マシン ビジョン カメラ: マシン ビジョン アプリケーションに適切なカメラを選択する方法

改良と手頃な価格のおかげで、マシン ビジョン システムはより便利になり、幅広い用途に利用できるようになりました。ただし、産業用カメラ システムを選択する際には、さまざまな要素を考慮する必要があります。

マシンビジョンアプリケーションに適切なカメラを選択しようとする場合、産業用カメラと光学系の仕様を知ることが重要です。結局のところ、センサーとレンズの関係によって、カメラは物体の適切に照明された画像をキャプチャできるようになります。工業用画像処理操作中に、カメラ センサーはレンズからの光 (光子) を電気信号 (電子) に変換します。結果として生じる信号は、通常、電荷結合素子 (CCD) または相補型金属酸化物半導体 (CMOS) イメージ センサーを使用して生成され、ピクセルで構成される画像を生成します。次にプロセッサは、低い光レベルによって引き起こされる暗いピクセルと、より強い光レベルによって生じる明るいピクセルで構成される画像を分析します。

マシン ビジョン検査プロジェクトはそれぞれ異なりますが、ほとんどのカメラ検査システム開発者は、包括的な要件を定義し、各マシン ビジョン タスクをリストし、画像化するさまざまなサンプル部品を収集することから始めます。 OCR (光学文字認識)、バーコード読み取り、計測、高品質カラー画像の取得、高速イベントの観察、またはその他のタスクなど、何を達成する必要があるかを決定した後、通常、設計段階は産業用マシン ビジョンを選択することから始まります。カメラ。

カメラ検査システム用のカメラを選択するのは簡単ではありません。マシンビジョンカメラの分野は近年急速に拡大しており、数多くのメーカーが目まぐるしいほどのカメラモデルを提供しています。ラインスキャン、エリアアレイ、高速、高解像度、アナログから紫外（UV）、モノクロ、カラー、NIR、 swir、IR、マルチスペクトル、ハイパースペクトルなど、各産業用カメラのタイプは独自の機能を備えています。

なぜなら、適切なマシン ビジョン カメラ (または コンピュータービジョンカメラ) 市場で入手可能な何千ものカメラの中から選択するのは困難な作業になる可能性がありますが、この記事は、この複雑な環境でのナビゲーションを容易にし、特定のニーズに対応する最適なカメラの選択を支援することを目的としています。この記事では、マシン ビジョン カメラを選択する際に考慮する必要がある重要な要素について説明します。放射線の種類、解像度、ピクセルサイズ、量子効率、フレームレート、露光時間、カメラのサイズ、画像転送速度などの要素に対処するだけでなく、高速化に関連するテクノロジーに関して注意すべき点についても概説します。カメラ インターフェイスとそのプロトコル、処理テクノロジ、ソフトウェアなどのマシン ビジョン アプリケーション。最後に、RDMA、TCP、UDP ベースの GigE 実装の違いについて、現在そのようなシステムで利用できる高速 RDMA 対応マシン ビジョン カメラのコンテキスト内で説明します。

アプリケーションの制約

理想的な産業用カメラを選択するには、物理​​的な寸法、重量、消費電力などの複数の要素を慎重に考慮する必要があります。これらの制約は、特に独自のアプリケーションの場合、オプションに大きな影響を与える可能性があります。たとえば、倉庫内で品物を移動する任務を負った自律移動ロボット (AMR) を考えてみましょう。この AMR には、動作時間を最大化するために小型、軽量、低消費電力のカメラが必要です。このシナリオでは、サイズと重量の制限が重要な決定点になります。

環境要因もカメラの比較において重要な役割を果たします。カメラは屋外で使用され、保護のための筐体が必要ですか?それとも制御された屋内環境で動作するのでしょうか?環境条件を理解することで、その特定の条件に適したカメラ機能を選択することができます。被写体の速度も、カメラの選択に大きな影響を与える可能性のあるもう 1 つの要素です。素早い動きを捉えて動きを止めるには、被写体の動きを詳細に分析できる高速度カメラが不可欠です。

明るい光が制限されている場合は、光に対する感度が高いカメラを検討してください。これらのカメラは、利用可能な光が最小限であっても鮮明な画像をキャプチャできるため、限られた空間や低照度の環境に最適です。カメラの比較で評価すべきその他の要素には、フレーム レート、解像度、ダイナミック レンジなどがあります。フレーム レートは、カメラが 1 秒あたりにキャプチャするフレーム数を指定します。高速で動く被写体をキャプチャしたり、スムーズなスローモーション再生を行うには、より高いフレーム レートが必要です。解像度は画像の詳細と鮮明さを決定します。解像度が高くなると、より詳細な情報がキャプチャされますが、追加の画像保存スペースが必要になります。ダイナミック レンジとは、シーンの明るい領域と暗い領域の詳細をキャプチャするカメラの能力を指します。ダイナミック レンジの高いカメラでは、より現実的な照明を使用し、ハイライトの飛びや影の損失が少ない画像が生成されます。

マシンビジョンカメラの内部の様子

基本的なマシン ビジョン カメラを分解すると、内部の仕組みが明らかになります。ほとんどのマシン ビジョン カメラは、回路基板のセットとイメージ センサー自体の 2 つの主要部分に分類できます。一般にバックエンド回路と呼ばれる回路基板は、カメラの機能ロジックを処理します。これらには、A/D (アナログ - デジタル) コンバーター、アンプ、露光およびフレーム レート用のクロック、読み出し回路、FPGA (フィールド プログラマブル ゲート アレイ)、メモリ、およびその他のデバイスが含まれる場合があります。この回路は、信号の変換、タイミングの制御、受信画像の保存などのタスクを処理するカメラの頭脳と考えてください。

マシンビジョンカメラのフロントエンドは本質的に画像センサーです。画像センサーはカメラの目であり、光を捉えて画像を生成します。イメージ センサーには、可視光センサー (シリコン CCD または CMOS) と赤外線センサー (その他のさまざまな材料を使用) の 2 つの主な種類があります。この説明は可視光カメラと赤外光カメラの両方の選択に適用できますが、多種多様な材料で作られた冷却赤外線センサーや非冷却赤外線センサーなど、他の多くの種類のセンサーについては説明しません。代わりに、光を吸収してデジタル写真に変換するシリコンスポンジのような可視光センサーに焦点を当てます。

電磁波

人間の目は、世界への小さな窓のようなもので、壮大な電磁スペクトルのほんの一部しか入りません。幸いなことに、カメラは強力な拡張機能となり、視覚の限界をはるかに超えた視覚を可能にします。スペクトルの各帯域が独自の役割を果たす、広大な宇宙の光のショーを想像してみてください。スペクトルの各バンドには特定の波長があり、これらの波長によって何が見えるかが決まります。

波長は宇宙の定規のようなものだと考えてください。紫外線や X 線のような短い波長は、蝶の羽の複雑なパターンやウイルスの繊細な構造など、信じられないほど小さな細部を解明できます。一方、赤外線などの長い波長は、細部を区別するのが困難です。熱の兆候を検出したり、人間の存在を明らかにしたり、暗闇での熱いコーヒーの存在を明らかにしたりするのに最適です。しかし、微細構造を拡大するには不十分です。

特定のアプリケーションには特殊なカメラが必要です。たとえば、特定のマシンビジョンおよびイメージング機能には、可視光スペクトルを超える感度を備えたカメラが必要です。あるいは、一部のタスクでは、ガラスなどの高反射素材を検査するために装備されたカメラが必要です。可視光のスペクトルを超えた感度を備え、高速かつ高データレートで動作するエリアスキャンカメラを求めるシステムインテグレータ向けに、Emergent Vision Technologies は、紫外線感度を備えた 10GigE および 25GigE マルチスペクトル カメラと、偏光イメージ センサーを備えた 10GigE カメラを提供しています。ソニー製CMOSセンサー。

両方の 25GigE ボルト HB-8000-SB-U そして10GigE HR-8000-SB-U Sony の 8.1 MP UV Pregius S IMX487 CMOS イメージ センサーを利用し、200 nm ～ 400 nm の UV スペクトル内で高い感度を提供します。 IMX487 は、グローバル シャッター機能を備えた 2/3 インチ CMOS センサーで、紫外線を効率的に捕捉します。他の Sony Pregius S センサーと同様に積層型 CMOS センサーに裏面照射型ピクセル構造を採用し、歪みのない高速イメージング機能を実現します。

25GigE HB-8000-SB-U 201GigE は 10 fps のフレーム レートを達成します。 HR-8000-SB-U 145fpsを達成します。これらの GigE Vision カメラは GenICam 規格に準拠しており、半導体検査、廃プラスチックの選別、高電圧ケーブル検査、印刷検査、高解像度顕微鏡、発光分光法などのマルチスペクトル イメージング アプリケーション向けに設計されています。

では、カメラはどのようにしてこれらの目に見える世界と目に見えない世界の画像を撮影するのでしょうか?旅は、一般に光として知られる電磁放射から始まります。光がピクセルに到達すると、自由電子の生成が引き起こされます。イメージングの目標は、光子を電子に変換し、コンデンサと同様に機能するピクセル内に保持することです。より多くの光が当たり続けると、追加の自由電子が生成され、最終的に読み出しプロセス中に回収されるまで、これらのピクセル内に電荷として蓄積されます。

完全な井戸容量: ピクセルはどのくらいの光を処理できますか?

画像内で明るい物体が周囲の領域に光をにじませているのを見たことがありますか?これはブルーミングと呼ばれ、ピクセルがバケツから溢れるように光で過負荷になると発生します。ブルーミング前にピクセルが処理できる光の最大量は、フル ウェル容量 (FWC) と呼ばれます。それは、電子と呼ばれる小さな荷電粒子で測定されるバケツのサイズのようなものです。ピクセルが完全に飽和し、それ以上電荷を保持できなくなると、FWC に達したと言われます。

データシートは通常、センサーの FWC を、その状態に到達するまでに必要な電子の数という観点から定義します。たとえば、センサーの FWC は 20,000 電子として与えられる場合があります。カメラ会社のデータシートに特定のカメラの FWC が含まれていない場合、カメラ会社は使用するセンサーをリストすることがあります。そうでない場合は、カメラ会社に問い合わせて、ファウンドリからイメージ センサーのデータシートを入手してください。FWC が指定されている必要があります。 FWC を知ることは、さまざまなアプリケーションにとって重要です。

低照度イメージング: 薄暗い環境では、各光子が重要になります。高い FWC を備えたセンサーは、シャッター速度が長くてもかすかな細部を捉えることができ、ノイズや粒子を回避し、暗闇でもより鮮明な画像を実現します。

ハイダイナミックレンジイメージング: 高 FWC センサーにより、カメラは明るいハイライト (白飛び) をクリップすることなく、より広範囲の光強度を捉えることができます。暗いトンネルを通過するだけでなく、明るい太陽と深い影のある街並みに安全に出現する必要がある自動運転車で使用されるカメラを考えてください。高い FWC センサーは、クリッピングすることなく両方の極端なディテールを保持し、より豊かでリアルな画像を作成します。

科学画像処理: 研究用途における正確な測定には、正確な FWC 値が不可欠です。天の川の繊細な輝きや遠くの銀河を捉えるには、夜空の広範囲の光レベルに対応できるセンサーが必要です。天文学や医療画像処理など、微弱な信号の捕捉が重要なアプリケーションでは、高 FWC センサーが不可欠です。

センサー回路は、この光による電子の生成 (積分と呼ばれます) をいつ開始するか、いつ停止するかを決定します。電気回路はピクセルをオンまたはオフにし、各ウェルに蓄積された電荷量に比例して電圧生成を開始または停止します。最後に、指定されたライン レートで、またはピクセルのエリア アレイ全体を読み出す場合は指定されたフレーム レートで、線形行内のピクセルから信号を読み出すことができます。

量子効率と信号/雑音比

光子を電子に変換するピクセルの能力は、量子効率 (QE) と呼ばれます。光子がピクセルに入ると、電子が生成されます。しかし同時に、熱などによりノイズと呼ばれる電子も発生します。各ピクセルの目標は、熱やその他の要因よりも光からより多くの電子を生成することです。言い換えれば、ノイズ (熱やその他の要因からの電子) よりも信号 (光からの電子) が多いイメージ センサーは、信号対ノイズ (S/N) 比が高くなります。

S/N 比が高く、ノイズが低く、FWC が大きいイメージ センサーは、ダイナミック レンジが大きくなります。ダイナミックレンジは、測定された最大電荷量と最小電荷量の比です。読み出し中に、アナログ電圧からデジタル数値への変換 (A/D) が行われます。たとえば、カメラのバックエンド回路に 8 ビットのアナログからデジタルへの変換機能がある場合、256 (または 2) の電位が得られます。⁸）レベル。読み取られたピクセル電荷が 0 の場合、電子がなく黒です。ピクセルが完全に飽和し、最大充電されている場合、ピクセルは白で、カウントは 255 です。

A/D は、存在するグレースケール区分の数を決定します。 S/N が低いということは、多くの信号がノイズの中で、つまり暗部で失われることを意味します。たとえば、背景や周囲の部分とわずかにコントラストがあるだけのオブジェクト上の特徴を区別することは困難です。ただし、10 ビット A/D は 2¹⁰ = 1024。対象のフィーチャと周囲の領域の間にグレースケールの微妙な違いがある場合、グレースケールの分割数を増やすと、フィーチャを区別できる可能性が高くなります。

画素サイズ

多くの場合、ピクセルが大きいほど画質が向上します。一般に、小さなピクセルと比較して、大きなピクセルは、電子を収集するためのより大きな「バケツ」のおかげで、より高い S/N 比とダイナミック レンジを誇ります。より多くの表面積は、より多くの電子を捕捉することにもつながります。ただし、この利点には代償が伴います。ピクセルが大きくなるとセンサーのコストが高騰します。センサーが大きいほど価格が高くなるのはなぜですか?複数のセンサーがエッチングされたシリコン ウェーハを考えてみましょう。このウェーハの製造コストは、生産されるすべてのセンサーで分配されます。ピクセルが小さくなると、1 枚のウェハー上により多くのセンサーを搭載できるようになり、センサーあたりのコストが効果的に下がります。これが、小型センサーが大型センサーよりも大幅に安価である理由です。

理想的なシナリオを超えて、工場の歩留まりも重要な役割を果たします。製造されるすべてのセンサーが完璧であるわけではなく、大型センサーの生産量が少ないため、欠陥の影響が大きくなります。このような限られたバッチ内にいくつかの不良ピクセルがあると、使用可能なセンサーの数が大幅に減少する可能性があります。したがって、「最大かつ最良のもの」を選択することが常に最も賢明なアプローチであるとは限りません。ピクセルが大きいほどパフォーマンス上の利点が得られますが、特にサイズの制約や予算の問題がある場合には、小さいピクセルがコスト効率の高い代替手段となる可能性があります。

イメージャのサイズ

イメージャーのサイズはカメラのパフォーマンスにおいて重要な役割を果たしますが、命名規則が混乱を招く可能性があります。特に実際の寸法がミリメートル単位である場合、「8/16 インチ」や「35 インチ」などの用語は時代遅れに見えるかもしれません。では、これらの用語はどこから来たのでしょうか、そして実際には何を意味するのでしょうか?これらの用語はフィルム写真の時代を思い出させます。標準フィルム サイズ (XNUMXmm、XNUMXmm、XNUMXmm) では、特定の直径の開口部が使用されていました。カメラのレンズは、これらの開口部内のフィルム上にイメージ サークルを投影するように設計されています。

これらの用語は、同等のフィルム フォーマットを参照して、イメージ センサーのおおよその対角寸法を単に表しています。たとえば、16 インチのセンサーは、XNUMX mm フィルム フレームの対角線にほぼ対応します。命名規則はフィルムに由来していますが、実際のセンサーのサイズは精度を高めるためにミリメートル単位で測定されます。これにより、レンズや他のカメラコンポーネントとのより正確な比較と互換性の計算が可能になります。

センサー対角サイズ

レンズを選ぶ際に最も重要な寸法はセンサーの対角サイズです。これにより、センサー全体をカバーするためにレンズが投影する必要があるイメージサークルの最小直径が決まります。カメラでは、よく知られた「1/4 インチ」から「1 インチ」という用語を使用してセンサー サイズを指定することがよくありますが、ミリメートル単位での実際の対角寸法については、マニュアルまたはメーカーの Web サイトを参照することが重要です。

レンズはセンサーの対角線を完全にカバーするイメージサークルを投影する必要があります。センサーの対角寸法は、レンズに必要なイメージサークルに直接影響します。 1 インチのセンサーには、ケラレや不完全な画像キャプチャを避けるために、少なくとも 1 インチのイメージ サークルを持つレンズが必要です。より大きなレンズを使用することもできますが、イメージサークルがセンサー領域を超える可能性があり、解像度が無駄になる可能性があります。逆に、大きなセンサーに小さなレンズを使用すると、中央部分のみが照明され、視野が狭くなります。

正確な測定が最も重要な計測アプリケーションでは、センサーに対してレンズのサイズを意図的に大きくすると有利になる場合があります。これにより、レンズの高性能の中央領域が活用され、細部の解像度が最適化されます。イメージサークルが小さいレンズを選択すると、ケラレ (暗い隅) が発生したり、画像がトリミングされたりすることがあります。逆に、必要以上に大きなイメージ サークルは過剰になり、パフォーマンスやコストに影響を与える可能性があります。

センサーのサイズとレンズの互換性との関係を理解することは、情報に基づいてカメラを選択するために非常に重要です。 「1/4 インチ」または「0.5 インチ」というラベルだけに頼らないでください。常に対角線の測定値を確認し、選択したレンズがセンサーを適切にカバーできることを確認してください。ただし、指定されたカメラと互換性のあるレンズが入手できない場合、設計者は別のカメラを選択しなければならない場合があります。

マイクロレンズにより小さなピクセルのパフォーマンスが向上

カメラセンサーがどのようにして小型化と高性能化を続けながら、驚異的なディテールを捉え続けているのか不思議に思ったことはありませんか?魔法の一部は、各ピクセルの上に配置されたマイクロレンズと呼ばれる小さなレンズにあります。カメラセンサーの断面を想像してください。底部にはシリコンウェハーがあり、そこにピクセルが存在します。これらの小さな感光領域はバケツのようなもので、光子を収集して、目に見える画像を作成します。ピクセルの上には複雑な金属配線の層があります。これらの「静脈」は各ピクセルを制御する電気信号を伝え、光の収集をいつ開始および停止するかを指示し、最終的にはそのデータを画像に変換する方法を伝えます。

カラー カメラの場合、赤、緑、青のフィルターの特別なレイヤーがピクセルの上に配置されます。これらのフィルターは小さなゲートのように機能し、特定の波長の光のみを通過させ、各ピクセルの色情報を作成します。ここで、さまざまな角度でセンサーに入射する光線を想像してください。小さなピクセルバケットを見逃して捕獲を逃れる人もいるかもしれません。マイクロレンズ登場！これらの小型レンズは、小さな虫眼鏡のように各ピクセルの上にあります。光線を曲げて焦点を合わせ、斜めに入射する光でも感光領域に確実に到達します。

より多くの光を取り込む

マイクロレンズは、各ピクセルが捉える光の量を大幅に増加させ、感度の向上と解像度の向上という 2 つのことをもたらします。感度が向上したことで、センサーは暗い場所でもより詳細な情報を捉えることができます。解像度の向上により、より多くの光がより鮮明で鮮明な、より詳細な画像に変換されます。ただし、このパフォーマンス向上には代償が伴います。マイクロレンズはセンサーに接着された恒久的な固定具です。全体的な光の取り込みを強化すると同時に、紫外線をブロックすることもできます。

一部のマイクロレンズは紫外線を吸収する素材でできており、特定の種類の情報を捕捉するセンサーの能力が制限されます。マイクロレンズはレンズの柔軟性も制限します。マイクロレンズの固定的な性質により、センサー表面との直接の相互作用が必要となる可能性のある特定のレンズ タイプの使用が制限されます。

マイクロレンズのサイズと形状は、特定のセンサーとその用途に応じて異なります。マイクロレンズ技術の進歩は続いており、研究者は現在の限界を克服するために新しい材料や設計を模索しています。

マイクロレンズはセンサー技術における重要な革新であり、画質を犠牲にすることなく、より小型で効率的なセンサーを実現します。しかし、その永続的な性質と、UV 感度やレンズの互換性における潜在的な制限は、考慮すべき重要な要素です。マイクロレンズ付きセンサーとマイクロレンズなしセンサーの選択は、特定のニーズと優先順位によって異なります。低照度条件や高解像度が必要な用途では、マイクロレンズは大きな利点をもたらします。

裏面照射型センサー

より多くの光を捉え、コンパクトなセンサーで驚異的な画質を実現するという探求が、エキサイティングなイノベーションにつながりました。そのような進歩の 1 つは、マイクロレンズを備えた裏面照射型センサーです。このテクノロジーは従来のセンサー設計の常識を覆し、いくつかの利点をもたらします。センサーの断面を想像してください。通常、マイクロレンズはピクセルの上にあり、光を集め、感光領域に到達する前に金属配線の層を通過させます。裏面照射型センサーでは、役割が逆になります。マイクロレンズはセンサー背面のカラーフィルターと統合されており、光が金属配線を通らずにピクセルに直接入ることができます。

光子がセンサーの裏側に入ることを可能にすることで、S/Nが大幅に向上します。利点としては、光取り込みの増加、感度の向上、ダイナミック レンジの向上などが挙げられます。金属配線の障害物を取り除くことで、各ピクセルに到達する光の量が大幅に増加し、その結果、感度が向上して暗い場所でも鮮明な画像をキャプチャできるようになり、ダイナミック レンジが強化されて、シーンの明るいエリアと暗いエリアの細部のキャプチャが向上します。

裏面薄化ウェーハ

この裏面照射型センサー技術を効果的に実装するには、吸収を最小限に抑えて光を透過できるようにシリコン基板を薄くする必要があります。ただし、ウェーハの薄化は繊細なプロセスであり、鋳造工場では「秘密のレシピ」とみなされることがよくあります。これはセンサー全体が製造された後に発生するため、間違いがあるとコストが高くなります。気体真空薄膜処理という制御された世界から、スラリーを使った機械的ラッピングという厄介な領域に移行することを想像してみてください。ダイヤモンドの研磨に似たこの型破りなアプローチは、半導体製造工場では異例に思えるかもしれませんが、望ましい薄さを実現するには非常に重要です。ただし、いくつかの課題とトレードオフがあります。

マイクロレンズを備えた裏面照射型センサーには大きな利点がありますが、UV感度の制限や、これらのセンサーの製造に必要な追加の処理ステップや特殊な技術による複雑さとコストの増加など、いくつかの課題がまだあります。これらの課題にもかかわらず、マイクロレンズを備えた裏面照射型センサー技術はセンサー性能の大きな進歩を表しています。

しかし、携帯電話のカメラでは裏面照射型センサーがより一般的になっているため、研究開発の大幅な増加により、効率、感度、UV 感度がさらに向上し、さらに魅力的で多用途なイメージング ソリューションへの道が開かれています。最新の CMOS センサーは、裏面照射型センサーに特定のマイクロレンズ設計と材料を使用しており、UV 感度をさらに最適化できます。代替の間引き技術も収量の向上とコストの削減に役立ちました。

電子増倍 CCD (EMCCD) や時間遅延積分 (TDI) などのテクノロジーはさらに高い感度を提供しますが、より複雑であり、この説明の範囲外です。それにもかかわらず、特定の種類のカメラで低照度のパフォーマンスを大幅に向上させるさまざまな技術が利用可能であることを知っておくことが重要です。

ローリング センサーとグローバル シャッター センサー

すべてのカメラは同じように作られているわけではありません。業界には、ローリング シャッターとグローバル シャッターという 2 つの選択肢があります。高速オブジェクトや Web プロセスをキャプチャする場合、センサーの選択は非常に重要です。一般に、適切なセンサーの選択は、速度や精度などの特定のアプリケーションの制約によって決まります。

ローリング シャッターは、データ行を次々に読み取る高速スキャナーのようなものです。ローリング シャッター センサーは、日常のさまざまなイメージング作業や静止画のキャプチャに最適です。ただし、高速の動きや正確な測定の場合、画像内のオブジェクトが歪む可能性があります。

グローバル シャッターは、スナップショットのようにシーン全体を一度にキャプチャするカメラと考えることができ、高速で移動するオブジェクトを歪みなくキャプチャするのに最適です。グローバル シャッター センサーは、科学用途や正確な測定に最適です。

ラインスキャンカメラ

ベルトコンベア上を移動する物の画像をカメラがどのようにして撮影するか考えたことはありますか?ライン スキャン カメラは、このタスクを達成する 1 つの方法です。ライン スキャン カメラは、リニア 2D 画像センサーを使用して一度に XNUMX ラインの画像をキャプチャし、そこから分析用の XNUMXD 画像を構築します。ライン スキャン カメラは、通過する移動物体の検査を容易にするためによく使用されます。これらのカメラは、単一のラインを高速でスキャンするレーザー ビームと考えてください。ラインスキャンカメラは、ベルトコンベア上の製品の検査などの Web プロセスに最適です。ライン スキャン カメラは、完全な画像をラインごとに構築します。これを行うには、オブジェクトの動きと同期する必要があります。

その仕組みは次のとおりです。荷物が上を移動するコンベア ベルトを想像してください。ライン スキャン カメラには長くて薄いセンサーがあり、適切なレンズを装備すると、コンベアの幅全体にわたる画像をキャプチャし、一度に 1 つのピクセル ラインをキャプチャします。荷物が動いていない場合、カメラは画像の 1 行しかキャプチャしないため、荷物の多くの詳細を識別することが困難になります。ただし、荷物が移動するにつれて、カメラは一行ずつキャプチャし、完全な画像を構築します。

ラインスキャンカメラが動きと同期してトリガーされると、必要なだけ画像を生成できます。これにより、ライン スキャン カメラは大きなオブジェクトの高解像度画像をコスト効率よくキャプチャできるようになります。大型の移動物体に加えて、ライン スキャン カメラを使用して、回転する円筒形の物体を画像化することもできます。動きが一貫している場合、または速度センサーまたはエンコーダーが使用できる場合は、ライン スキャン カメラの方が費用対効果が高い可能性があります。

Emergent は、現代のライン スキャン イメージング ニーズの迅速な要求を満たすように設計された、10GigE、25GigE、および 100GigE 構成のライン スキャン カメラを幅広く提供しています。これらのカメラ ファミリは、信頼性の高い展開を保証し、ゼロコピーおよびゼロデータ損失のイメージング機能を提供します。をはじめ、多彩なモデルをラインナップ。 LR-4KG35 10KHz の速度に達することができる 172GigE ライン スキャン カメラ LZ-16KG5 高速100KHzを実現する400GigEラインスキャンカメラ。

コスト効率の高い高解像度イメージング

ラインスキャンカメラには、コストの面で驚くべき利点があります。エリア アレイ カメラと比較して、より多くのピクセルを 2000 枚のウェーハに詰め込むことでこれを実現しています。ライン スキャン テクノロジは一度に 4000 つのラインのみをキャプチャするため、より高密度のピクセル配置が可能になり、ウェハーあたりのピクセル数が増加します。ライン スキャン センサーは、16,000、XNUMX、さらには XNUMX ピクセルのものが一般的に入手可能です。同等のエリアアレイは巨大になり、信じられないほど高価になります。

一般に、1K ライン スキャン センサーは、実装密度が高いため、1K エリア アレイよりも安価であり、結果としてピクセルあたりのコストが低くなります。アプリケーションに移動物体 (ベルトコンベアなど) の高解像度イメージングが含まれ、その動きが制御できる場合、ライン スキャン カメラは費用対効果の高いオプションです。ライン スキャン カメラは、色情報をキャプチャすることもできます。

ただし、ライン スキャン カメラには特定の制限があります。照明は正確である必要があり、カメラの絞りはほとんどの時間開いたままにする必要があるため、被写界深度が浅くなり、カメラからさまざまな距離にある物体を捉えることが難しくなります。

エリアスキャンカメラ

ライン スキャン カメラは、物体が一定の速度で移動する場合に威力を発揮し、正確な画像キャプチャと効率的な画像処理が可能になります。一方、エリア スキャン カメラは、静止した物体や、予測不可能な動きやより深い被写界深度が必要なシーンに適しています。エリア スキャン センサーを備えたエリア スキャン カメラには、2 回の露光で XNUMXD 画像を生成する大きなピクセルのマトリックス (アレイ) があります。

ライン スキャン カメラと比較して、エリア スキャン カメラは通常必要な光が少なく、視野が長方形であるため照明の設置が容易です。さらに、エリア スキャン カメラは、大量の光をセンサーに素早く届けるストロボ照明を使用して短時間露光画像をキャプチャできます。画像取得アプリケーションの大部分はエリア スキャン カメラを使用します。

アプリケーションによっては、特に細部の正確な視覚化や大きな部品の包括的な検査が不可欠な状況では、高解像度カメラが必要になる場合があります。このような要件に応えるために、Emergent は、Eros 5GigE、HR 10GigE、Bolt 25GigE カメラなど、さまざまなカメラ ファミリにわたる広範な高解像度モデルを提供しています。

これらのモデルには、Sony Pregius S シリーズの次のような高度な IMX センサーが組み込まれています。

• 1MP IMX547: HE-5000-SBL 5GigE カメラ (45.5fps)、 HR-5000-SBL 10GigE カメラ （99fps）
• 1MP IMX546: HE-8000-SBL 5GigE カメラ (36.5fps)、 HR-8000-SBL 10GigE カメラ （73fps）
• 4MP IMX545: HE-12000-SBL 5GigE カメラ (34fps)、 HR-12000-SBL 10GigE カメラ （68fps）
• 13MP IMX542: HE-16000-SBL 5GigE カメラ (26fps)、 HR-16000-SBL 10GigE カメラ （52fps）
• 28MP IMX541: HE-20000-SBL 5GigE カメラ (21.5fps)、 HR-20000-SBL 10GigE カメラ （43fps）
• 47MP IMX540: HE-25000-SBL 5GigE カメラ (17.5fps)、 HR-25000-SBL 10GigE カメラ （35fps）

25GigE Bolt シリーズは、5.1MP IMX537 も活用しています。 HB-5000-SB (269fps)、8.1MP IMX536 を搭載 HB-8000-SB (201fps)、12.3MP IMX535 を搭載 HB-12000-SB (192fps)、20.28MP IMX531 を搭載 HB-20000-SB、および 24.47MP IMX530 HB-25000-SB (98fps)。利用可能なオプションは、Zenith HZ-100-G (103.7MP Gpixel GMAX32103) や ボルト HB-127-S (127.7MP ソニー IMX661)。

インターフェースと接続オプションも、カメラの使いやすさ、制御オプション、他のシステムと統合するために利用可能な接続ポートと同様に、カメラの選択に大きな影響を与える可能性があります。前に説明した要素以外にも、いくつかの追加の考慮事項がカメラの選択に大きな影響を与える可能性があります。

カラーとモノクロの比較

医療診断などの特定の用途では演色性が重要である場合がありますが、多くの場合、モノクロ カメラは実行可能な代替手段となります。一般に、モノクロ カメラにはいくつかの利点があります。通常、カラー カメラよりも光に対する感度が高く、暗い場所でもパフォーマンスが向上します。さらに、モノクロ カメラは一般にカラー カメラよりも手頃な価格であり、モノクロ画像は必要なストレージ スペースが少ないため、データ ストレージが限られている用途に適しています。

最も一般的なカラー カメラは、シングルチップ、シングルセンサーです。使用される一般的なフィルター パターンはベイヤー パターンとして知られています。このパターン内では、赤のフィルターが 1 つのピクセルをカバーし、2 つの緑のフィルターが 2 つのピクセルにまたがり、青のフィルターが別のピクセルをオーバーレイします。したがって、各ピクセルには、赤色のフィルターが 1 つ、緑色のフィルターが 2 つ、青色のフィルターが 1 つ装備されています。人間の目は緑色の波長により敏感であるため、2 つの緑色フィルターが使用されます。これにより、センサーが色を忠実に再現し、人間の知覚を反映することができます。

これらのカラー フィルターは一体型です。ピクセルの上に永久に固定されているため、削除したり変更したりすることはできません。特定の波長の光が各ピクセルに到達することを選択的に許可し、それによってベイヤー フィルターの特徴的な 2 つの緑、1 つの赤、1 つの青のパターンが生成されます。ただし、これらのフィルターを正常に通過できるのは、入ってくる光子の約 3 分の 1 だけであることに注意することが重要です。

したがって、カラー カメラは一般にモノクロ カメラよりも多くの光を必要とします。これは、すべての光を捕捉するモノクロ センサーとは異なり、カラー センサーは各ピクセルの利用可能な光の一部のみを捕捉するためです。個々のピクセルは正確にキャプチャされますが、フルカラー イメージを再作成するには補間が必要です。モニター上のピクセルの小さなグリッドを想像してください。実際の色を表現するには、各ピクセルに赤、緑、青を混ぜる必要があります。

デモザイク アルゴリズムは周囲の赤、緑、青のピクセルを分析して各ピクセルの混合を推定しますが、このプロセスによりエッジがわずかにぼやけ、知覚される解像度が低下する可能性があります。正確な色の精度を得るために、プロの写真家は Macbeth ColorChecker を使用します。この標準化されたチャートにはさまざまな色が含まれており、カメラで撮影した色と基準色を比較できます。これは、正確な色識別を必要とする自動検査カメラ アプリケーションにも役立ちます。赤はビジョン システム カメラにとって扱いにくいため、特に注意してください。

短波赤外線 (SWIR) と偏光イメージング

特定のシナリオでは、ラベル上の偽造防止用の透かしやセキュリティ コードを識別したり、正確な充填レベルを確保するためにボトルを通して画像化したりするなど、特殊な画像化テクノロジが必要になります。 SWIRカメラ Emergent Vision Technologies が提供するものなどは、そのようなインスタンスに確実に導入できます。 Emergent の Aeros 5GigE カメラ シリーズには、次のようなモデルが含まれます。 HE-300-SI, HE-1300-SI, HE-3200-SI, HE-5300-SI、400 ～ 1700 nm の範囲内の画像をキャプチャできる高度な Sony SenSWIR センサーを搭載しています。これらのカメラは、Sony の 0.33MP IMX991、1.31MP IMX990、3.14MP IMX993、および 5.24MP IMX992 センサーを利用しています。

従来のイメージング方法では、ぎらつきの原因となる光沢のある素材や反射性の素材を検査する際に課題が発生します。 Emergent の HR-12000-S-P、HR-5000-S-P、 HE-5000-S-PM モノクロ、そして HE-5000-S-PC カラーカメラは、明るさと色を強化し、通常のセンサーでは見逃されがちな微細な詳細の検出を可能にすることで、これらの問題に対処します。偏光イメージングは​​、反射シーンと透過シーンの区別が必要なシナリオに適しており、汚れ、盛り上がった領域、くぼみ、傷、変形などの表面の不規則性を識別するのに役立ちます。

これらの偏光カメラは、Sony の 5MP Sony IMX250MZR (モノラル) および IMX250MYR (カラー)、および 12MP Sony IMX253MZR (モノラル) および IMX253MYR (カラー) センサーに依存しています。これらのセンサーは、各レンズ上に微細なワイヤーグリッド偏光子を統合しており、0 ピクセル クラスターで 45°、90°、135°、4°の偏光角を備えています。この補間により、センサーの実効解像度が XNUMX 倍に低下し、各 XNUMX ピクセル ブロックが単一の出力ピクセルに変換されます。

高速撮像

ビデオが主に分析目的の場合は、高速で動く被写体を捉え、スムーズなスローモーション再生を可能にする高フレーム レートなどの機能を優先します。高解像度により正確なデータ分析のための詳細な画像が得られ、高ダイナミック レンジによりリアルな照明をキャプチャし、明るい領域や暗い領域での詳細の損失を回避できます。ライブ ビデオ フィードの場合は、リアルタイム応答のために遅延を最小限に抑えてビデオをストリーミングする低遅延や、スムーズなストリーミングのために帯域幅の使用量を削減する効率的なデータ圧縮などの機能を優先します。

録画オプションもカメラの選択において重要な役割を果たします。録画を行わないライブ ストリーミングは、リアルタイム分析が重要であり、データ保持が必要ないアプリケーションに最適です。ただし、後で分析するために動きの速いイベントをキャプチャできる高速記録には、RAID やソリッド ステート ドライブなどの高性能ストレージ ソリューションが必要です。解像度とフレーム レートが高いカメラには、より多くのストレージ スペースが必要であることを覚えておくことが重要です。圧縮された記録形式ではファイル サイズは小さくなりますが、画質が犠牲になる可能性があります。ストレージについては、データ量とアクセス速度の要件に応じて、RAM、RAID アレイ、またはソリッド ステート ドライブを検討してください。

イメージング アプリケーションが工場出荷時の設定を超えて拡大するにつれて、運用を簡素化する GigE Vision の機能は OEM にとってさらに重要になります。監視、輸送、スポーツ テクノロジー アプリケーションなど、カメラと PC の間にかなりの距離があるシナリオでは、ケーブルの長さが非常に重要になります。 SFP+ (10G)、SFP28 (25G)、QSFP28 (100G) などのコスト効率の高いトランシーバー コンポーネントにアクセスできるため、最大 10 km 以上の距離にわたるシングルモード ファイバーの使用が可能になります。

高速マシンビジョンのためのゼロコピーイメージング技術

GigE Vision のコンテキストでは、特定の課題により、伝送制御プロトコル (TCP) またはリモート ダイレクト メモリ アクセス (RDMA)、RDMA over Converged Ethernet (RoCE) および RoCE v2 の利用が生じています。この課題には、連続形式で画像データをアプリケーションに配信するために受信側でイーサネット パケットを分解することが含まれており、これにはイーサネット パケット ヘッダーの分離が必要です。このプロセスはソフトウェアを通じて実現可能ですが、メモリ帯域幅が XNUMX 倍に増加し、CPU 使用率が高くなるというパフォーマンス上のペナルティが発生します。この点は、従来の GigE Vision と RDMA を比較するときに RDMA ユーザーによってよく強調される側面です。

Emergent Vision Technologies は、高速イメージングで最適なパフォーマンスを達成するための必須要件であるゼロコピー画像転送手法を採用しました。この技術は、最新のネットワーク インターフェイス カードに備わっている固有の分割機能を利用することで、CPU 負荷とメモリ帯域幅を大幅に削減します。付属のアニメーションは、ゼロコピー イメージ転送に洗練された GigE Vision Stream Protocol (GVSP) を採用した場合のゼロコピー メモリ帯域幅の使用の影響を示しています。アニメーションの最初のセグメントは、NIC でバッファ オーバーフローが発生している最適化されていないシステムを示しています。一方、後続のセグメントでは、ゼロ コピーとシステム最適化によって促進されたスムーズで信頼性の高いデータ フローが示されています。

予算

どのカメラを購入するかを決定する際にはコストが重要な役割を果たし、解像度や速度と同じくらい重要になる可能性があります。この時点で、検査用または他のマシン ビジョン タスク用に産業用カメラを購入するかどうかは、マシン ビジョン検査システムの費用対効果と投資収益率 (ROI) に基づいてすでに決定されている可能性が高くなります。

マシン ビジョン システムに関しては、コストによって何が達成できるかが決まり、カメラの予算はこれらの評価に基づいて決定されます。非常に詳細なレベルでの検査は魅力的かもしれませんが、法外に高価になる可能性もあります。カメラの購入者は、コストと ROI を比較検討する必要があります。コストから逆算するのが良い出発点です。これにより、アプリケーションにとって真に重要な機能に優先順位が付けられ、経済的な実現可能性が確保されます。

コストは適切なカメラを選択する際の重要な要素であるため、予算の制約に基づいて機能と仕様に優先順位を付ける必要があります。これらの考慮事項は、特定のアプリケーションに適したカメラの分野を絞り込むのに役立ちます。各制約に優先順位を付け、予算と照らし合わせて評価することで、特定のプロジェクトに最適なカメラを少数選択することができます。

アプリケーションの制約を優先する

一般に、スキャンするオブジェクトのサイズと、そのオブジェクト上で区別する必要がある最小の特徴を考慮することから始めるのが最善です。ピクセルが小さいほど、解決できる詳細は小さくなります。最大 16K のライン スキャン カメラ、80 MP 以上のエリア アレイ、XNUMX 秒あたり数千フレームをキャプチャする高速カメラに至るまで、さまざまな仕様を備えたカメラの幅広い選択肢があります。

高解像度および高速カメラには高帯域幅が必要です。次に、ケーブルの長さとビデオ プロトコル (アナログ (RS-170)、USB、カメラ リンク (CL)、CoaXPress、および GigE) があります。プロトコルの選択は、多くの場合、帯域幅とケーブル長の要件に依存します。 M12、CS、C、F、M42、M75 などのさまざまなレンズ マウントに留意し、イメージ センサーが大きいほどレンズ マウントも大きくなると考えてください。リニア アレイ センサーに必要な最小イメージ サークルを決定するには、センサーの長さをエリア アレイの対角線と同様に考慮します。

評価が必要なその他のさまざまな機能には、選択可能な ROI (関心領域)、FPGA、オンカメラ メモリ、組み込み画像処理などが含まれます。視野と作動距離の要件を満たすために必要なレンズの大きさを決定します。電磁スペクトルについて考え、必要な関心のある特徴だけを照らす方法を正確に見つけ出します。モノクロとカラー、UV、偏光、NIR、SWIR、マルチスペクトル、またはハイパースペクトルから選択します。これらの優先順位をすべて考慮すると、アプリケーションに適したカメラを絞り込むことができます。

GPUDirect: データ損失ゼロのイメージング

Emergent は、すべての高速、高解像度の GigE Vision カメラにおいて、独自のカメラやポイントツー カメラに依存するのではなく、最適化された GigE Vision アプローチとユビキタス イーサネット インフラストラクチャを使用して、信頼性が高く堅牢なデータの取得と転送を行うことにより、クラス最高のパフォーマンスを保証します。 -ポイントインターフェイスと画像取得ボード。さらに、Emergent は、NVIDIA の GPUDirect などの直接転送テクノロジをサポートしています。これにより、画像を GPU メモリに直接転送でき、大規模なデータ転送によるシステムの CPU およびメモリへの影響が軽減されます。このようなセットアップでは、GigE Vision 標準との互換性および準拠ソフトウェアおよび周辺機器との相互運用性を維持しながら、より強力な GPU 機能をデータ処理に活用します。

Emergent eCapture Pro ソフトウェアを使用すると、GPUDirect テクノロジーを搭載したカメラで画像を GPU メモリに直接転送することもできます。このテクノロジーを導入することにより、データを損失することなく、CPU 使用率ゼロとメモリ帯域幅ゼロのイメージングが実現されます。このテクノロジーは、より強力な GPU 機能を使用することで、GigE Vision 標準との互換性と、準拠した周辺機器およびソフトウェアとの相互運用性を維持しながら、システムの CPU およびメモリに対する大規模なデータ転送の影響を軽減します。

緊急カメラ:

Emergent は、10、25、および 100GigE ビジョン テクノロジーを使用して、マシン ビジョンやエンターテイメントなどの幅広い市場で最高のパフォーマンスを実証してきました。 10MP から 25MP+ までの 100GigE、0.5GigE、100GigE カメラを含む幅広いカメラ オプションを備え、フル 3462MP 解像度で 2.5fps もの高いフレーム レートを備え、さまざまなイメージング ニーズに対応します。