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カメラ選び: お使いの画像処理システムに合ったカメラの選び方とは?

さまざまな選択肢が絡み合うジャングルの中で迷子になっていませんか?

画像処理システムの開発という課題に直面した時、星の数ほど存在するカメラモデルとその特性、便利機能、対応用途を前にどれを選ぶべきか分からず、ジャングルの中で迷子になったような気持ちになることがあります。

そのような場合に頼りになるのがガイドです。茂みの中に道を切り開き、お使いのビジョン用途に合ったカメラを決定するという旅の目的地に導いてくれる者が必要になります。

当社がカメラ選びに関するすべてのポイントについて段階を追ってご説明し、ご希望の要件を満たす最適なカメラが一度で見つかるよう、お手伝いをさせていただきます。

まず、どのようなカメラを求めているのかを明確にしていきましょう。次の2つの質問にお答えください。

  • カメラを使用して撮影したいものは何ですか?
  • それを正確に撮影するためにカメラに必要な機能は何ですか?

この2つの質問に対する回答から、以下のいずれのカメラが適しているかが分かります。

ネットワーク(IP)カメラ
ネットワーク(IP)カメラ
産業用(MV)カメラ
産業用(MV)カメラ

決定事項その1:ネットワークカメラと産業用カメラ

画像処理システム用カメラは、産業用(マシンビジョン)カメラとネットワーク(IP)カメラの2つに分けられます。

映像を記録するネットワークカメラは、従来の監視用途や産業用カメラと組み合わせて使用されることが多く、以下のような特徴があります。

  • 過酷な天候に耐えられるように開発された丈夫なハウジングを持っており、屋内外での使用に適している、
  • 日中・夜間モード、特殊な赤外線フィルターといったさまざまな機能により、非常に暗い場所や悪天候でも優れた画質を発揮する。
  • 画像を圧縮して記録することで、データ容量をカメラに保存できる大きさに抑える。ネットワークに接続されているため、カメラにアクセス可能なユーザー数に理論上の制限がない。

これとは対照的に、産業用カメラの特徴には以下のようなものがあります。

  • 画像を圧縮していない状態(生データ)で直接コンピューターに送った後、コンピューター側で比較的容量の大きいデータを処理するため、画像情報が失われないというメリットがある。
  • エリアスキャンカメララインスキャンカメラの2種類があり、用途に応じて異なる方法で撮影を行う。

備考:エリアスキャンカメラとラインスキャンカメラの撮影の仕組み

エリアスキャン

  • エリアスキャンカメラには長方形のセンサーが搭載されており、多数あるピクセルのラインを同時に露光させるため、1回の撮影で画像データを記録し、画像処理も同様の方法で行います。
  • エリアスキャンカメラは一般的に工業や医療・ライフサイエンス、交通・輸送、セキュリティ・監視など、さまざまな用途においてネットワークカメラをサポートするために使用されています。

ラインスキャン

  • これとは対照的に、ラインスキャンカメラにはピクセルのラインが1~3本しかありません。画像データはラインごとに撮影され、画像処理の段階で個別のラインを全体画像として再構成します。ここで問題となるのが、用途とその要件に応じてエリアスキャンカメララインスキャンカメラをどのように使い分けるかということです。
  • 一方、ラインスキャンカメラは、ベルトコンベヤー上を高速で次々に流れていく製品の検査に幅広く使用されており、主な用途として印刷や選別・包装、 飲料・食料品のほか、あらゆる種類の表面検査などがあります。
エリアスキャン
ラインスキャン

ネットワークカメラ

  • ネットワークカメラは、海運会社の工程管理から梱包システム、ビル・交通の監視システムに至るまで、さまざまな監視作業に使用されており、銀行やカジノ、企業の事業所、公共施設、さらには港や貨物ターミナルの物流・輸送センターなどに主に設置されています。
ネットワークカメラ

決定事項その2:モノクロカメラとカラーカメラ

モノクロカメラとカラーカメラのいずれを使用するかは比較的簡単な問題で、評価作業にカラーの画像が必要なのか、それともモノクロで十分なのかなど、どのような画像を必要としているかで決まります。必ずしもカラー画像が必要でない場合は、感度が高くて細かい部分まで撮影できるモノクロカメラがおすすめです。高度道路交通システムなどの多くの用途では、モノクロカメラとカラーカメラを組み合わせて使用することが多く、その国の法的要件に応じて証拠資料として使える画質の画像を撮影しています。

決定事項その2:モノクロカメラとカラーカメラ

決定事項その3:センサーの種類、シャッター方式、フレームレート

決定事項その3:センサーの種類、シャッター方式、フレームレート

ここではCMOSセンサーCCDセンサーの中から適切なセンサーを決定するとともに、シャッター方式としてグローバルシャッターまたはローリングシャッターを選んだ後、フレームレートについても検討していきます。フレームレートとは、連続撮影の際にカメラが1秒間に撮影可能な画像数のことです。

センサーの種類

備考:CCDセンサーとCMOSセンサー

CCDセンサーとCMOSセンサーの基本的な違いは、その技術的構造にあります。

CMOSチップには、光(正確には光子)を電気信号(電子)に変換する電子回路がセンサー面に直接搭載されているため、画像データを素早く読み取って高速で撮影することができ、柔軟なデータアクセスが可能になります撮影の幅が広がります。CMOSセンサーは、一眼レフカメラなどの一般消費者向けのカメラに非常に多く使用されています。

一方、CCDセンサーは、センサー面全体で光を捉えます。変換を行う電子回路がセンサー面に搭載されていないため、ピクセルを配置できる面積が広く、集光量も多くなっています。このことから、CCDセンサーは光感度が非常に高く、天体観測など暗い場所で撮影を行う用途に非常に効果的です。また、その構造や画像データの転送・処理方法から速度に限界があるものの、速度を求められない用途では優れた画質を発揮します。

CMOSセンサーは長年にわたって技術が進化した結果、現在ではほぼすべての画像処理用途に使用できるようになりました。CMOSセンサーには以下のような特徴があります。

  • コストパフォーマンスが優れている
  • 解像度が高い
  • 省電力
  • 量子効率が優れている

以上のことから、従来はCCDセンサーが主に使用されていた分野にもCMOSセンサーが進出するようになりました。現世代のCMOSセンサーは、画質を損なうことなくフレームレートを向上させているという点が特に大きな魅力となっています。

CMOSエリアスキャンセンサーとCCDセンサー
CMOSエリアスキャンセンサーとCCDセンサー

シャッター方式

シャッター方式

単純なことではありますが非常に重要なポイントとして、用途に合ったシャッターを選ぶことも必要不可欠です。シャッターはカメラ内にあるセンサーから入射光を遮り、露光の瞬間のみ開きます。設定した露光時間により、適切な光の「量」がカメラに入り、シャッターが開いている時間が決まります。グローバルシャッターとローリングシャッターの違いは、その露光の方法にあります。

備考:グローバルシャッターとローリングシャッターの仕組み

グローバルシャッタ

グローバルシャッターは一度開くだけでセンサー面全体に光が当たるようになっており、フレームレートに応じて動いている物に対して次々に露光を行います。交通・輸送、物流、印刷物の検査など、高速で動いている物を撮影する用途にはグローバルシャッターが最適です。

ローリングシャッタ

一方、ローリングシャッターは画像に対して1ラインずつ露光を行います。設定した露光時間によっては露光時に対象物が動き、ローリングシャッター現象と呼ばれる歪みが生じることがあります。しかし、動いている物を撮影する用途であるという理由のみで、ローリングシャッターを選択肢から外す必要はありません。多くの場合、露光時間を適切に設定し、外部フラッシュを使用することでこの現象を防止することができます。

ラインごとに露光を行う様子を示した図。ローリングシャッターは同時露光ではなく、1ラインずつ露光を行います。
シャッター方式の詳細については、当社のホワイトペーパー 「2種類の露出方法の機能および特徴(シャッタータイプ)」をご覧ください。
ラインごとに露光を行う様子を示した図。ローリングシャッターは同時露光ではなく、1ラインずつ露光を行います。

フレームレート

ラインスキャンカメラでは、1秒当たりのフレーム数を表す「フレームレート(fps)」と同じ意味で「ラインレート」または「ライン周波数」という用語も使用されます。

フレームレートセンサーが1秒当たりに撮影・転送可能な画像数を示したもので、その値が大きいほど、センサーも高速になります。センサーが高速だと、1秒間当たりに撮影可能な画像数も増え、画像数が増えると、データの容量も大きくなります。

印刷画像の検査やカメラの下を高速で通過する新聞の検査など、高速で移動している物を撮影する用途では、ミリ秒単位の「撮影」がカメラに求められます。
印刷画像の検査やカメラの下を高速で通過する新聞の検査など、高速で移動している物を撮影する用途では、ミリ秒単位の「撮影」がカメラに求められます。
高速検査は、高いフレームレートが求められない医薬業界の顕微鏡検査とは大きく異なります。
高速検査は、高いフレームレートが求められない医薬業界の顕微鏡検査とは大きく異なります。
エリアスキャンカメラでは、インターフェースの種類やフレームレートの大きさ(10fpsのような低速か、340fpsのような高速か)によって、対応可能なデータ容量が大きく異なります画像の容量が大きく異なってきます。どれぐらいのフレームレートなら撮影可能か、またはどれぐらいのフレームレートが必要となるのかは、画像処理システムのカメラで撮影する対象物によって決まります。 エリアスキャンカメラでは、インターフェースの種類やフレームレートの大きさ(10fpsのような低速か、340fpsのような高速か)によって、対応可能なデータ容量が大きく異なります画像の容量が大きく異なってきます。どれぐらいのフレームレートなら撮影可能か、またはどれぐらいのフレームレートが必要となるのかは、画像処理システムのカメラで撮影する対象物によって決まります。

決定事項その4:解像度、センサー、ピクセルサイズ

 解像度

解像度

例えば、お使いのカメラの仕様に「2048×1088」と記載されている場合、一体何を表しているか分かりますか?

この数値は1ライン当たりのピクセル数を示しています。この例の場合は、横のラインに2048個、縦のラインに1088個のピクセルが存在しており、互いをかけ合わせると2,228,224ピクセル、つまり、2.2メガピクセル(1メガピクセルは100万ピクセルで、略してMPと表記します)の解像度を持っていることになります。

お使い用途に必要な解像度は、簡単に算出することができます。

解像度= 対象物の大きさ/撮影したい部分の大きさ

備考:必要な解像度の決定方法

例えば、指定した場所に立っている身長約2mの人間の目の色を高い精度で撮影する必要があるとします。

解像度= 身長/目の細部=(2,000mm)/1mm=2,000ピクセルの2乗=4MP

→1mmの大きさまで鮮明に判別するには、4メガピクセルの解像度が必要となります。

備考:必要な解像度の決定方法

センサーとピクセルサイズ

事実その1:
まず簡単な理論として、センサーが大きくてピクセル面が広いとより多くの光を取り込むことができます。センサーが画像データを生成・処理するために使用する信号が光です。ここまでは非常に簡単です。続きをご説明します。特に3.5um以上の大きなピクセルの場合は、光を受ける面が広くなり、信号対ノイズ比(SN比)も改善します。SN比が大きくなるほど画質は向上し、SN比が42dBあれば画質は安定すると考えられています。

事実その2:
センサーが大きいとより多くのピクセルを配置できるスペースができるため、解像度も高くなります。面積が狭くて小さなピクセルしか使用できない小型センサーとは異なり、大型センサーでは各ピクセルが良好なSN比を確保できるだけの大きさを持っているという点がここで大きなメリットとなります。

事実その3:
たとえ大型センサーに大きなピクセルを多く配置して使用したとしても、適切なレンズを取り付けていなければ意味がありません。センサーの性能を最大限まで引き出すには、センサーが持つ解像度を表示できる適切なレンズを組み合わせる必要があります。

事実その4:
大型センサーは面積が広いため、それだけ使用するシリコンの量も多くなり、結果としてコストがかさみます。

決定事項その5:インターフェースとハウジングの大きさ

インターフェース

インターフェース

インターフェースはカメラとコンピューターの橋渡し役として、画像データをハードウェア(カメラセンサー)からソフトウェア(画像を処理する構成機器)に転送します。お使いの用途に最適なインターフェースを見つけるには、さまざまな要素を検討しながら性能、コスト、信頼性のバランスを取らなければなりません。

お使いの用途の要件に応じて、Camera Link, GigE、USB 3.0の中から、画像データをカメラからコンピューターに迅速、鮮明かつ安全に転送するために最適な特性を持つインターフェースを選ぶことができます。
お使いの用途の要件に応じて、Camera Link, GigE、USB 3.0の中から、画像データをカメラからコンピューターに迅速、鮮明かつ安全に転送するために最適な特性を持つインターフェースを選ぶことができます。

備考:インターフェース規格の種類

GigE Vision、USB3 Vision、Camera Link

現在幅広く使用されているインターフェース規格としてGigE VisionUSB3 VisionCamera Linkがあり、カメラインターフェースと各規格に対応した構成機器やアクセサリーとの互換性が保証されています。各インターフェースは帯域幅、複数のカメラの設置、ケーブル長など、特定の要件を満たすように開発されています。

FireWireUSB 2.0は、古いうえに性能に限界があるため、現在の画像処理システム用インターフェースとして簡単におすすめできるものではなくなりました。

インターフェースの比較
インターフェースの比較

ご要望に合うインターフェースが分からない場合は、

インターフェース選びをサポートする当社のインターフェースアドバイザーが便利です。

各インターフェースについて詳しく知りたい場合は、

当社のホワイトペーパー「産業用マシンビジョンに一般的に使用されているデジタルインターフェースの比較」をダウンロードしてください。

ハウジング

カメラのハウジングの大きさは、インターフェース選びにも直接かかわってくるもので、ビジョンシステムの構築全体に大きな影響を与えます。特に対象物の全体像を撮影するためにカメラを隣り合わせて設置(複数のカメラを設置)する用途では、わずか1mmのスペースでも重要になります。

複数のカメラを設置する場合は、ハウジングの大きさが特に重要になります。
複数のカメラを設置する場合は、ハウジングの大きさが特に重要になります。
例えば、Baslerでは、Basler aceのように29mm×29mmのコンパクトなカメラからBasler sprintシリーズのように非常に大きな(ラインスキャン)センサーを搭載した大型カメラまで、幅広い製品ラインナップを取り揃えています。
例えば、Baslerでは、Basler aceのように29mm×29mmのコンパクトなカメラからBasler sprintシリーズのように非常に大きな(ラインスキャン)センサーを搭載した大型カメラまで、幅広い製品ラインナップを取り揃えています。

決定事項その6:カメラの便利機能

Baslerのすべてのカメラには、画質補正や画像データの効果的な評価、工程管理の精度向上をサポートする主要機能が搭載されています。詳細については、各カメラモデルの全機能を網羅した当社の機能チェックリストをご覧ください。

画像処理システムを構築する際には、多くの場合で以下の3つの機能を検討する必要があります。

AOI(関心領域)

フレーム内の特定の関心領域を選べる機能のことで、一度に複数のAOIを設定することも可能です。AOIには、フレーム内で画像の評価にかかわる部分のみを指定して処理することで、カメラデータの読み出し速度を向上させるというメリットがあります。

自動機能

Baslerのカメラには、自動機能が数多く搭載されています。例えば、自動露光補正と自動ゲイン制御は、周囲の環境の変化に応じて露光時間とゲイン値を自動的に調節することで、画像の明るさを常に一定に保ちます。

シーケンサー

シーケンサーは特定の順番で画像を読み出す際に使用されます。例えば、さまざまなAOIをシーケンサーにプログラムすることで、自動的に指定した順番で画像を読み出します。

旅の終わりに

目的地はもうすぐそこです。さまざまな要件や構成機器が存在するジャングルの中で道筋を見つけ出し、必要な決定を行いながら探索を行ってきましたが、ついに最適なカメラを見つけるという最後の課題をクリアしました。

旅の終わりに

Basler カメラセレクター

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もう何も恐れることはありません。Baslerカメラセレクターでは、エリアスキャンカメラ、ラインスキャンカメラ、ネットワークカメラなど、ご要望にぴったり合った理想的なカメラ選びをサポートしています。

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