2023年中国工业视觉技术实践系列报告.pdf
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1、出品机构:甲子光年智库研究指导:宋涛研究团队:刘瑶发布时间:2023.11目 录Part 01高技术创造高价值,工业视觉成就“制造之眼”Part 02工业视觉加快泛半导体行业的质量管理升级Part 03突破造就未来,国产代表厂商的突破与实践Part 04技术前行,未来仍有无限可能机器视觉的技术优势机器视觉在速度、精度等指标上远高于人类,非常适合工业领域应用机器视觉在色彩识别能力、灰度分辨率、空间分辨率、速度、感光范围、环境适应性、观测精度等方面比人类视觉更具优势。机器视觉利用相机、镜头、光源和光源控制系统采集目标物体数据,借助视觉控制系统、智能视觉软件和数据算法库进行图形分析和处理,软硬系统相
2、辅相成,为下游行业赋予视觉能力。项目人类视觉机器视觉色彩识别能力容易受人的心理影响,不能量化具有可量化的特点灰度分辨率差,一般只能分辨 64 个灰度强,目前一般使用 256 灰度级,采集系统可具有 10bit,12bit,16bit 等灰度级空间分辨率分辨率较差,不能观看微小的目标分辨率高,可观测微米级的目标速度速度慢,0.1 秒的视觉暂留使人眼无法看清较快运动的目标速度快,快门时间可达 10 微秒左右,高速相机帧率可达到 1000 以上,处理器的速度越来越快感光范围范围窄,400nm-750nm 范围的可见光范围宽,从紫外到红外的较宽光谱范围,另外有 X 光等特殊摄像机环境适应性对环境适应性
3、差,另外有许多场合对人有损害对环境适应性强,另外可加装防护装置观测精度精度低,无法量化精度高,可到微米级,容易量化其他主观性,受心理影响,易疲劳客观性,可连续工作工业视觉是将硬件如光源,传感器,相机等集成综合性仪器同时辅以底层算法用于工业制造方向,协助制造业实现引导、识别、检测和测量功能,最终促进工业制造智能化,是自动化到智能化的关键拼图,兼具状态感知(视觉)和自主决策(边缘控制和AI)的能力。工业视觉产业概念分析软硬一体,深度学习赋能制造业全场景应用能力电子元件:CMOS、CCD、LED等光学元件:镜片、镀膜等机械元件:五金、结构件光源及其控制器镜头工业相机软件和算法视觉引导设备视觉检测设备
4、视觉测量设备视觉识别设备3C电子汽车及零部件新能源半导体食品零部件集成设备组装与软件部署工业视觉系统工业视觉设备装备应用底层元件上游中游下游图:工业视觉产业链关系图工业视觉市场的发展背景制造业及智能制造规模同步上升,中国制造产业迎来“质”与“量”的同步发展从中国制造业增加值来看,2017年至2022年持续上升,并且在GDP的比重持续上升。从中国智能制造业产值规模来看,2022年中国智能制造业产值447亿元,预计2026年可达1000亿元,持续迎来高于20%的增长。597610113917822328.1%29.4%27.1%26.2%27.4%27.7%20172018201920202021
5、2022市场规模(亿元)占GDP比重(%)图:2017-2022年中国制造业增加值及GDP占比图:2016-2026年中国智能制造业产值规模122150180225293366447546668818100023%20%25%30%25%22%22%22%22%22%2016201720182019202020212022 2023E 2024E 2025E 2026E智能制造产值(百亿元)增速(%)工业视觉的市场规模工业视觉搭上智能制造产业“快车”,中国工业视觉市场持续增长伴随全球制造升级需求与中国制造业的高质量发展,工业视觉市场规模稳步增加。中国工业视觉2022年市场规模为184亿,到20
6、25年将达到470亿,行业整体发展增速快。图:2020-2025年中国工业视觉市场规模及预测图:2020-2025年全球工业视觉市场规模及预测7208088839941124128112%9%13%13%14%2020202120222023E2024E2025E市场规模(亿元)同比增速(%)9513918426435647046%32%43%35%32%2020202120222023E2024E2025E市场规模(亿元)同比增速(%)工业视觉产业的相关政策利好的宏观环境和政策将助力工业视觉产业蓬勃发展发布时间发文单位文件重点内容2023年4月全国人大对数字经济发展情况报告的意见和建议国家支
7、持人工智能算法、框架等基础技术的自主创新、推广应用、国际合作,鼓励优先采用安全可信的软件、工具、计算和数据资源。2022年8月国家科技部等部门关于加快场景创新以人工智能高水平应用促进经济高质量发展的指导意见要在制造领域优先探索工业大脑、机器人协助制造、机器视觉工业检测、设备互联管理等智能场景。2022年1月国务院“十四五”数字经济发展规划要推动农林牧渔业基础设施和生产装备智能化改造,推进机器视觉、机器学习等技术应用2021年12月工信部等“十四五”机器人产业发展规划研制三维视觉传感器、六维力传感器和关节力矩传感器等力觉传感器、大视场单线和多线激光雷达、智能听觉传感器以及高精度编码器等产品,满足
8、机器人智能化发展需求。2021年7月工信部等十部门5G应用“扬帆”行动(2021-2023年)推进5G模组与AR/VR、远程操控设备、机器视觉、AGV等工业终端的深度融合,加快利用5G改造工业内网,打造5G全连接工厂标杆,形成信息技术网络与生产控制网络融合的网络部署模式,推进“5G+工业互联”服务于生产核心环节。2021年3月工信部、国家发展和改革委员会、教育部、科技部、财政部等“十四五”智能制造发展规划提出研发高分辨视觉传感器、工业现场定位设备,实现泛在感知、数据贯通、集成互联、人机协作和分析优化。2020年11月工业互联网专项工作组工业互联网创新发展规划提出要加强工业互联网基础支撑技术攻关
9、。支持工业视觉传感器等基础软硬件研发突破。2020年2月科技部关于科技创新支撑复工复产和经济平稳运行的若干措施提出以新技术赋能智能工厂建设。鼓励支持企业在研发设计、生产运营、供应链管理等方面应用机器视觉智能传感、深度学习等新技术。工业机器视觉是人工智能产业和制造业转型升级的重要环节,是国家政策重点关注和发展的行业;2016年以来,在人工智能产业和智能制造业升级相关的政策文件中被多次提及,2020年的工业互联网创新发展规划和2021年的“十四五”智能制造发展规划等文件中均提出重点突破计算机视觉、视觉传感相关技术,为工业视觉产业发展提供了政策助力。表:近年来工业视觉相关政策工业视觉的算法技术机器视
10、觉系统的算法软件部分是利用计算机视觉算法对获取围像进行分析,进而为进一步决策提供所需信息。根据集成程度和开发难度的不同,可以细分为供集成商和设备商开发使用的底层算法和供最终客户使用的二次开发好的算法包,由于不同工业应用场景之间的差异性以及对精度的高要求,往往需要专门设计对应的软件算法以满足工业场景下的视觉需求。数据结构图像区域轮廓图像增强灰度变换辐射标定图像平滑傅立叶变换几何变换仿射变换投影变换图像变换极坐标变换图像分割阈值分割提取连通区域亚像素分割特征提取区域特征灰度值特征轮廓特征形态学区域形态学灰度形态学边缘提取边缘定义边缘提取边缘准确度基元分割/拟合直线拟合圆拟合轮廓分割摄像机标定面阵相
11、机线阵相机标定过程立体重构立体几何结构立体匹配模板匹配灰度模版匹配圆形金字塔匹配灰度亚像素匹配旋转与缩放匹配字符识别字符分割特征提取字符分类机器视觉算法图:机器视觉相关底层算法开发包优/缺点适用场景Vision Pro入门容易、lisence费用低:无法GPU加速、图像处理算法工具少需要快速开发的通用视觉类项目HALCON兼容性好:开发周期长、费用高支持视觉图像采集设备、环境及平台较为复杂的,拥有较长开发周期的项目OpenCV开源且可用于商用、便于定制化算法开发:代码能力要求高、周期长有算法基础且项目周期长、预算有限的项目eVision基于灰度相关性的模板匹配效果好、基于图像比对的图像质量检测
12、效果好:几何形状的匹配能力较差适用于基于图像比对的图像质量检测HexSight定位和零件检测效果较好、恶劣环境适应性好;软件开发费用高适用于恶劣工业环境的点位和检测项目NI Vision入门简单、开发速度快,算法效率不高且准确性与稳定性依赖于图像质量图像质量较好,且要求交货周期比较短的项目表:主要机器视觉软件开发包及其特点深度学习赋能制造业全场景应用能力工业视觉的核心功能工业视觉的功能主要有识别、测量、定位、检测机器视觉的功能主要分为四大类,从技术实现难度上来说,识别验证、引导定位、尺寸测量、外观检测的难度是递增的,而基于四大基础功能延伸出的多种细分功能在实现难度上也有差异。识别定位测量检测有
13、无校正点形状/轮廓颜色引导线灰度/色彩粗略位置套准弧/圆装配质量条码对位间距统计信息二维码跟踪几何组合表面缺陷文字识别3D引导3D尺寸3D缺陷图:机器视觉基本功能技术实现的难易度情况易难难功能应用行业(典型代表)应用场景具体应用识别3C 电子、新能源、半导体、汽车、食品基于目标物的外形、颜色或者字符特征进行甄别轮廓度检测二维码识别宇符识别测量3C 电子、新能源、半导体、汽车、食品、医药、光伏将图像像素信息标定成常用的度量衡单位,精准计算出目标物的几何尺寸缺陷检测识别防错产品测量定位3C 电子、新能源、半导体、汽车、食品、医药、光伏在识别出物体的基础上精准确定物体的坐标和角度信息,自动判别物体位
14、置贴合定位焊接定位检测3C 电子、新能源、半导体、汽车、食品、医药、光伏对目标物体进行表面装配检测、表面印刷缺陷检测及表面形状缺陷检测等缺陷检测外观检测表:机器视觉应用场景(按功能分类)目 录Part 01高技术创造高价值,工业视觉成就“制造之眼”Part 02工业视觉加快泛半导体行业的质量管理升级Part 03突破造就未来,国产代表厂商的突破与实践Part 04技术前行,未来仍有无限可能泛半导体行业发展背景-3C电子产品与产线升级迭代带来稳定增长产品持续迭代升级带来稳定需求:产品精密度、对生产制造过程中的精度要求随3C电子产品的更新换代而提升,推动机器视觉进一步渗透。消费电子产品产线进一步升
15、级迭代:苹果作为龙头企业提高行业检测标准,各大电子产品生产厂商也逐步迭代生产质量标准,有望带来机器视觉需求的扩大。554 544 590 626 614 654 811 819 269 272 298 329 331 352 444 428 20152016201720182019202020212022全球PCB产值规模(亿美元)中国PCB产值规模(亿美元)图:2015-2022年 PCB 行业规模保持稳步增长231.5215.2215.8206.3195.6201.1237.92320%10%20%0501001502002502015201620172018201920202021202
16、2出货量(百万台)市场占有率图:2013-2022年苹果iPhone出货量(百万台)及市占率工业视觉在3C行业的应用简析(1/2)3C行业的高质量标准提升工业视觉的渗透率工业视觉在3C电子行业中得到广泛应用:3C电子行业具有元器件尺寸较小,质量标准高的特点。在PCB生产制造环节中,工业视觉是PCB对位、SMT拾取、放置和安装验证等环节至关重要的工具。在电子成品设备制造环节中,工业视觉解决方案应用于显示器缺陷检测、产品外壳缺陷检测、轴毁和盘片装配/磁头怒浮组件机器人引导、光学字符识别等环节。图:PCB生产线中部分工业视觉应用环节图:电子设备制造生产线中部分工业视觉应用环节PCB组装验证PCB检测
17、印刷电路板连接器检测PCB组建放置引导PCB靶标对位电路板识别激光钻孔和划线对准LED PCB缺陷检测鼠标PCB检测组装后验证序列号和条码读取表面缺陷分析USB接头检测智能手机外壳平整度和高度检测智能手机相机高度检测相机模块表面检测外壳外观检测板对板连接器检测工业视觉在3C行业的应用简析(2/2)工业视觉提升检测的可靠性和稳定性,贯穿全生产流程面板检测设备贯穿于面板生产制造全过程,为保障良率的关键环节。面板生产包含阵列(Array)、成盒(Cell)和模组(Module)三大制程,检测环节用于保证各段生产制程的可靠性和稳定性,提升产线整体的良率。阵列Array玻璃基板清洗镀膜光刻胶涂布曝光显影
18、干/湿法刻蚀光刻蚀去除退火检查成盒Cell模组Module配向膜成形框胶灌液晶对位拼合切割裂片光刻蚀去除Color Film基板清洗检查ACF贴片IC贴合涂塑检测BLU组装老化检查玻璃基板检测TPCDAOIADI-AOIAMI-AOI对位检查机AOI检测、Cell TestIn-LineOpenCellSystem自动外观检查装置等PI Inspection、PI MAC/MIC膜厚测量机、盒厚测量机Seal InspectionBonding AOI液晶面板在线检测设备液晶面板离线检测设备老化检测AOI检测点灯检查机等Array Yester、CF测议机、CF阶差系统、PS检测系统、Tota
19、l Pitch检测系统等AOIMAC/MICCD/HI面板制造工艺面板检测设备图:面板检测设备贯穿于面板生产制造的前、中、后道泛半导体行业发展背景-光伏产业中国光伏技术助力全球能源转型据中国光伏行业协会统计,2022 年全球光伏新增装机243GW,同比增长41%,2023 年全球光伏市场需求持续保持旺盛。随着光伏行业整体效率的提高和市场信心的增强,2022 年中国光伏新增装机达 86GW,同比增长61%,中国光伏装机量已连续十年位居全球首位。中国光伏制造占全球80%左右的规模,以每瓦耗电0.4度计算,2023年预计组件产能400GW,耗电量1600亿度,相当于20座核电站的发电量,中国制造的光
20、伏产品为全球能源转型和可持续发展做出了巨大贡献。图:全球光伏历年装机规模及预测(单位:GW)图:国内光伏年度新增装机规模(单位:GW)75 97 98 102 128 172 243 377 463 533 29%1%5%25%34%41%56%23%15%20162017201820192020202120222023E 2024E 2025E光伏装机(GW)增速(%)33 52 43 29 47 54 86 119 119 124 55%-17%-33%63%14%61%38%0%4%20162017201820192020202120222023E 2024E 2025E乐观情况光伏装机
21、(GW)增速(%)工业视觉在光伏行业的应用简析精准解决传统应用难题,赋能光伏制造设备升级迭代图:光伏生产环节流程与工业视觉应用情况电池片切割电池片清洗电池片单片焊接电池片串焊电池片层叠电池片层压装框清洗成品组件硅片清洗制绒干燥扩散蚀刻减反射膜沉积印刷涂层涂购烧结检测包装出厂硅片分选、切割硅片抛光硅片清洗硅片涂层硅片烘烤硅片检验最终产品包装原材料准备清洗干燥研磨筛分包装组件生产与测试电池片生产硅片生产质检出厂原料制备标紫部分为已有成熟的工业视觉系统应用的工序工业视觉解决方案可替代传统人力复杂操作,为企业需要提供稳定、柔性、易用通用的智能制造解决方案,提升全流程的质量管理,助力企业迈向智能制造。泛
22、半导体行业发展背景-半导体产业(1/2)中国半导体设备市场跟随半导体产业发展稳定增长全球半导体产业产能持续扩张,对半导体设备的需求稳定增长。根据SEAJ统计,2022年全球半导体设备销售额为1077亿美元,5年CAGR达13.7%。其中2022年中国大陆地区半导体设备销售额为282.7亿美元,5年CAGR达21.2%,连续三年占比全球第一。图:中国半导体设备市场规模(亿美元)65 82 131 134 187 269 283 391 449 26%60%2%40%44%5%38%15%20162017201820192020202120222023E2024E市场规模(亿美元)增速(%)340
23、7 4147 4704 4147 4425 5578 5818 1111 1361 1649 1476 1543 1909 1880-20.00%-10.00%0.00%10.00%20.00%30.00%020004000600080002016201720182019202020212022全球销售额(亿美元)中国销售额(亿美元)同比增速(全球)同比增速(中国)图:2016-2022 年中国及全球半导体市场销售规模(亿美元)泛半导体行业发展背景-半导体产业(2/2)晶圆建设趋势仍在延续,国产半导体设备迎来发展国内晶圆厂扩产趋势仍在延续。根据 SEMI 预测,全球半导体行业将在2021至20
24、23年间建设84座大规模芯片制造工厂,其中中国大陆地区将会建成20座成熟制程工厂/产线,国产设备将加速导入大陆晶圆厂,国产半导体设备快速发展期在即。图:全球芯片出货量持续增长图:全球新增晶圆厂数量维持高位319 300 324 393 429-6%8%21%9%20182019202020212022芯片出货量(亿)增速(%)17 17 23 33 28 20192020202120222023E新增工厂数量工业视觉在半导体行业的应用简析(1/4)晶圆制造到芯片加工的工艺过程极其复杂,涉及多个工艺步骤,易产生各种缺陷图:集成电路生产及测试具体流程设计验证晶圆制造封装测试拉单晶磨外圆切片倒角磨削
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