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技術趨勢
智慧機械運動導引及精密檢測新視野 3D影像
2019.07.15∣瀏覽數:240

3D影像感測發展趨勢
機械視覺系統(Machine Vision System) 源起於1940~1950年代的軍事檢測功能,可協助人類從事危險工作,如高溫、低溫、噪 音、高輻射量、高電壓等工作環境,或長時間用眼檢查細微物件的工作,或容易造成倦怠與疏忽的單調工作,或精密度要求高的量測、定位、物件判定等工作。
文 ◆工研院電光所 戴熒美資深研究員 工研院電光所 胡鴻烈業務組長 工研院機械所 蔡雅惠經理 工研院電光所 張學智專案副理 正崴精密 林昇源副總經理

隨著相關技術成熟及大量商品化,如相 機、影像擷取卡、光源及軟體等,以機械視 覺核心的智慧型相機為例,具有小型化、價 格便宜、易於整合等優點,以及通訊界面的 持續改善,如GigE(Gigabit Ethernet)、 USB(universal)、Firewire、CameraLink 等,1980~1990年代已大量應用於工業(如 製造、生產環境等)及非工業(如監控、保全、醫學診斷等)用途,可提升品質強化顧 客忠誠度,也可滿足線上檢測功能,只要少 量人力、時間等投入,即可達到100%全檢目 標,避免出貨後產品瑕疵的退貨風險。

特別是3D影像感測技術,隨著國內外廠 商及研究單位的持續投入,相關技術不斷推 陳出新,如2005年前多半用雙眼立體影像技術,為因應工業顧客的精密度與加工速度要 求,2005~2013年強化雷射與結構光技術, 可發揮大面積、高精度等應用優勢,2013年 後各類3D感測元件及產品更加成熟。具體趨勢說明如下:

2013-2015年
隨著影像感測器與數位攝影機技術的發展,帶動了3D影像感測技術的進步,如機器人的隨機散堆取物(Random Bin Picking), 有效滿足消費性電子、汽車零組件等產業的組裝及上下料需求,加上軟硬體成本持續下降,也提高3D影像感測產品的市場接受度。

2015-2018年
3D影像感測系統逐步提高視覺量測的可靠度,也降低應用成本、提高精密度並解決視角遮蔽問題,可滿足工業檢測與量測要求, 應用領域擴及品質控制、流程控制等功能, 甚至是目標定位與辨識,如機器人周邊視 覺、無人化載具等。

2018-2020年
更多自適應性演算法及機器學習等彈性視覺系統的推出,3D影像感測系統可應用於複雜的檢測任務,如檢測設備、食品安全、材料特徵、醫療檢查等,更可使用高光譜分析攝影機,針對各種材料之光波頻率響應進行分析,達到資源回收分類、食品安全控管、 醫療照護等目的。

3D影像感測市場快速成長
2010年以前,已有3D影像感測產品問世, 受限於半導體微型化等技術未成熟,多數3D 影像感測應用僅限於工業/商業、醫療等高價 需求,故2011~2016年全球市場成長有限, 除了2016年成長率的15%外,其餘各年成長 率皆低於10%。

及至2017年,蘋果iPhoneX利用3D感測 技術進行人臉辨識,帶動3D感測技術的應用 熱潮,如消費性電子、工業/商業、汽車等,全球市場亦拉升至1,873百萬美元,與2016 年的1,328百萬美元相較成長41%,往後各 年更持續成長,包括2018年的2,911百萬美元(增長55%),2019年的4,045百萬美元 (增長39%),2020年的5,446百萬美元(增 長35%),2021年的7,215百萬美元(增長 32%),每年成長幅度皆超過三成,預期2022 年達到9,034百萬美元(增加23%),將會再創歷史新高,詳見圖1。

細論至個別項目,2011年全球3D影像感測 市場以工業/商業用最多,市場規模為536百 萬美元,所佔比重為61%,其次依序為科研/ 國防/航太用的192百萬美元(佔22%),醫療 用的141百萬美元(佔16%),前三大所佔比 重已逾九成。及至2017年,工業/商業用仍為 最大項目,市場規模為845百萬美元,所佔 比重為45%,第二大為消費性電子用的385百萬美元(佔21%),緊跟在後是科研/國防/ 航太用的358百萬美元(佔19%),可見工業/ 商業用仍為重點項目。

展望2022年,消費性電子用將躍升最大項 目,市場規模為6,058百萬美元,所佔比重為 67%,特別是智慧手機與穿戴裝置的自拍特 效、人臉辨識、電競遊戲、VR/AR等應用, 以及資訊設備的姿勢辨識、眼睛追蹤、自動 通關系統、門禁管理系統等應用,每年需求量超過10億個,但平均單價僅2.9~5.8美元。

其次是工業/商業用的1,545百萬美元(佔 17%),特別是工業用的隨機散堆取物、工 件檢測、協作機器人、成品檢測等需求,每 年數量僅322.9萬個,平均單價卻高達319美元,屬於高品質、高毛率的高端市場,隨著 工業4.0、智慧製造等發展趨勢,未來商機值 得關注;前二大所佔比重已逾八成,其他各項相對較少,詳見圖2。
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3D影像感測技術原理及適用情境
3D影像感測技術可用於感知周邊環境或物體工件的外型,適用於空間導航導引與物體識別檢測的用途。常見的3D影像感測技術架構有立體雙相機視覺(Stereo Vision)、結構光(Structure Light)、飛時測距(Time of Flight)等方式。具體內容說明如下:

立體雙相機視覺(Stereo Vision)類似生物的視覺原理,使用2個或者2個以上的鏡頭進行取像,通過比對不同位置的鏡頭在同一時間點獲得的影像差異,使用軟體來計算物體的幾何關係,來演算出它的深度或距離等資訊,從而建立它的3D影像。市售產品如Leap Motion的相機即使用這種技術,它的2個攝影鏡頭擷取左右兩幅影像再演算成立體影像, 以獲得影像中所拍攝的物體位置。
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