一、方案背景

5G被誉为“数字经济新时代引擎”，2020年初始，国家从政策上将5G、人工智能定位为“新基建”战略发展中的核心角色。5G带来的高带宽、低延时、广泛连接三大特性也将为“中国制造2025”和“工业4.0”提供关键支撑。

5G技术在各行各业陆续落地的过程中，工业领域对于5G机器视觉产品的需求尤为迫切。相比其他行业，工业自动化领域对于带宽、延时及稳定性的要求要更为严格，微视图像针对工厂自动化产线的5G升级需求提出了一整套解决方案。

在工业自动化产线中，传统视觉检测方案包含以下几个痛点:

• 传输布线困难，使用通用线缆相机与工控机距离受限。最长传输距离从3m~100m不等，过长距离会导致数据丢失，而传统的Wifi/3G/4G等无线解决方案在带宽、延时及稳定性上都无法满足视觉检测需求。

• 视觉检测点工控机体积占用过大，接线繁杂。

• 单点上的工控机算力不足，受显卡数量影响，支持相机数目有限。

• 算法应用管理混乱，机器视觉厂商的传统算法模块数目众多，版本混乱，不便于统一管理。

而微视自主研发的基于5G的机器视觉解决方案，相比传统的视觉检测方案涵盖以下几大优势：

• 首先，打破了传统模式下布线复杂及数据传输距离短的局限在部署和维护方面，5G比有线更灵活。

• 其次，产线上检测节点只保留工业相机，取消了配套工控机，数据采集放置到位于5G核心网中的MEC（边缘计算服务器）边缘侧集中管理，安全性也更高。再次软件算法处理从设备端转移到5G MEC边缘端，实现设备端轻量化及灵活性，MEC端利用GPU集群提供超高渲染能力及计算能力，减少了硬件及算力浪费。

• 最后，机器视觉软件平台统一部署，降低了维护成本、便于统一运维管理及软件算法的迭代更新。

二、技术框架

5G MEC机器视觉工业产线上的视觉解决方案整体框图如图2-1所示：

图2-1 微视图像5G系列产品技术框架图

1.核心硬件：

(1)基于ARM架构的嵌入式硬件设计，低功耗、高性能，板载AI加速模组

(2)基于华为MH5000的5G模组，适配三大运营商全5G网段

(3)部署于5G核心网（5GC）中的MEC边缘计算服务器，内置高性能GPU集群实现AI推理分析。

2.核心软件：

(1)基于ARM架构的工业相机采集、控制SDK，适配全系列符合国际标准GigE Vision或USB3 Vision的工业相机

(2)基于ARM架构的高性能、低延时的压缩传输，压缩部分采用ARM硬件编码实现高带宽低延时实时压缩。

(3)运行于MEC GPU集群的人工智能分析处理软件微视图像自研AI软件AIDitron，适应自动化产线上的缺陷检测、目标定位、分类处理、OCR识别等需求

本方案在自动化产线上的缺陷检测应用图示如下所示

图2-2 微视图像5G自动化产线缺陷检测解决方案

三、产品介绍

3.1 5G一体式相机

微视图像于2020年与华为联合推出了全球第一款内置5G模组的工业相机，型号为PG-A5010C-5G，相机外观及功能如下：

图3-1 微视图像PG-A5010C-5G

PG-A5010C-5G为5M像素彩色相机，为智能5G一体相机，采用5G工业模块，可通过4G/5G网络将相机图像透传至公网中广域网中的PC接收终端。主要应用于工业自动化流水线上的缺陷检测、目标识别定位、OCR识别、分类筛选。

产品主要特点如下：

1.全幅面2592*1944，2.4um像元，12bit位深。

2.背照式CMOS，良好的感光灵敏度。

3.信噪比为42dB，动态范围达72dB。

4.板载16GB内存，图像采用H.264/H.265压缩。

5.兼容三大运营商4G/5G SIM卡，可将采集图像压缩后传输至公网终端。

6.全自动图像调节（自动增益、自动曝光、自动白平衡），低延迟图像传输。

一体式5G相机与基站、5G核心网、MEC链路如图3-2所示

图3-2 5G一体式5G工业相机+5G网络+MEC+AI链路图

1）设备侧： 工业相机通过CPE，将图像数据透过5G网络传输至5G核心网中的MEC

2）MEC侧： 部署了基于人工智能软件的APP，实现了相机连接、图像采集、以及缺陷检测的边缘计算

关键技术特性：

• 相机减少传输线缆

• 配置简单，插SIM卡即可使用5G传输图像

• 内置华为无损压缩SDK，解决带宽问题

• 每条产线都可以节省一台工控机，所有产线共用1台MEC即可实现缺陷检测分析及反馈控制

• 支持异地远程部署和运维，软件部署 升级成本低

• 实时现实5G网络质量情况

• MEC电信级数据安全，满足工厂数据安全需求

3.2 5G智能处理盒

图3-3 微视图像PG-M4128-5G

3.2.1 智能处理盒简介

PG-M4128-5G智能处理盒，是“微视图像”基于图像压缩处理技术、AI技术及5G通讯技术自主研发的功能盒产品。产品主要定位是可对部分标准接口的工业相机进行5G化升级。基于智能处理盒的高算力硬件系统、AI识别能力对工业相机采集的图像数据进行智能压缩处理，并通过华为5G模组将处理后的数据通过5G网络向后端传输。目前支持GigE Vision标准协议工业相机、USB3.0 Vision标准协议工业相机及微视USB2.0协议工业相机。

产品主要特点如下：

1.小巧体积，低功耗，高采集性能，压缩性能

2.高性能 ARM 处理器，内置GPU，可提供高带宽低延时的图像压缩能力及 0.5T Flops 的 AI 计算能力

3.支持Gige Vision/USB3 Vision 标准的工业相机，支持微视图像全系列 USB2.0 工业相机

4.内置华为 5G 工业模组，支持三大运营商全 5G 频段，向下兼容 4G/3G 工作模式

5.提供整套采集压缩及 5G 传输 SDK，配套接收端软件，支持二次开发

6.自带标准 HDMI/DP 接口及 RJ45 千兆网口，方便本地调试

相比一体式5G相机，5G智能处理盒所能接入的图像规格更为广泛

如图3-4，正面重点接口说明如下：

1）电源接口，接入5G盒子专用电源适配器

2）HDMI/DP接口，接入标准HDMI/DP视频线缆，与显示器连接，用于本地调试

3）USB3.0接口，接入USB3或USB2工业相机，或接入键鼠用于本地调试

 

4）网络接口，接入GEV相机或使用网线接入LAN用于本地调试

图3-4 5G盒子正面电气接口图

如图3-5，背面重点接口说明

1）TF卡槽，接入5G盒子专用TF卡（系统TF卡，随产品附带）

2）SIM卡槽，接入5G盒子SIM卡（一般由运营商提供，测试验证可使用5G商用SIM卡）

图3-5 5G盒子背面电气接口图

3.2.2 5G智能处理盒的接入方式

图3-6 5G盒子无线接入方式

5G智能处理盒的无线接入方式常应用于以下3种场景：

1）5G专网场景：

常见于5G工厂环境下，MEC服务器与盒子处于专用网络中，相互可访问连接。此场景是5G盒子最常使用的常规场景，5G盒子插入运营商提供的专用5G SIM卡，即可完成5G专网的接入及与服务器的网络连接。

2）互联网场景：

接收端/控制端的服务器具备专有公网IP，盒子可以通过5G商用卡访问到服务器。此场景多见于非5G工厂环境的常规商用场景，5G盒子配备5G商用卡接入互联网，服务器具备独立公网IP，可由5G盒子通过互联网接入（无需额外SIM卡配置）。

3）VPN虚拟局域网场景：

常用于展会、学校实验、临时演示等既没有5G专网环境，也不具备公网IP的场景。这种情况下，虽然5G盒子及服务器端都可以接入互联网，但由于服务器及5G盒子本身都不具备独立公网IP，因此无法连接到对方。此时需要使用VPN工具来搭建虚拟局域网。

图3-7 5G盒子有线接入方式

有线接入方式常应用于2种场景：

1）本地调试：

常见于无SIM卡的情况下，5G盒子无法以无线方式接入互联网或公网，因此需要采用网线接入网络。由于千兆网端口被占用，如果连接的相机为千兆网相机，则需要将相机、盒子、服务器都通过交换机连接起来。

2）网络验证：

常见于同一场景下，需要对比验证5G无线方式及有线方式网络性能差异，5G盒子可切换以无线或有线方式与服务器连接，做对比测试。

5G智能处理盒接入网络方式及网络搭建方法如表3-1所示：

表3-1 盒子与服务器网络场景配置应对表

3.2.3 5G智能处理盒控制软件

5G智能处理盒配套的软件主要包括控制中心软件5GBoxCC及数据接收软件5GBoxDR

1）控制中心软件5GBoxCC

本软件为服务器系统的软件的核心主控软件，用于5G盒子的管理控制，可同时管控多个5G盒子。5GBoxCC的功能包含如下内容

1）接受5G盒子的网络注册（5G盒子必须首先注册到5GBoxCC）

2）显示5G盒子的版本信息（硬件版本、镜像版本、软件版本）及自动升级盒子软件版本

3）控制5G盒子的通道与工业相机配对连接

4）控制5G盒子的通道参数及工业相机参数

5）控制5G盒子的图像传送目标终端

6）远程控制5G盒子的内部运行参数

7）实现与5G盒子的文件收发及数据收发（非实时图像数据）

8）测试与5G盒子的网络连接状况

9）显示或存储5G盒子实时图像

2）数据接收软件5GBoxDR

用于5G盒子的图像数据接收，与5GBoxCC相比，不具备对盒子控制的能力。

通过与5GBoxCC的参数配置，可通过启动多个5GBoxDR服务器程序来同时接收多个5G盒子图像数据，如图3-8所示。

5GBoxDR无法独立使用，由于本身不具备对盒子的控制能力，需要由5GBoxCC控制引导盒子发送数据至5GBoxDR所在的服务器。

图3-8 多盒子图像数据链路图

3.3 人工智能软件AiDitron

微视图像人工智能团队研发出的AI人工智能软件定位服务于自动化生产线，可实现各类外观检测，OCR识别，定位，分类筛选等功能。较传统算法而言，本软件基于神经网络开发，操作方便，准确度高，即便是零编程基础的开发人员也可容易上手操作。

图3-9微视图像5G产品+AIDitron实时缺陷检测分析

AIDitron是国内首款自主研发的AI软件，也是目前国内唯一一款成熟稳定的工具化深度学习软件，工具化、模块化，使用简单，使用和维护成本低。

在本方案的应用中，前端工业相机捕获图像，透过5G网络传输至部署于5G MEC内的AIDitron缺陷分析检测软件，通过加载预先训练的缺陷模型对采集图像进行实时高速缺陷判断并标注，如上图右侧所示。

和常规的AI训练过程类似，AiDitron 缺陷检测也需要有标注->训练->验证的过程。AIDitron在MEC端，充分利用GPU集群完成高效图像训练，训练过程完毕后，AIDitron加载训练模型，同样利用GPU集群的超高计算性能完成多任务的并行计算，目前基于MEC单显卡的检测效率可以达到30ms以内（5MP像素图像），即对应每秒30帧以上的检测速度

AiDitron人工智能软件算法处理，其优势及创新点包含几大方面：

图3-10微视图像AiDitron软件特点

1)功能齐全：涵盖了工业领域常见的难点问题：外观检测、OCR识别、目标定位与分类筛选。

2)自主研发：完全自主研发的神经网络，国内唯一成熟的工具型AI。

3)定位专业：专注于机器视觉应用领域，现场工程实施高效可靠。

 

4)简单准确：操作简单、准确度高，相比传统图像算法，这套软件设计为工具化、模块化，操作也更为方便，即便是没有编程经验的开发人员也可轻松上手。

四、成果总结

5G及AI是未来各行各业数字化转型的关键基础设施，本方案通过5G一体式工业相机/5G智能处理盒+5G网络+5G MEC的处理方式实现了机器视觉的产品外观检测功能，打破了传统有线传输模式下布线复杂及数据传输距离短的局限，软件AI算法处理从设备端转移到5G MEC边缘端，实现设备端轻量化及灵活性，产线机器视觉应用节点只保留工业相机，取消了配套工控机，降低了维护成本、减少了硬件及算力浪费，便于统一运维管理及软件算法的迭代更新，维护费用大大降低，极大提高了工业生产效率。

本方案系统架构处于国际领先水平，采用最新的国产5G模组实现了相机内置5G通讯功能，在国际工业机器视觉领域属于独家首创。其中5G+AI的组合配合5G MEC高性能GPU集群，保障了两者的最高性能结合发挥，为两项高新技术的提供了高质的落地实践应用。

本方案已获得华为开发者大赛大奖、第二届“绽放杯”5G应用征集大赛《一等奖》、第二届中国MEC开放平台Hackathon应用开发大赛《最佳技术创新奖》等奖项。2020已在海尔等企业成功落地实施，未来，微视图像将致力推动将机器视觉+AI打造为5G的一项基础功能，赋能各行各业。