【OneLink Discovery】第18期—机器视觉行业洞察
2021年03月15日 浏览次数:3042


一、机器视觉产业概述


二、机器视觉应用场景


三、5G+机器视觉


四、结语


一、 机器视觉产业概述


1. 机器视觉市场分析


现代工业自动化技术日趋成熟,机器视觉领域引入人工智能技术,在不少场景下处理的范围和效果得到了增强,极大拓展了机器视觉的应用领域。许多制造企业考虑如何采用机器视觉来帮助生产线实现检查、测量和自动识别等功能,以提高效率并降低成本,从而实现生产效益最大化。机器视觉作为新兴技术被寄予厚望,被认为是人工智能行业中一个具备光明前景的细分领域。


机器视觉由于技术本身存在的优越性在许多领域有很好的发展前景。从全球范围看,由于下游消费电子、汽车、半导体、医药等行业规模持续扩大,全球机器视觉市场规模呈快速增长趋势,2017年已突破80亿美元,2020年预计突破125亿美元(2020年数据暂未公布),2025年预计将超过192亿美元。


国内方面,受益于配套基础设施不断完善、制造业总体规模持续扩大、智能化水平不断提高、政策利好等因素,中国机器视觉市场需求不断增长。2018年中国机器视觉市场规模首次超过100亿元,2019年市场规模将近125亿元,2014-2019年复合增长率为28.36%。随着行业技术提升、产品应用领域更广泛,未来机器视觉市场将进一步扩大,预计2023年将达到197亿元,2019-2023年复合增长率超12%。目前国内机器视觉处于快速发展时期,企业间竞争激烈,处于百花齐放的阶段。

从长远的潜在市场规模来看,当前只有5%的潜在用户使用了机器视觉,也就是还有95%的潜在用户需要但还没有用上机器视觉,全部潜力发挥出来后,全球的市场可达到1200亿美元。


国内机器视觉从上世纪80年代萌芽以来,通过艰难的概念引入,至2002年迈入发展期,特别在2012年,工业和信息化部印发了《高端装备制造业“十二五”发展规划》,规划明确将智能制造装备列入现阶段高端装备制造业发展的重点方向之一。随着“工业4.0”等概念的兴起,国内机器视觉企业大量涌现,各大高校及企业纷纷在该领域进行投入和研究,机器视觉行业进入快速成长期。


2. 机器视觉政策分析


近年来,国家十分重视高端装备制造业的发展,不断发布各项政策推动行业发展,充分支持高端装备行业的产品研发和市场扩展。而高端装备制造行业是机器视觉技术的主要应用,高端装备制造行业对于精准度的严格要求需要机器视觉技术的支持,因此,国家接连出台各项政策推动着机器视觉行业的发展。

与此同时,相关的行业标准也在持续不断的进行更新和发展:

从政策层面来看,中国提出中国制造2025的战略目标,要向制造强国转变。制造能力的提升离不开智能化,这也是机器视觉的主要优势领域。在国家战略的影响下,机器视觉行业必将迎来大发展。


3. 机器视觉产业链分析


机器视觉产业链主要由上游零部件供应商、中游装备厂商以及下游应用行业构成。机器视觉是一种基础功能性技术,整体包括相机、镜头、视觉控制器、图像处理、传感器、算法平台等,其下游为应用领域拓展,包括消费电子、汽车、半导体、虚拟现实、智能安防、健康医疗等。


目前,全球机器视觉行业整体呈现两强对峙状态,日本基恩士、美国康耐视两大巨头几乎垄断了全球50%以上的市场。总体来说,大型跨国公司在本行业占据了行业价值链的高端,拥有较为稳定的市场份额和利润水平;国内企业主要在中低端市场进行竞争,相对来说利润水平偏低,但是部分深耕细分领域的企业依靠自身对客户需求的深刻理解和丰富的经验也拥有良好的生存发展空间。

机器视觉行业的产业链中,上游(软件、传感器、电器件、机械键等)如基恩士、康耐视等主要业务领域,目前主要被大型专项科技类企业垄断,由于该领域具备十分强的专业性且壁垒较高,具有很高的利润,据统计,康耐视2010年-2018年平均毛利率高达75%,净利率高达29%。中游企业(装备制造商、系统集成商)通过集成上游产品,形成硬件装备或解决方案为下游的应用类厂商提供功能性产品及服务,由于行业内企业大多专精于所属行业,目前中游企业均保有良好的利润空间。下游(消费电子行业、汽车行业、光伏半导体等)主要为机器视觉的实际应用集成企业,通过集成机器视觉及其他领域形成各个行业所需的落地产品及解决方案,利润及产值随所属具体行业影响。


4. 机器视觉发展因素及预测


1)新冠疫情对产业的影响


随着2020年初新冠疫情的全面爆发,快速席卷全球。这突如其来的黑天鹅事件,对全球社会以及经济都造成了巨大的冲击,全球绝大多数经济体都出现了少见的负增长。


这样一场给全球经济带来巨大负面影响的黑天鹅事件却助力了全体AIoT行业的发展。其中机器视觉在防疫、复产等阶段都成为了开山利斧,减少人员直接接触,通过机器视觉进行识别和判断成为了疫情下的首选,在抗击疫情过程中,我们通过机器视觉对风险人员轨迹进行筛查;在复产阶段,企业们通过AR进行远程指导、验货、机器视觉+智能化等方式减少人员现场部署,防止人员聚集的同时优化产业结构。据调查数据显示,有70%以上的生产制造企业在疫情过后开始或考虑增加在机器视觉等智能自动化领域的投入。


2)产业本土化趋势明显


近年来随着我国“工业4.0”、“十四五规划”、“新基建”等促进科技行业的政策相继出台,国家和企业在机器视觉等AIoT行业投入大量的资源。机器视觉作为AI在落地过程中最直接的产业,受到各方的青睐,工业视觉企业、安防企业、智能化企业、算法厂商纷纷将视线投向机器视觉这片蓝海,投入大量的资源进行介入。包含上游的芯片、电路、硬件设施等;中游的集成、平台、算法等;以及下游的实际业务落地升级,都开始逐步进行本土化建设,建立属于本土的核心技术能力。


同时由于国际间货物、服务、技术等方面由于种种原因壁垒提高,对国际化程度和科技依赖度较高的中国智能及AIoT产业造成实质性的威胁,同时也倒逼中国提升产业链自主化、本地化的快速发展。中国机器视觉行业近年来快速发展,逐渐走向了世界创新发展的前端。


3)5G技术为机器视觉提供新机遇


机器视觉在实际应用阶段,往往需要结合网络通讯、自动化、云计算等其他领域技术,随着机器视觉领域云化发展的进程,网络通讯成为机器视觉落地应用过程中必不可少的支撑技术。5G以全新的移动通信系统架构,提供10Gbit/s的峰值速率、毫秒级的传输时延和千亿级的连接能力。5G的发展,为工业机器视觉的规模化应用提供了网络基础。


5G将开启万物互联的新时代。作为第四次工业革命的重要基石,工业互联网是5G最重要的应用场景,5G+工业互联网已经成为重要的探索方向。进入工业4.0时代,工业企业均面临生产及服务转型,5G将成为工业产业转型升级的关键支撑技术。业界众多研究者在5G+工业互联网领域做出了大量的尝试。


二、 机器视觉应用场景

1. 机器视觉特点


机器视觉(Machine Vision, MV)作为人工智能(AI)的一个分支,以机器代替人眼来做判断和测量,帮助人们看得更清楚、更迅速、更广阔。2020年,随着5G技术商用的逐渐铺开,万物互联渐行渐近,机器视觉技术及其应用成为重中之重。


机器视觉检测场景应用方案主要包括工业相机、辅助设备、5G网络、云化应用等。图像识别能力可复用工业相机自带的软件实现,也可依托自主研发能力,增加算法、模型等内容,通过云化部署实现更多定制化功能。


机器视觉具备极强的机器特性,如极高的速度、精度、重复性等,这些特性成为机器视觉产品的重要性能指标。与此同时,机器视觉拥有采集大量现场数据的能力,数据是驱动行业快速迭代、获取信息的重要来源,这也将成为工业机器视觉未来的巨大可能。


机器视觉依靠其在精确性、速度性、适应性、客观性、重复性、可靠性、效率性以及信息集成等优势,能够为社会及企业提供更加高效且精确的解决方案,最大限度的减少人为产生的错误。


2. 机器视觉场景分析


1)工业领域


工业是目前机器视觉应用中比重最大的领域之一。由于制造业竞争加剧,成本压力迫使企业重视生产效率并促进了机器视觉技术的应用。为了提高生产效率,降低人力成本、减少生产过程中的错误,工业生产和管理中的某些人工环节逐渐被机器替代。机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和智能化程度。此外,机器视觉易于实现信息集成,是实现计算机集成制造的基础核心技术之一。因此,在现代工业生产过程中,机器视觉系统与智能制造如影随形,被广泛地应用于工业生产的各个方面。


机器视觉在工业领域主要有三类应用,包括尺寸与缺陷检测、智能制造以及自主导航等。


●尺寸与缺陷检测:主要包括高精度定量检测(例如工业零部件的尺寸检测)和定性检测(例如产品的外观检查、缺陷性检测与装配完全性检测)。在一些人工视觉难以满足要求的场合,机器视觉可高效地替代人工视觉;同时,在大批量工业生产过程中,用人工视觉检查产品质量效率低且精度不足,用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产自动化程度。


●智能制造是机器视觉技术目前应用最广的技术方向之一。机器视觉系统可用于指引工业机器人在大范围内的操作和行动,如从杂乱的零件堆中捡取零部件并按一定的方位放在传输带或装配到其他设备上。还可以融合多传感器技术引导工业机器人在小范围内的操作和行动。


●机器视觉在导航领域可以模拟人眼来识别环境,通过大脑分析,来指导行走。机器视觉技术用摄像头摄取场景图像,通过算法进行图像分析和识别,找出与已设置路径的相对位置,从而引导装置行走的一种导航方法。例如:装备有机器视觉自动导引装置的无人物流车,能够自主行驶,具有安全保护等功能。


痛点问题:痛点1:机器视觉在工业领域落地的过程中,由于在信息传输上并不具备足够的通讯条件等问题,早期设计基本为单产品线作业,通过将智能算法前置至工控机内,结合机器视觉进行识别、判断、控制等功能,但是随着技术的发展,对产线内置算法需要持续进行扩容,不仅需要到前端对设备全部进行升级,甚至需要更换硬件以适应新算法对硬件容量的要求;痛点2:同时由于数据无法进行集中整合,全部冗存在工控机内部,既无法将数据得到有效的利用,也对工控机资源存在占用的问题;痛点3:随着机器视觉领域的发展,视觉精度要求也在持续提升。提升精度意味着更高的分辨率,更大的文件传输,传统4G和wifi通信无法支撑这样的上行大带宽,有线的布线不方便等问题纷纷暴露。


2) 医疗领域


医疗数据中有90%以上的数据是来自于医疗影像。医疗影像领域拥有孕育深度学习的海量数据。当前医疗领域对于病症的判断多取决于直接医生的专业知识、经验积累等,对于病症的误判也时有发生,医疗影像诊断可以辅助医生做出判断,提升医生的诊断效率、提升诊断质量。


痛点问题对于医疗方面的机器视觉,需要具备非常精确的图片/视频识别算法。基于深度学习训练的算法,在训练过程中需要集合大量的资料和资源,并且其算力需要根据训练的进度持续更新和维护,这对于单个医院深度学习算法库的建立以及维护都是非常大的压力。


3)无人驾驶领域


自动驾驶汽车是一种通过计算机实现无人驾驶的智能汽车,它依靠人工智能、机器视觉、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作,让计算机可以在没有任何人类主动操作的情况下,自动安全地操作机动车辆。


自动驾驶技术链比较长,主要包含感知阶段、规划阶段和控制阶段三个部分。机器视觉技术主要应用在无人驾驶的感知阶段,其基本原理可概括如下。


●使用机器视觉获取场景中的深度信息,以帮助进行后续的图像语义理解,在自动驾驶中帮助探索可行驶区域和目标障碍物。


●通过视频预估每一个像素的运动方向和运动速度。


●对物体进行检测与追踪。在无人驾驶中,检测与追踪的目标主要是各种车辆、行人、非机动车。


●对于整个场景的理解。最重要的有两点,第一是道路线检测,其次是在道路线检测下更进一步,即将场景中的每一个像素都打成标签,这也称为场景分割或场景解析。


●同步地图构建和定位技术。


痛点问题:在无人驾驶领域,我国采取的方略是基于单车自动驾驶性能的基础上,结合V2X技术进行判断及操控,在这个过程中,涵盖车与路、车与车、车与人、车与定位信息、车与管控平台等多种数据交互,其中大多数场景需要进行网络数据传输,针对该场景下,需要构建稳定的高带宽、低时延、大容量的无线网络。


3. 机器视觉行业痛点总结


机器视觉需要图像的采集、传输,对带宽有较大需求。如果是需要实时分析处理视频的场景,则对时延有较高要求,如自动驾驶、远程医疗、远程控制等。传统方式需要在摄像机附近部署工控机等处理设备,就近处理图像。受限于工控机的存储能力,处理完毕后,图像被丢弃或临时存储在工控机上,无法合理利用其数据价值。图像处理设备分散,导致设备时忙时闲,无法充分利用其处理能力。同时,设备采购成本较高。长期来看,运行维护也较困难。其次,有些场景现场环境恶劣,可能缺少供电、网络等基础设施,不具备部署处理机的条件,同时部分场景对生产数据安全极为敏感,要求网络严格与公网分离。这些因素都限制了机器视觉的应用。


三、 5G+机器视觉

1. 5G+机器视觉业务机会点


针对机器视觉痛点问题,5G的存在将会成为机器视觉必不可少的发展元素。当前5G已经开始规模化部署。5G具有高带宽(eMBB)、低时延(uRLLC)、大容量(mMTC)等特点,高带宽有利于图像的传输,低延迟则可满足一些需要及时处理图像的场景。同时,5G是一个基础设施,具有广泛覆盖的特点,一般来说,一个通信设施完备的国家,5G的覆盖将是全国性的,这是其他通信设施无法比拟的优势。全地域覆盖的5G网络将极大地促进机器视觉在各种应用场景的落地。在一些场景下,5G可以大幅降低机器视觉应用的部署、运维成本,使原来无法实施的场景成为现实。同时,可以将分散在各处的图像处理机集中起来,例如部署在MEC上,提供处理能力的复用,降低部署成本和长期运维成本。


5G 网络的实现,将消除物理世界与数字世界之间的界限,提供超越人们想象极限的个性化体验和增值服务。5G 将跨越通信行业,把无线、计算和云结合起来,创建一个统一的技术基础和一个可扩展的新兴市场。


2. 5G+机器视觉解决方案


在机器视觉5G应用方面,基本构造为三级:云、管、端,通过5G实施云端融合。


云:机器视觉系统中,数据处理与分析才是整个系统的核心,相当于人的大脑。传统的机器视觉采用本地数据存储和处理模式,随着云计算技术的进步,现在的机器视觉系统不再需要在本地部署高性能电脑或服务器,利用网络通路将前端采集信息传递到云平台。


利用边云协同,构建两层云平台,边缘云(MEC)部署在边缘侧,通常只有数台服务器组成的虚拟化资源池,对上传数据可直接进行运算,并输出反馈;中心云的存在是为了管理多个边缘云和为边缘云提供充足的虚拟化资源。并且由于中心云是由大量的服务器虚拟化组成的,可以提供持久化存储和为需要大计算量的应用提供资源。边缘云接收到端侧数据后,进行运算和输出反馈,同时将数据资源上传至中心云,进行存储及深度学习算法训练。通过边云协同可以最大化利用算力资源的同时节约运算时间,提升云化机器视觉方案综合性能。


(1)数据存储云化


机器视觉一直是围绕大数据的业务,获取并处理数量庞大的以千兆字节为单位的图像,然后针对一项指定的对象或任务提取出制定决策所需要的信息,会生成大量的数据,每分钟千兆字节的数据很快就变成了大字节,甚至是拍字节。5G可以保证大数据实时传输的需求。


(2)数据计算云化


为保证机器视觉检测系统的实时性,必须要明确系统的反应时间。包括:触发到开始成像的成像延迟;图像从相机到采集卡的采集延迟;图像从采集卡到处理器的处理延迟;通信网络带来的通信延迟;图像处理过程的算法延迟;处理结果送达I/O端口的I/O延迟;控制系统处理过程的控制延迟等。这些延迟过程中除了通信延迟外,其他都属于工业系统延迟是可控的,云处理带来的通信延迟也必须是可控的,5G可以满足其低时延需求。


(3)数据协同云化


随着机器视觉的范围已经扩展到工厂车间以外,分布数据协同处理也是面临的问题。通过5G网络实现分布式数据连接,实现汇聚处理并控制。


通过云化智能,为智慧机器视觉创造强劲的大脑支撑。


管:5G业务将替代传统本地通信总线连接,实现存储、计算和协同的云处理。5G技术将增加云化机器视觉系统的灵活性,视频采集、传输和数据处理分析,以及控制指令的发出都利用5G传到云端,在云端进行所有处理,最后再发出指令给机器运动执行。


通过5G专网运营平台构建适合客户实际应用场景的网络连接能力。助力客户算力云化、智能下沉的业务转变。提升业务算力更新、资源利用、深度学习云化等业务能力,为智慧机器视觉创造良好的神经网络。


根据网络专用化程度,中国移动将组网模式划分为优享网络服务、专享网络服务和尊享网络服务,三种网络服务能力与企业业务紧密结合,为企业客户提供协同化频谱、定制化组网、差异化服务、通用化终端、智慧化运维和多样化能力等,六大专属网络服务能力和专属增值服务能力。


专享模式通过UPF下沉至用户侧,以及MEC的引入,实现数据保密,同时将5G专网与业务内网融合,将业务的数据库和管理系统实现对接,建立统一的业务云和智慧管理平台。


经调研,目前在无线网络的构建主要有WIFI6和5G技术两种应用于常用场景。但是在应用场景、数据流量、接入数量、时延、稳定性等方面,5G网络都具有较大的优势。

端:端侧主要包含业务前端的直接工具,包含摄像头、工控机、终端、前端业务平台等,根据实际业务的不同,所涉及的端侧设备、平台也不尽相同,端侧是智慧机器视觉的眼睛和手,采集信息和实现功能的部分。


端侧设备种类丰富,其中常用设备有:


(a)工业相机


工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件,其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节,相机的选择不仅直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等,同时也与整个系统的运行模式直接相关,结合5G构建智能机器视觉。


(b)VR眼镜


基于VR眼镜,通过5G传输超高清VR内容(点播或直播),给公众带来沉浸式、身临其境般、多维度的互动感受。在私人消费领域、工业领域均具有巨大的发展潜力。


c)车载ADAS


高级驾驶辅助系统(ADAS)是利用安装在车上的各式各样传感器(毫米波雷达、激光雷达、单双目摄像头以及卫星导航等),在汽车行驶过程中随时来感应周围的环境,收集数据,进行静态、动态物体的辨识、侦测与追踪,并结合导航地图数据,进行系统的运算与分析,从而预先让驾驶者察觉到可能发生的危险,有效增加汽车驾驶的舒适性和安全性,通过结合5G与云计算提高汽车智能水平,跨进无人自动驾驶领域。


1)工业领域


随着工业生产智能化的要求越来越高,机器视觉在工业自动化生产中运用越来越广泛。机器视觉采集的数据最早是通过有线连接的方式存储在本地处理器中,并通过工业通讯的方式与PLC控制系统互联从而进行协同工作。机器视觉设备在应用上不直接进行网络连接,它们的应用都是直接连到客户内部网络中,产生的数据一般不存在泄露问题,因为这些数据都是存储在客户手中,客户需要自行确保数据的安全性。


构建云管端三级业务结构,通过5G将前端的设备/系统与云端连接,利用5G网络传输至MEC边缘计算,通过算法计算并标注设备异常情况,将照片与相关控制指令一并回传,工作人员通过计算机对回传的异常情况进行筛查判断,同时回传判断结果及标注至云端,为算法进行进一步训练提供素材。


面向厂区所处地较偏远,对生产数据安全极为敏感,要求网络严格与公网分离的生产企业,可以选择专享网络服务。


结合在边缘云端构建机器视觉专用算法平台,极大的增强了工业机器视觉算法的可扩展性、资源整合利用能力。将算法能力从前端剥离,既保障了视觉算法的时效性(增强算法迭代便利性,同时算力空间具备可扩展性)、资源的集中性(整合视觉前端信息收集,取缔以往暂存工控机模式,提升资源的利用价值,节约存储资源),同时缩减前端算力部署,节约了大量的部署成本及工厂空间等。


2)医疗领域


世界卫生组织发布的《国际疾病分类》是目前为止全世界最权威的人类疾病分类手册,它赋予所有已知疾病(包括各种导致中毒、外伤、过敏反应的因素)独立的编码,方便医护人员查询。在2018年发布的第十一版(ICD-11)中,疾病编码共有55000个,也就意味着目前有55000种疾病及相关因素被记录、命名,且持续在更新同步。


所以智慧视觉在医疗领域的部署中,由于其需要巨大的数据库存量以匹配医疗图像及影响中的病症,用以计算和分析的人工智能需要部署在云端,通过医院将医疗影像资料上传至云端,通过云计算能力输出其病症指导,同时以新的病症图像对深度学习算法进行喂养,结合了各地医院上传的大量共性、个性的病症材料,来使得算法精度更加精确。

医疗设施(B超、CT等)通过计算机直接将图片传输至云端医疗平台,通过深度学习算法对其进行判断,对医疗影像进行判断、标注并出示病例指导意见,回传给医生,医生结合医疗影像、云平台的标注建议,结合自身知识及经验做出准确的医疗判断。

通过针对医疗构建5G医疗专网,将各个医院与云平台间构建端到端的专用网络通路,以保障其信息安全性、即时性。给与患者快速且高效的就诊体验;提高医生的诊疗效率;并且通过云端计算建议,给医生和患者更加全面的信息,以将病症提早发现,保护患者健康。


3)无人驾驶领域


5G车路协同弥补自动驾驶在感知、决策和控制全链条中所存在的技术局限性,推动自动驾驶发展路线由自主式自动驾驶向车路协同自动驾驶演进,促进自动驾驶随着5G商用步伐逐步夯实“从封闭到开放、从低速到高速、从载货到载人”三阶段落地应用能力。


通过构建V2X多级网络架构,通过车辆机器视觉与雷达等配合采集车辆运行信息,与道路信息采集设备信息分别上传至边缘云MEC中,结合卫星信息等进行数据分析处理,并进行判断。并将判断后的结果实时传输给车辆控制系统,以达到控制车辆自动驾驶的效果。通过将大量的计算工作上移到云端,提升车辆网络控制的技术保障,利用5G网络高并发、低时延的特性,保障车辆在自动驾驶过程中能够准确、及时的做出判断,保障驾车人的生命财产安全。


构建边缘云计算,通过5G技术构建V2X之间信息快速、准确传输的通道。构建车路协调专用5G网络,保障在途车辆。



四、 结语




随着“新基建”、“十四五规划”的落地实施,5G网络成为2025年以前十分重要的产业机会点,5G+AIoT领域将会涌入大量的新机会点和新机遇,全球市场潜力达到万亿级。在消费端、政策端的市场影响条件下,未来3-5年5G+AIoT领域将会保持持续的高速增长,预计会出现多个爆发点。在这个时间节点,通过5G与产业结合落地方式介入市场,将会成为智能物联网领域的黑马,势必成就一番天地。


在疫情、政策等多方面影响下,机器视觉成为优化资源配比、节约人力、提升效率的重要技术领域。5G+机器视觉作为AI的重要分支,在各行各业、尤其是制造业中承担起了技术进步的职责。通过5G技术为机器视觉提供有利的远端大脑,为机器视觉领域智能化的延展提供了广阔的天地和可期的市场前景。


我国数字经济的发展已经从第一阶段的消费领域,快速进入到第二阶段的生产领域。5G以它移动性、高速率、低时延、大容量的优势,助力未来的机器视觉领域实现进一步智能化、高效化、云端化。中国移动将致力于成为工业互联网领域的使能者,为工业企业赋能,助力工业企业实现数字化转型。


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