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カメラによる撮影からホストコンピューターでの結果表示に至るまで、画像処理にはさまざまな工程がありますが、なかでもフレームグラバーによる前処理は非常に重要な役割を果たしています。用途に応じて画像データを最適化し、転送時のロスを効果的に防止すれば、後続の処理を含め、システム全体の運用をスムーズに行うことができます。
前処理を行う目的は、画像内の見えにくい部分や後続の処理（範囲設定、セグメンテーション、特徴抽出など）に必要な部分を強調して可視化することにより、最終的なホスト側の負荷を軽減することにあります。また、通常の前処理では、生画像に対して関心領域（ROI）の設定、JPEG圧縮などを行いますが、これらにはついては後ほど解説します。
前処理の具体的な内容は、カメラセンサーの撮像性能に大きく異なります。簡単操作のFPGA画像処理開発環境VisualAppletsを使用して画像の前処理・全般処理にかかわる機能を実装し、フレームグラバーのFPGA上またはカメラ、ビジョンセンサーをはじめとするビジョンハードウェア上で各種処理を行えば、リアルタイムな撮影が可能なエンベデッドシステムを構築できます。
フレームグラバーを必要としないインターフェース（USB3 Vision、GigE Visionなど）やエンベデッド構造を採用しているシステムの場合、カメラ（センサー）の内部で直接前処理を行うことができます。あらかじめカメラ側でデータ容量を減らしておけば、転送や解析にかかる時間が少なくなり、システム全体の効率化にもつながるため、特に帯域幅が狭いGigE Vision対応システムや処理能力が低いエンベデッドシステムでは、前処理が必要不可欠になります。
Baslerカメラには、デベイヤリング、カラーアンチエイリアシング、シャープネス、ノイズ除去をはじめとする前処理機能が内蔵されており、細かい部分まで鮮明でノイズの少ない画像を撮影することが可能です。さらに、プログラマブルフレームグラバーを導入し、フィルター処理、色空間の変換といった高度な前処理を行えば、CPU負荷の軽減にもつながります。
CoaXPress、Camera Link、Camera Link HSをはじめとする多くのインターフェースでは、膨大な量のデータをリアルタイムに転送するためにフレームグラバーが使用されます。FPGA上で直接処理を行うフレームグラバーには、デベイヤリング、ルックアップテーブル（LUT）、ミラーリングなどの機能が搭載された標準的なモデル以外にも、以下のような幅広い前処理が可能なプログラマブルフレームグラバーがあり、個別の要件に応じて柔軟な活用が可能です。
実際の処理能力にもよりますが、VisualAppletsに対応したビジョン機器であれば、上記のような前処理機能を実装できます。前処理により撮影速度を向上させれば、これまでにない新たな用途の開拓にもつながります。また、回路やタイミングに関する専門知識が求められないため、アプリケーションエンジニアやソフトウェアエンジニアによるFPGA開発が可能であることも、VisualAppletsの大きな特長であるといえます。
VisualAppletsでは、一般的な前処理だけでなく、ほかにも数多くの処理が可能です。例えば、セグメンテーション（領域分割・背景分離）と分類（領域の面積、輪郭線の長さ、バウンディングボックスの座標などにもとづくラベル付け）を行うブロブ解析。この機能を前処理に組み込んでおけば、画像をデータとして保存する前に大部分のセグメンテーションが完了します。
センサーの高速化・大型化・カラー化に伴い、カメラからフレームグラバーに転送される画像データの容量は増加傾向にあり、最近では4チャネルで5GB/秒の速度を誇るCXP-12をはじめ、広帯域幅に対応した高速インターフェースも登場しています。データ容量を大幅に削減したいなら、JPEG圧縮が効果的です。例えば、自動車のレーザー溶接の場合、カメラからフレームグラバーへのデータ転送に必要な速度が100MB/秒から5MB/秒まで減少します。画像1枚当たりのデータ容量が少なくなれば、フレームレートの大幅な向上にもつながります。なお、帯域幅を有効に活用したい場合は、カメラ側でJPEG圧縮を行うとさらによいでしょう。
信号処理によるカメラトリガー、照明、アクチュエーターの制御だけでなく、デジタルI/Oインターフェースを介したセンサーの評価も行うフレームグラバーなら、高度なループ制御を行ったり、前処理に各種機能を組み込んだりすることも可能です。例えば、前処理の一環として露光時間を測定すれば、照明やカメラトリガーの制御精度を向上させることができます。
高度なアルゴリズムの処理速度の向上、撮影工程の改善、高解像度・高速転送による画像解析の精度・安定性の確保、カメラの帯域幅の有効利用によるホスト側CPU・解析ソフトウェアの負荷軽減を含め、画像の前処理には多くのメリットがあります。
VisualAppletsがあれば、ハードウェアプログラミングの知識がなくても、エンドユーザー側でFPGAによる前処理を簡単に行うことができるため、将来的に撮影要件が変更になった場合、新たに設備投資をしなくても、既存のカメラ、フレームグラバー、その他ビジョン機器を流用し、その機能を拡充するだけで済みます。
