攝影機，以偵測視野內的物體距離。可解決在新建或既有系統中添加機械視覺的難題，因此不用學習複雜的機械視覺技術與演算法。接著將說明如何使用高速 USB 3.1 連接，將 Intel LiDAR 攝影機與 UDOO 的單板電腦 (SBC) 進行配對。

室內工業自動化環境中的機械視覺

工業自動化室內環境的動態性逐漸提高，除了樓面增加越來越多設備之外，也需要更多操作人員與材料。這些機器、感測器和逐漸提高的自動化程度，代表要提升效率，同時也要確保操作人員的安全。

在許多情況下，額外添加的感測器會用來偵測目標區域內的物體，包括人員。有許多種方式可偵測生產線上的物體，包括使用基本的光感測器，在物體通過時偵測環境光變化；使用機械式開關，以物體的重量壓下開關；或使用橫跨生產線的光束，當產品通過時會阻礙光束，即可偵測。這些方法適用於基本的物體偵測，但自動化的精密度越高，就需要好比人眼一樣更複雜的視覺偵測。

機械視覺大概可比喻成為機器添加視力，藉此識別不同的顏色、區別不同的物體，以及識別多種動作。但有一種機械視覺相當常見也非常實用，就是偵測視野內所有物體的距離。

有兩種常見的方法可對眾多物體進行距離偵測。第一種方法是雷達，但若是在室內環境，操作人員就會經常暴露在高頻訊號中，因此要立即考量到相關危害。若是戶外環境，雷達頻率會從物體上反彈，然後消散到周圍環境中，因此無害。若在室內使用，雷達會在多個物體上來回反彈，導致強烈的電磁干擾 (EMI)。長時間暴露會對操作人員產生長期的健康危害。

對視野中多個物體進行測距的第二種常見方法是雷射光測距，即 LiDAR。此方法會對物體發射一道或多道雷射光束，藉此測量距離。雷射光束反射回到起點接受器所耗費的時間，加上光束的相位偏移，都會跟雷射發射時的時間與相位進行比對。演算法會依據時間和相位差來計算物體的距離，然後轉換成公分或英吋。

以單一雷射光束來偵測單一物體時，要計算其時間與相位差，其實相當直覺簡單。但若是更複雜的機械視覺應用，則會涉及視野內數十個物體的距離計算。統整這些計算來建構距離的視覺化視圖並不容易，也需耗費相當多的開發時間。

具測距功能的機械視覺

有個實用的解決方案適合機械視覺應用，能迅速上手並運作，那就是 Intel RealSense 82638L515G1PRQ 高解析度 L515 LiDAR 深度攝影機 (圖 1)。此攝影機直徑為 61 mm，深度為 26 mm，含有 LiDAR 影像深度單元、紅綠藍三原色 (RGB) 相機，以及一個慣性測量單元 (IMU)。此 LiDAR 攝影機會回傳 1024 x 768 或 1920 x 1080 的影像點陣圖，每個像素可呈現該點離攝影機的距離。

圖 1：Intel 的 RealSense L515 是自足式高解析度 LiDAR 攝影機，其中亦有 RGB 攝影機與 IMU。可使用 USB 3.1 輕鬆連接到支援的電腦。(圖片來源：Intel)

Intel 的 L515 LiDAR 攝影機會回傳視野內區域的點陣圖影像。只是，LiDAR 攝影機回傳的並不是典型的區域寫實影像，而是在影像中以各個像素的 RGB 值去呈現各像素離 Intel L515 攝影機的距離。攝像機的解析度介於 0.25 至 9 公尺。其中含有一個標準的 200 萬畫素 RGB 攝影機，在開發期間相當實用。建議用於室內照明情境，因為此設計並不適合在充滿陽光的地點操作。

圖 2 為 Intel L515 的影像範例。此張攝影機影像聚焦在植物上並以此為前景，然後分成兩個區塊。左邊顯示植物的一般 RGB 攝影機影像，且背景為自然色彩。右邊則是各物體離攝影機的視覺化距離圖。前景中的植物顯示成不同的藍色色度，背景的牆面則顯示成亮橘色。右邊的牆面更加遠離攝影機中心，因此影像呈現更深的紅色色度。

圖 2：Intel 的 L515 LiDAR 攝影機會傳回 RGB 影像 (左)，以及表示物體離攝影機距離的點陣圖影像 (右)。靠近攝影機時會顯示成藍色，遠離則會顯示為深紅色。(圖片來源：Intel)

軟體可透過此資訊處理影像資料，以便判定物體與攝影機之間的距離。

Intel 的 L515 LiDAR 攝影機體積小巧且整合度高，適用於室內工業自動化應用，能在新建或既有的系統中快速實作機械視覺深度感測。若是活動式系統，Intel 的 L515 含有 IMU，可感測 ±4 g 的加速度，並具有陀螺疑，可感測每秒高達 ±1000˚ (˚/s) 的轉動。此方案適用於工業自動化設施中絕大多數的室內車輛或機器人。進行 IMU 韌體編碼時務必謹慎，因為車輛或機器人撞到障礙物的瞬間可能會超過 4gs，務必將此例外情況列入考量。

完整系統中的機械視覺

Intel 的 L515 可使用高速 USB 3.1 介面，介接 PC 或單板電腦 (SBC)。攝像機外罩具有 USB Type-C® 連接器，因此可使用標準的 Type C 連接器纜線，輕鬆進行整合。機械視覺影像處理是相當耗費 CPU 資源的工作，建議配備充裕的效能，以便在必要時可即時處理影像資料組合。UDOO 的 KTMX-UDOOBL-V8G.00 Bolt V8 是高效能的單板電腦，採用四核心處理器架構，運作速度為 2.0 GHz (可加速至 3.6 GHz)，並具有最多 32 GB DRAM 支援。程式記憶體可使用 M.2 固態硬碟 (SSD)，更支援標準 SATA-3 硬碟介面。

圖 3：UDOO 的 Bolt V8 是功能強大的 SBC，具有四核新處理器，運行速度高達 3.6 GHz。支援 M.2 和 SATA-3 外接硬碟介面，可容納最多 32 GB DRAM，並且具有 USB 3.1 Type C 連接器，可用來介接 Intel RealSense L515 LiDAR 攝影機。(圖片來源：UDOO)

UDOO 的 Bolt V8 具有兩個 HDMI 1.4 視訊介面，可連接監視器。在網路方面，可透過板載 RJ-45 連接器以有線 Gigabit 乙太網路方式連接工廠網路。也支援 Wi-Fi 和藍牙。透過 3.5 mm 英吋標準插頭支援立體聲音訊。此 SBC 可運行任何 64 位元 x86 相容作業系統，包括Microsoft Windows 和任何 64 位元 Linux 發行版。此強大的 SBC 需要 19 V、65 W 電源供應器支援 2 GHz 的性能。

至於機械視覺資料演算法，UDOO 的 Bolt V8 擁有充裕的處理能力可加以運用。可透過高速 USB 3.1 Type C 介面取得 Intel RealSense L515 的資料，必要時可透過任一 HDMI 介面，在監視器上顯示影像。可透過連接任一音訊輸出插孔的揚聲器發出音訊警示或警報。

結論

具有深度感測能力的機械視覺正迅速成長，若要從頭開始打造，需要複雜的程式與硬體。若採用的機械視覺系統可透過立即可用的解決方案，以其預先編程的韌體來進行深度計算，就可節省時間與花費，不僅能享有高效能的機械視覺系統，還可迅速可靠地部署到工業自動化環境中運作。