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  • エンベデッドビジョンシステムのご紹介

    現在大きな話題となっているエンベデッドビジョンシステムの構築を任されることになったSteve。初めて担当するエンベデッドビジョンプロジェクトで奮闘する彼の姿を是非ご覧ください。

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エンベデッドビジョンとは?

ICの集積化、小さくて性能の高い電子基板の登場など、近年、電子部品業界において小型化の動きが進んでおり、コンピューターや携帯電話、カメラもますますコンパクトかつ高性能になっています。そして、この動きはマシンビジョンの世界にまで波及しています。

従来のマシンビジョンシステムは、産業用カメラとコンピューターで構成されています。

数年前までは、カメラもコンピューターも非常に大きなものが使用されていましたが、短い期間でコンピューターの小型化が可能になり、その間に1枚の基板の上にカメラを搭載したシングルボードコンピューター(SPC)も開発されました。同時に、カメラの電子部品も小型化も進み、非常にコンパクトなカメラが登場するようになりました。現在ではさらに高度なハウジングのない小型カメラも開発されており、コンパクトなシステムに簡単に取り付けられるようになっています。

コンピューターとカメラが小さくなったことにより、新しい用途向けに超小型カメラを搭載したビジョンシステムを開発できるようになりました。そして、このようなシステムのことをエンベデッド(ビジョン)システムと呼んでいます。

  • エンベデッドビジョンシステムの構造と用途

    エンベデッドビジョンシステムの構造と用途

    代表的なエンベデッドビジョンシステムでは、ボードレベルカメラと呼ばれるカメラがプロセッシングボードに接続されています。プロセッシングボードは、従来のマシンビジョンシステムでコンピューターが行っていた作業を行います。プロセッシングボードは従来の産業用コンピューターよりも価格が安いため、ビジョンシステムの小型化だけでなく、コストパフォーマンスも向上させることができます。エンベデッドビジョンシステムでは、インターフェースとして主にUSBやBaslerのMIPI対応BCON、LVDS対応BCONが使用されています。

    医療、自動車、産業用・民生用電子機器など、エンベデッドビジョンシステムは幅広い用途や機器に使用されており、さらなる新しい製品の開発により、多くの分野でイノベーションを起こす可能性を秘めています。

     
  • エンベデッドシステムの種類

    エンベデッドシステムの種類

    すべてのエンベデッドプロセッシングボードには、その核となる部品としてSoC(System on Chip)が搭載されています。SoCは、CPU(1つまたは複数)、グラフィックプロセッサー、コントローラー、その他の特殊なプロセッサー(DSP、ISP)などを1枚のチップに集約したものです。

    これらの高性能な部品で構成されているSoCの登場により、最近ではコンパクトかつ低価格なエンベデッドビジョンシステムを構築できるようになりました。

    エンベデッドシステムの中には、Raspberry Pi®、DragonBoard®などの人気のシングルボードコンピューター(SBC)があります。これらは確立されたインターフェース(USB、イーサネット、HDMIなど)を搭載したミニコンピューターで、CPUの性能こそやや劣るものの、従来のコンピューターやノートパソコンと同様の機能を持っています。

    エンベデッドビジョンシステムでは、このほかにもSoM(System on Module、別名CoM(Computer on Module))を使用できます。通常、SoMの回路基板にはSoC、ストレージ、電源管理といったエンベデッドプロセッシングプラットフォームの主要な構成部品が搭載されていますが、各用途に応じたカスタマイズ(対応するインターフェースの追加など)を行うためには、別途キャリアボードが必要になります。キャリアボードは特殊なコネクターを使用してSoMに接続されるため、比較的シンプルな構造になっています。既製品であるSoM(またはシステム全体)は、そのメリットとしてコストパフォーマンスを向上させるだけでなく、キャリアボードを通じて個別にカスタマイズすることも可能です。

    大量生産を行う場合は、フルカスタム設計の完全オリジナルのプロセッシングボードを選ぶのも良いでしょう

     
  • エンベデッドビジョンシステムと一般的なビジョンシステムの特性の比較

    エンベデッドビジョンシステムと一般的なビジョンシステムの特性の比較

    上記のシングルボードコンピューターとSoMのほとんどには、一般的なコンピューターによく見られるx86系のプロセッサーが搭載されておらず、その代わりに通常はARM系のCPUが使用されています。

    ARMプロセッサーでは、OSとしてオープンソースのLinuxを広く使用しています。Linuxでは、多くのオープンソースアプリケーションや膨大な無料プログラムライブラリーが利用可能です。しかし、x86版のシングルボードコンピューターも使用が拡大しています。コンピューターにとって、エンベデッドシステムのスペースの狭さは常に大きな課題となっています。

    エンベデッドビジョンシステムと一般的なビジョンシステムの特性の比較

    ソフトウェア開発者にとって、エンベデッドシステム用のプログラムの開発は、一般的なコンピューター用のプログラムの開発よりも大幅に難しいものです。一般的なソフトウェアの開発は、開発に使用するコンピューターが最終的な対象プラットフォームでもある(開発したプログラムをそのまま同じコンピューターで使用する)という点でエンベデッドソフトウェアの開発とは異なります。エンベデッドソフトウェアの開発では、対象となるシステムのリソース(CPU性能、ストレージ)が限られているため、開発には使用できません。エンベデッドソフトウェアの場合は、一般的なコンピューター上で開発を行い、ツールを使用してプログラムのコーディングとコンパイルを行うため、非常に複雑な作業になります。しかも、コンパイルしたプログラムはエンベデッドシステムにコピーした後、リモートでデバッグを行わなければなりません。

    また、ソフトウェアを開発する際には、エンベデッドシステムが特殊な用途に対応するためのハードウェアで、汎用性の高いコンピューターとは大きく異なるという点にも考慮する必要があります。

    しかし、エンベデッドシステムとデスクトップコンピューターを使用したシステムとの間の違いをはっきりと区別することが難しい場合もあります。人気のRaspberry Piについて考えてみると、エンベデッドシステム(ARMを使用しているシングルボードコンピューター)としての特長を多く持っている一方で、さまざまな作業に対応でき、モニター、マウス、キーボード用の接続も有するという一般的なコンピューターのような汎用性もあります。

     
  • エンベデッドビジョンシステムの特長

    エンベデッドビジョンシステムの特長

    エンベデッドビジョンシステムは、開発方法によって大きく異なる場合もあります。中でも、一般的な製品であるシングルボードコンピューター(SBC)を使用することは、賢い選択であるといえるでしょう。シングルボードコンピューターはコンパクトで使いやすく、エンベデッドビジョンシステムの構築経験があまりない場合にも適しています。

    しかし、一方でシングルボードコンピューターには不要な部品も含まれているため、ムダのないシステムを構築するという点で限界があり、製造の面で経済的ではないことから、製造コストより開発コストを抑えるほうが重視される少量生産に適しているといえます。

    一方、フルカスタム設計を行えば、個別の用途にぴったりなムダのないシステムを開発できますが、システムの構築コストや開発費用がかさむため、大量生産を行う場合に限られます。

    シングルボードコンピューターとフルカスタム設計の折衷案として、市販のSoM(System on Module)に適切にカスタマイズしたキャリアボードを組み合わせる方法もあります(上記「エンベデッドシステムの種類」を参照)。この方法の場合、フルカスタム設計の水準まで製造コストを抑えることは難しいですが(一般的なSoMや特殊なSoMにキャリアボードを組み合わせたシステムはどうしても複雑になります)、大部分のハードウェアがすでにSoMに搭載されているため、少なくともハードウェアの開発コストは低くなります。このような理由から、生産量が中程度で、製造コストと開発コストのバランスを取る必要がある場合は、モジュールを使用する方法がおすすめです。

    エンベデッドビジョンシステムの主な特長

    • ムダのない構造
    • 軽量
    • 不必要なハードウェアがないためコストパフォーマンスが高い
    • 製造コストが低い
    • 消費電力が低い
    • サイズがコンパクト
     
  • エンベデッドビジョンに適したインターフェースとは?

    エンベデッドビジョンシステムは多くの用途に使用されているため、そのデザイン要件も実にさまざまです。Baslerでは、お客様の仕様に合わせてさまざまなセンサー、解像度、インターフェースに対応したカメラを幅広く取り揃えています。

    Baslerの提供する3種類のエンベデッドビジョンシステム用インターフェース

    • USB 3.0:WindowsシステムとLinuxシステム(x86、ARM)に対応しており、プラグアンドプレイで接続可能
    • MIPI対応BCON(Baslerオリジナル):組み込みが簡単で、MIPI CSI-2を通じてLinuxシステム(ARM)に接続するため、ムダのないシステムを構築可能
    • LVDS対応BCON(Baslerオリジナル):LVDSを通じてFPGA搭載システムに接続するため、ムダのないシステムを構築可能

    いずれのインターフェースでもBaslerのpylon SDKがご使用いただけ、インターフェースの移行も簡単です。

    Knowledge Base dart Portfolio

    USB 3.0

    プラグアンドプレイ対応でカメラへの接続が簡単なUSB 3.0は、シングルボードコンピューターに最適なインターフェースです。USB 3.0対応カメラはGenICamなどの一般的な規格に準拠しているため、Baslerのpylon SDKを使用すれば、カメラ(画像、設定など)に一瞬でアクセスできます。

    特長

    • USB 2.0・USB 3.0コネクターを使用してシングルボードコンピューターに簡単に接続可能
    • Raspberry Pi®、NVIDIA社製Jetson TK1など、幅広いシステムへの対応を確認済み
    • 対応する基板を持つSoMに対して高いコストパフォーマンスを実現
    • 最大帯域幅350MB/秒による安定したデータ転送
    Knowledge Base dart BCON Portfolio

    BCON

    BCON(Basler Connectivity)は、既存のエンベデッドシステム向けのデータ転送規格(LVDS、MIPI CSI-2など)に高い信頼性と生産性を誇るマシンビジョン機能を加えたインターフェースです。しかも、マシンビジョン規格(GenICam)に準拠し、pylon SDKも使用できるため、これまでにない運用性を実現しています。

    BaslerカメラのBCON(LVDS対応BCON、MIPI対応BCON)搭載モデルには、フレキシブルフラットケーブル対応の28ピンZIFソケットが付いており、ケーブルを接続することにより、以下のすべてのカメラ機能を使用することができます。

    • D-PHY(MIPI対応BCON)またはLVDS(LVDS対応BCON)による画像転送
    • CCI(MIPI対応BCON)またはI²C(LVDS対応BCON)によるカメラ設定
    • カメラモジュールへの電源供給(5V)
    • カメラの外部トリガー、照明制御などのI/O機能

    MIPI対応BCON

    MIPI対応BCONがあれば、MIPI CSI-2対応のエンベデッドプロセッサーとカメラを直接接続できます。MIPI CSI-2は、MIPI(Mobile Industry Processor Interface)アライアンスが策定したカメラインターフェースで、CSI-2にはCamera Serial Interface of the 2nd generation(第2世代カメラシリアルインターフェース)の意味があります。CSI-2は今やモバイル機器にとって必要不可欠なカメラインターフェースとなっており、携帯電話のカメラモジュールとプロセッサーの接続などの用途に使用されています。ほとんどのエンベデッドプロセッサー(SoCなど)に2つ搭載されているCSI-2は、理想的な帯域幅(最大750MB/秒)を有していることに加え、追加のハードウェアも必要ないことから、BaslerのカメラモジュールdartとSoCを直接接続することができる経済的なインターフェースであるといえます。

    CSI-2は元々民生用携帯電話モジュール向けに開発されたインターフェースですが、これに画像の撮影、カメラの高度な設定といった必要不可欠なマシンビジョン機能を追加し、GenICam規格に準拠させたものがMIPI対応BCONです。

    さらに、Baslerが提供する各種プラットフォームに対応したドライバーとpylon Camera Software Suiteも組み合わせれば、追加の開発コストをかけることなく、dartをプラグアンドプレイのように運用することができます。

    特長

    • Baslerドライバーパッケージをインストールするだけで、dartをスムーズに組み込み可能
    • GenICamに完全準拠
    • pylonの標準的なAPIを使用可能:他のすべてのBaslerカメラと同様に、dartのMIPI対応BCON搭載モデルも共通のAPIを有するpylon SDKに対応しているため、わずか数行のコード変更のみでdartを組み込みできるほか、既存のコードを再利用したり、他のカメラインターフェースやOSを有するシステムからMIPI対応BCONを搭載したLinuxシステム(ARM)にコードをそのまま移植したりすることも可能
    • 開発キットも利用可能
    • 経済的でムダのないデザイン:安価なフレキシブルフラットケーブルでdartのMIPI対応BCON搭載モデルを対象となるSoCのCSI-2入力に直接接続でき、追加のハードウェアも不要
    • 最大帯域幅750MB/秒による安定した信頼性の高いデータ転送

    LVDS対応BCON

    Baslerが開発したLVDS対応BCONがあれば、FPGA(Field Programmable Gate Array)、FPGA搭載のSoC(CPUユニットを組み込んだFPGA)など、LVDS入力を有するプロセッシングプラットフォームにカメラを直接接続することにより、システム全体のムダを大幅に省き、コストを削減することができます。

    Baslerのpylon SDKは、LVDS対応BCONにも対応しているため、pylonのAPIを使用してアプリケーション上で露光時間、ゲイン、ピクセル形式などのカメラ設定を簡単に変更できます。アプリケーションで画像を取得する際には、実際に使用しているハードウェアの影響を受けるため、独立して実行する必要があります。

    特長

    • LVDS接続を通じて画像データをFPGAに直接転送
    • 別途プログラミングを行わなくても、pylon SDKを使用することで、一般的なI²Cバスを通じてカメラを設定可能
    • GenICam規格に完全準拠
    • データプロトコルをオープン形式で総合的に文書化
    • リファレンス実装がセットになった開発キットも利用可能
    • フレキシブルフラットリボンケーブルと小型のコネクターを使用しているため、スペースが限られた用途でも使用可能
    • カメラ上で直接画像処理を行うため、下流側にあるプロセッシングボードのリソースが限られている場合でも高画質の画像が撮影可能
    • 最大帯域幅252 MB/秒による安定した信頼性の高いデータ転送
     
  • エンベデッドビジョンシステムの開発方法とカメラの取付け方法

    エンベデッドビジョンシステムの構築経験があまりない場合でも問題ありません。特に、一般的なマシンビジョンシステムからエンベデッドビジョンシステムへの移行はそれほど難しい作業ではありません。Baslerでは、エンベデッド関連製品以外にも、システム構築を簡単にする多くのツールをご提供しています。

    当社の紹介ビデオをご覧になれば、エンベデッドビジョンシステムの開発方法やカメラの取付け方法についてご理解いただけます。是非ご覧ください。

     
  • エンベデッドビジョンシステムにおける機械学習

    エンベデッドビジョンシステムにおける機械学習

    エンベデッドビジョンシステムでは、ベルトコンベヤーで運ばれてくる丸いビスケットと四角いビスケットの仕分けなど、カメラが撮影した画像を分類する作業がよく発生します。従来までは、ソフトウェア開発者が膨大な時間とエネルギーを費やして、ビスケットの特性の違い(丸か四角かなど)を見分けられるインテリジェントアルゴリズムを開発していました。この例の場合は比較的簡単に思えるかもしれませんが、対象物の特徴が複雑であればあるほど、この作業も難しくなります。

    しかし、機械学習のアルゴリズム(CNN:Convolutional Neural Networkなど)では、何らかの特徴をインプットする必要はありません。丸いビスケットと四角いビスケットの大量の画像を画像の分類に関する情報とともに提供すると、アルゴリズムの側で2種類のビスケットの見分け方を自動的に学習します。また、新しい未知の画像があった場合でも、今までに見てきた画像の「経験」を頼りに、2種類のどちらかに分類します。このアルゴリズムの処理速度は、GPU(Graphics Processing Unit)やFPGAを使用した場合に特に速くなります。

     

Baslerのエンベデッドビジョンシステム用製品

Basler dartのLVDS対応インターフェースBCON搭載モデルとUSB 3.0インターフェース搭載モデル

Basler dartのLVDS対応インターフェースBCON搭載モデルとUSB 3.0インターフェース搭載モデル

エンベデッドビジョンシステムに適したカメラとは?

Baslerが十分な試験を行ったエンベデッドビジョンシステム用の幅広いカメラやカメラモジュールについて、是非ご覧ください。
Baslerエンベデッドビジョンキット

Baslerエンベデッドビジョンキット

お使いのエンベデッドシステムに最適なカメラをお探しなら、Basler dart USB対応モデル評価キット、dart LVDS対応BCON搭載モデル評価キットがおすすめです。

エンベデッドビジョンシステムにおけるカメラの評価や画像処理機能の導入に使用できるBaslerのエンベデッドビジョンキットについて、ぜひご覧ください。
Baslerのエンベデッドビジョンシステム用ソフトウェアpylon

Baslerのエンベデッドビジョンシステム用ソフトウェアpylon

Baslerが実証を重ねて開発したpylon Camera Software Suiteは、エンベデッドビジョン製品での使用に最適な使いやすいSDKを備えています。

エンベデッドビジョンシステム用ソフトウェアpylonの詳細はこちら
エンベデッドビジョンシステム用構成機器

エンベデッドビジョンシステム用構成機器

カメラやCPUボード以外にも、様々な機器で構成されているエンベデッドビジョンシステム。安定したシステムを構築するためには、カメラや用途に合った構成機器を選ぶ必要があります。

レンズ、ケーブル、レンズアクセサリーなど、豊富な製品ラインナップを誇るBaslerのエンベデッドビジョンシステム用構成機器について、是非ご覧くださ。