機(jī)器視覺：高速發(fā)展的新一代智能感知技術(shù)

□文/ 潘 揚(yáng) 杭州市科技信息研究院

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，讓機(jī)器擁有人類一樣的感官觸覺功能，以運(yùn)行預(yù)設(shè)好的決策程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)器對(duì)多維世界的理解變得愈發(fā)重要，而機(jī)器視覺技術(shù)就可以為這些“決策”提供可靠的信息來源。機(jī)器視覺作為新一代智能感知技術(shù)，在智能制造發(fā)展中占有重要地位。

機(jī)器視覺定義及技術(shù)特點(diǎn)

機(jī)器視覺即用機(jī)器代替人眼，模擬眼睛進(jìn)行圖像采集，經(jīng)過圖像識(shí)別和處理提取信息，最終通過執(zhí)行裝置完成操作。美國制造工程師協(xié)會(huì)(SME)機(jī)器視覺分會(huì)和美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)(RIA)自動(dòng)化視覺分會(huì)關(guān)于機(jī)器視覺作了以下定義：機(jī)器視覺是通過光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器，自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置。

機(jī)器視覺的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度（如表1）。例如，在不適合人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺。又如，在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，而用機(jī)器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而且機(jī)器視覺易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。它可以在最快的生產(chǎn)線上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測量、引導(dǎo)、檢測和識(shí)別，并能保質(zhì)保量地完成生產(chǎn)任務(wù)。

表1 機(jī)器視覺與人眼比較

全球機(jī)器視覺發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)器視覺的發(fā)展史可追溯至20 世紀(jì)60 年代，大約每10—20 年機(jī)器視覺技術(shù)與應(yīng)用都會(huì)產(chǎn)生一次深刻變革。

?萌芽階段

1963 年，美國學(xué)者Lawrence Roberts 提出了從2D圖像中提取三維結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)，引發(fā)了MIT 人工智能實(shí)驗(yàn)室及其他機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)器視覺的關(guān)注，標(biāo)志著三維機(jī)器視覺研究的開始。1969 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出CCD 傳感器，用于把圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中參與計(jì)算和分析，奠定了機(jī)器視覺技術(shù)的基石。這一時(shí)期機(jī)器視覺只在高端研究和航天、軍工項(xiàng)目中有少量初級(jí)應(yīng)用，并未形成完整概念。

?起步階段

20世紀(jì)80年代，機(jī)器視覺的概念首次在產(chǎn)業(yè)界被提及，但未形成精準(zhǔn)定義。David Hubei 和Torten Wiesel提出“視覺系統(tǒng)分級(jí)處理信息”的思想，推動(dòng)了卷積神經(jīng)系統(tǒng)的突破性發(fā)展。David Marr建立了一個(gè)用于視覺數(shù)據(jù)監(jiān)測的視覺算法。同一時(shí)期，DALSA（加拿大，1980年成立）、COGNEX（美國，1981 年成立）等首批機(jī)器視覺企業(yè)誕生。

?成長階段

得益于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，機(jī)器視覺尤其是定位檢測功能得到蓬勃發(fā)展。1999 年，Nvidia 公司設(shè)計(jì)了專門用于復(fù)雜數(shù)學(xué)和集合計(jì)算的數(shù)據(jù)處理芯片（GPU）；同年David Lowe 發(fā)表《給予局部尺度不變特征的物體識(shí)別》，標(biāo)志著研究人員不再通過創(chuàng)建三維模型重建對(duì)象，而是轉(zhuǎn)向基于特征的對(duì)象識(shí)別。

?產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段

2000 年以來，應(yīng)用和算力的提升促進(jìn)了機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2001 年，第一個(gè)實(shí)時(shí)工作的人臉檢測框架誕生。隨后，HOG、SPM、GAN 等深度學(xué)習(xí)算法的提出，促進(jìn)了機(jī)器視覺領(lǐng)域的突破性發(fā)展。各大巨頭紛紛布局機(jī)器視覺領(lǐng)域。

近10 年來，機(jī)器視覺全球市場增長迅速，從2010 年的31.7億美元市場規(guī)模增長至2020年的107億美元，年均增長達(dá)14.47%（如圖1）。從地區(qū)分布來看，機(jī)器視覺市場規(guī)模最大的是歐洲地區(qū)，占全球的36.4%；北美和亞太地區(qū)占比分別為29.3%、25.3%，南美、中東、非洲地區(qū)的占比為9.1%（如圖2）。受益于全球制造中心向中國轉(zhuǎn)移，中國機(jī)器視覺市場發(fā)展迅速，將成為歐洲、北美和日本外另一個(gè)國際機(jī)器視覺廠商的重要目標(biāo)市場。

圖1 2010-2020全球機(jī)器視覺市場規(guī)模

圖2 全球機(jī)器視覺行業(yè)區(qū)域格局（按市場規(guī)模）

國內(nèi)機(jī)器視覺發(fā)展現(xiàn)狀

與全球機(jī)器視覺行業(yè)相比，國內(nèi)機(jī)器視覺行業(yè)起步較晚，直到20 世紀(jì)90 年代中后期才開始有初步探索應(yīng)用。近年來，中國機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)逐步邁向高速發(fā)展階段。目前，中國有近百家機(jī)器視覺相關(guān)企業(yè)，涉及半導(dǎo)體、食品、安防、醫(yī)療及金融等各個(gè)領(lǐng)域。

20世紀(jì)90年代中后期，中國整線引入半導(dǎo)體工廠的同時(shí)，也引入了機(jī)器視覺系統(tǒng)，隨后開始在航空、航天、軍工及高端科研（天文、力學(xué)研究等）核心機(jī)構(gòu)和行業(yè)應(yīng)用。

2006 年起，工業(yè)機(jī)器視覺應(yīng)用到印刷、食品等檢測領(lǐng)域，3C 電子制造的需求直接推動(dòng)了我國機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2010 年起AI 算法的發(fā)展極大促進(jìn)了中國機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展。中國機(jī)器視覺企業(yè)探索由更多自主核心技術(shù)承載的機(jī)器視覺軟硬件器件的研發(fā)，多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域取得了關(guān)鍵性的突破。

2015 年以來，中國機(jī)器視覺市場規(guī)模保持在增速40%以上的較快增長。2015—2020 年復(fù)合增長率為37.97%，較全球機(jī)器視覺行業(yè)2015—2020 年復(fù)合增長率高24.31 個(gè)百分點(diǎn)（如圖3）。根據(jù)國內(nèi)龍頭企業(yè)矩子科技預(yù)測，中國機(jī)器視覺市場規(guī)模在2023 年將達(dá)到155.6億元。

圖3 2015-2021年中國機(jī)器視覺市場規(guī)模及預(yù)測

機(jī)器視覺作為新一代智能感知技術(shù)，是智能制造和人工智發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。從國家到地方紛紛出臺(tái)了各項(xiàng)規(guī)劃和扶持政策。2016 年，工信部在《智能硬件產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展專項(xiàng)行動(dòng)(2016—2018 年)》中首次提出支持機(jī)器視覺等新一代感知技術(shù)的發(fā)展。此后在2017年《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》、2020 年《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)規(guī)劃（2021—2023 年）》、2021 年《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》中，均提出要發(fā)展機(jī)器視覺、智能感知等人工智能新技術(shù)，建設(shè)智能制造示范工廠。

隨著機(jī)器視覺技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用范圍及場景的不斷擴(kuò)張，制定機(jī)器視覺行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也愈發(fā)必要。2020 年，中國機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布了《工業(yè)鏡頭術(shù)語》及《工業(yè)數(shù)字相機(jī)術(shù)語》兩項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，《智能制造機(jī)器視覺在線檢測通用要求》國家標(biāo)準(zhǔn)于2022 年5 月正式實(shí)施，而《智能制造機(jī)器視覺在線檢測測試方法》國家標(biāo)準(zhǔn)正在征求意見當(dāng)中。

目前，我國機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)受發(fā)展滯后制約，國際機(jī)器視覺高端市場主要被美、德、日品牌占據(jù)，美國的康耐視、日本的基恩士、德國的巴斯勒是全球機(jī)器視覺的巨頭企業(yè)，壟斷了近50%的全球市場份額。我國機(jī)器視覺企業(yè)以中小企業(yè)為主，根據(jù)中國機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，我國機(jī)器視覺銷售額1 億元以上企業(yè)僅占16.5%，主要集中在銷售額1000—3000 萬元范圍（如圖4）。從企業(yè)區(qū)域分布來看，我國機(jī)器視覺企業(yè)集中分布在廣東、江蘇、山東、浙江、上海等省市，分別占比為27.01%、15.88%、7.73%、7.63%、4.07%，5 個(gè)省市共占據(jù)全國企業(yè)的62.33%（如圖5）。

圖4 中國機(jī)器視覺行業(yè)企業(yè)銷售額分布情況

圖5 2021年中國機(jī)器視覺企業(yè)區(qū)域分布占比

杭州機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況分析

?政策扶持打造全球視覺智能產(chǎn)業(yè)中心

機(jī)器視覺是杭州市的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)之一，杭州提出要搶抓發(fā)展機(jī)遇，發(fā)揮特色優(yōu)勢(shì)，打造全球視覺智能產(chǎn)業(yè)中心。在《杭州市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二O 三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中，明確提出“聚焦視覺智能（數(shù)字安防）等優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，突破圖像傳感器、中控設(shè)備、芯片、智能算法等關(guān)鍵技術(shù)，加快推進(jìn)工業(yè)視覺等應(yīng)用，打造全球視覺智能（數(shù)字安防）產(chǎn)業(yè)中心。到2025年，產(chǎn)值達(dá)到3000 億元?！痹?022 年發(fā)布的《杭州市人民政府辦公廳關(guān)于促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)施意見》更表明要提升創(chuàng)新能力，到2025年，在人工智能芯片、視覺處理芯片等前沿領(lǐng)域形成一批創(chuàng)新成果。

?龍頭企業(yè)占據(jù)國內(nèi)較大市場份額

從機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)鏈角度來看，機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)鏈較長，上游由機(jī)器視覺系統(tǒng)硬件和軟件算法構(gòu)成，中游為設(shè)備商和系統(tǒng)集成商，主要負(fù)責(zé)軟件的二次開發(fā)和設(shè)備制造，下游應(yīng)用場景和領(lǐng)域較廣（如圖6）。

圖6 機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

中國的機(jī)器視覺市場主要由國外巨頭企業(yè)和本土內(nèi)資企業(yè)占據(jù)，國外廠商占據(jù)主導(dǎo)地位，基本壟斷了相機(jī)、鏡頭、光源等中高端市場。國內(nèi)主要廠商包括奧普特（光源、鏡頭、視覺控制系統(tǒng)）、天淮科技（智能3D視覺傳感器等高端裝備產(chǎn)品）、矩子科技（機(jī)器視覺設(shè)備）、?？低暎C(jī)器視覺硬件及軟件產(chǎn)品）等，處在逐步發(fā)展階段。

杭州的機(jī)器視覺行業(yè)的龍頭企業(yè)包括?？低?、大華股份、虹軟科技等，其中?？低暜a(chǎn)品涉及機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)鏈中的工業(yè)鏡頭、工業(yè)相機(jī)、軟件算法、機(jī)器視覺設(shè)備及系統(tǒng)集成商等領(lǐng)域。

根據(jù)同花順數(shù)據(jù)，我國機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)共有A 股上市企業(yè)58 家，其中深圳12 家，北京6 家，杭州和上海各4家。杭州擁有?？低暋⒋笕A股份、虹軟科技、愛科科技4 家機(jī)器視覺上市企業(yè)，數(shù)量居全國第3 位，副省級(jí)城市第2 位，總市值達(dá)到3564.76 億元，占全國總市值的40.35%。其中，?？低暱偸兄?989.38 億元，是我國機(jī)器視覺上市公司總市值最高的企業(yè)。

?產(chǎn)業(yè)集群仍未形成

根據(jù)天眼查專業(yè)版的數(shù)據(jù)，杭州在業(yè)、存續(xù)的機(jī)器視覺企業(yè)共有102 家，落后于深圳（1292 家）、東莞（474家）、蘇州（242家）、上海（129家）。廣東和上海是機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)代表性企業(yè)的集中地，廣東省代表性企業(yè)覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈，東莞的奧普特的機(jī)器視覺產(chǎn)品覆蓋全核心部件，是中國機(jī)器視覺核心部件龍頭企業(yè)，上海的矩子科技是有較強(qiáng)市場競爭力的機(jī)器視覺設(shè)備制造商。機(jī)器視覺設(shè)備廠商超音速、深科達(dá)、勁拓股份、康鴻智能、中興新通訊均分布在廣東省。杭州機(jī)器視覺企業(yè)未形成產(chǎn)業(yè)集群，仍有極大培育提升空間?！?/p>