高速デジタルイメージングで生産品質向上：従来機械視覚を拡張

機械視覚は、さまざまな産業オートメーションアプリケーションで実証済みのプロセス制御ツールです。従来、この技術は市販（COTS）イメージングセンサー、照明モジュール、プロセッサを統合し、生産ラインを移動する部品をガイド、検査、識別します。人間オペレーターと比較して、機械視覚システムは高速、正確、再現性があり、製品品質向上、スクラップ率低減、高速製造環境での生産性向上を実現します。

運用メリットは明確ですが、高速デジタルイメージングは、機械視覚のメリット、機能、ユースケースをさらに拡張します。高分解能、高フレームレート、ストリーミング機能により、高速カメラはリアルタイム分析や長時間記録を必要とする困難なアプリケーション（半導体製造、スペースシャトル打ち上げ、鉄道検査など）で機械視覚を可能にします。これらの理由から、高速機械視覚システムは、人間の目では小さすぎたり速すぎたりして見えないプロセスを捉え、従来の視覚システムでは捉えられないものを明らかにします。

高速機械視覚カメラの主要特徴

高速機械視覚カメラは、従来の機械視覚カメラといくつかの点で異なります。COTSまたは電荷結合素子（CCD）センサーの代わりに、高速カメラはカスタム設計された相補型金属酸化膜半導体（CMOS）センサーを統合します。高速アプリケーション専用に設計されたCMOSセンサーは、比類なき速度と感度を提供し、欠陥検出、部品測定などの機械視覚アプリケーションでより詳細な検査と高い歩留まりをもたらします。複数メガピクセルのCMOSセンサーを組み込んだ高速機械視覚カメラは、困難なフレームレートでも例外的な画質を達成します。

望ましい機能

高速機械視覚カメラは、ライフサイエンス、弾道試験、3Dプリントなどで注目を集めています。

機械視覚カメラが単に速くなるだけでは不十分です。それに対応する設計が必要です。67,000fpsを超える高フレームレートに加え、高速カメラを機械視覚アプリケーションで選定する際に重要な以下の機能を念頭に置いてください：

分解能： Phantom機械視覚カメラは最大9メガピクセルのCMOSセンサーを搭載。これらのマルチメガピクセルセンサーとカメラの小さなピクセルサイズが組み合わさり、高速フレームレートでもより詳細な画像を実現。

感度： 一般的に、ピクセルサイズが小さいほど画像詳細が大きくなり、特に顕微鏡を必要とするアプリケーションで重要です。CMOSセンサーは5.6マイクロメートルという小さなピクセルサイズを特徴とし、高ネイティブISOを実現。その結果、高速機械視覚アプリケーションに必要な低露光時間でも優れた画質を達成します。

露光時間： Phantomカメラは1マイクロ秒という低い露光時間を実現。この能力は、高感度と小さなピクセルサイズと相まって、高速動作を十分にフリーズし、モーションブラーを排除します。

ダイナミックレンジ： 画像に多くの階調がある場合や、被写体が背景とほぼ同じ色の場合にダイナミックレンジが重要になります。カメラのダイナミックレンジが高いほど、センサーが検出できる陰影定義が多くなります。Phantom機械視覚カメラは54.8〜59.7デシベルのダイナミックレンジを持ち、半導体検査のような暗いアプリケーションに適しています。

高度にカスタマイズされたセンサーに加え、高速機械視覚カメラは銅CoaXPress（CXP）ケーブル技術を利用し、膨大なデータを互換性のある業界標準バックエンドフレームグラバーへリアルタイムで転送可能。この瞬時データストリーミング能力により、カメラの限られたRAMにデータを保存してからコンピュータへダウンロードするという時間のかかるプロセスを回避します。市販DVRユニットと組み合わせると、これらのストリーミングカメラは、ロケットダイナミクス、航空機ダイナミクス、弾道など、航空宇宙分野での長時間記録アプリケーションもサポートします。

CXP6プロトコルは現在、最速の標準データ転送方法です。各銅ケーブルは、カメラからバックエンド受信機へ6.25ギガビット/秒のデータ転送レートを達成。より新しいCXP12標準はこのレートを2倍にし、CXP6とCXP12の両方が高スループットを必要とするカメラに最適です。

感度と高フレームレートにより、高品質ストリーミングカメラは半導体検査に最適です。

ほとんどの機械視覚カメラが最大2ギガピクセル/秒のデータスループットを提供する中、世界最速のストリーミングカメラは最大9ギガピクセル/秒の直接データ転送速度を達成。これらのカメラは画像を行ごとに分割して伝送し、シンプルなアルゴリズムで各画像を再構成 — より高いフレームレートと分解能を可能にします。GenICam、汎用プログラミングインターフェースに依存することで、これらのカメラは既存システムへの設定と統合も容易にします。

リアルタイム vs 長時間記録構成

高速機械視覚システムのバックエンド構成は、必要なフレームレート、分解能、記録時間などの多くの変数に依存します。リアルタイム分析では、ストリーミングカメラで最大16標準CXP6チャネルを利用できます。CXP6ケーブルで最大68メートル通信可能ですが、ファイバーオプティックコネクタでは最大200キロメートルまで達成可能。カメラの汎用入出力（GPIO）も高速・柔軟な信号伝達と同期に利用できます。

その他のハードウェアとソフトウェアコンポーネントには：

• アプリケーション固有のフレームグラバーとCXP6フレームグラバーカード；

• フレームグラバーAPI、Matlab®、LABVIEW、または任意のポストプロセッシングビジョンツールを含むソフトウェア；

• 画像処理ハードウェア、通常はGPUマイクロプロセッサまたはFPGA；

• PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）Gen3スロットを持つコンピュータ。

ほとんどの高速アプリケーションは数百ミリ秒で行われますが、機械視覚アプリケーションでは、スペースシャトル打ち上げのようなイベントに対応するため、数分から30分など、より長い記録時間を必要とする場合があります。そのような大量データに関連するストレージ課題を克服するため、高速機械視覚カメラはデータを直接DVRユニットへストリーミングできます。DVRユニットは複数テラバイトの容量を備えます。このプラグアンドプレイセットアップにより、ユーザーは後で分析するために着信データを簡単に保存できます。

従来機械視覚アプリケーションの拡張

高速機械視覚カメラのおかげで、製造業者はより高い分解能と記録精度でイメージングを達成できます。これらの機能はライン速度と生産量を増やし、ボトルネックを減らし、単位あたりコストを削減します。同時に、これらのストリーミングカメラは、従来の機械視覚カメラでは見るのも難しい、分析はなおさらのナノメートルスケールのターゲットを捉えることができ、機械視覚をプロセス制御ツールから診断ツールへと変革します。その結果、機械視覚はライフサイエンス、半導体製造、製薬などの業界で注目を集めています。

高速機械視覚の最新アプリケーション領域には：

半導体検査： 高速機械視覚カメラは、スループットによって駆動される半導体製造でますます重要な役割を果たしています。具体的には、部品欠陥を発生と同時に迅速に特定・フラグし、欠陥関連コストとダウンタイムを削減、スループットを改善、検査時間を最小限に抑えます。

高品質機械視覚カメラは、半導体アプリケーションで通常サブミクロン尺度が関わる中、感度、信号対雑音比、高フレームレートの必要なバランスを実現します。フル4,096×2,304分解能で、Phantom S990ストリーミングカメラは6.75μmピクセルサイズ、9.6e-ノイズ、938fps記録速度を特徴とし、光と暗の領域の微妙な変化を示す欠陥を検出する高品質画像を生成します。

高速分光計： 食品・飲料、製薬、農業アプリケーションで多用される高速分光計は、白色光をさまざまな波長に回折させ吸収スペクトルを作成し、特定物質の存在を検出可能にします。このプロセスの新たなアプリケーションの1つは、高速機械視覚カメラを使用して製薬タブレットの化学組成を検証することです。カメラはコンベアに沿って移動するタブレットを記録。その後、レンズに到達する回折、吸収、透過光に基づいて、カメラは不良タブレットをフラグし、すべて生産ラインを動かし続けながら。

高速記録速度と感度のおかげで、高速ストリーミングカメラはこの新興アプリケーションに最適です。非接触検査法を提供するだけでなく、これらのカメラは同じ視野内で数十個のタブレットを同時に簡単に検査でき、重要な製薬操作でのスループットを改善します。

ストリーミングカメラ機能

機械視覚ストリーミングアプリケーションでは、画像データがCXPケーブル技術を介してフレームグラバーとPC、または長時間記録用DVRへ直接流れます。ユーザーはこのデータに即座にアクセスでき、リアルタイムアプリケーションまたは長時間記録用で、PCまたはDVRのストレージ量のみによって制限されます。

• 高速ストリーミングカメラのその他の機能には：

• 設定可能ビット深度 — 8/12ビット、8/10ビット

• CXP6技術で駆動、一部ストリーマーは27ボルト未満で消費

• GenICam準拠で簡単統合

• PCIe3 CXP6フレームグラバーと互換性

• GPIOが一般的および高度な信号機能を提供

• データニーズ削減のためのスケーラブルデータ転送

鉄道検査： 高速機械視覚カメラは、鉄道システムの検査方法を変える可能性があります。従来の機械視覚カメラは、雨、雪、砂嵐で年間を通じて貴重な時間を失いますが、ストリーミングカメラは困難な気象条件下でも見通すために必要な高フレームレート、分解能、感度を提供します。ほとんどのカメラとは異なり、追加レンズフィルターなしで白色光も処理できます。

ストリーミングカメラのその他の新興アプリケーション領域には、ライフサイエンス（細胞診断、バイアル識別、溶血）、弾道試験、レーザー溶接、3Dプリントが含まれます。

この記事は、Uma Gobena（ビジョンアプリケーションエンジニア、Vision Research、ウェイン、NJ）によって執筆されました。詳細については、こちらをご覧ください。