マシンビジョンシステム設計の手引：カメラ/プロセッサ選択のポイントを解き明かす（2/5 ページ）

製造ラインでの検査システムをはじめ、車の自動走行システム、監視カメラシステムなど、マシンビジョンシステムの応用範囲が広がりつつある。こうしたシステムの設計において重要となるのが、その主たる構成要素であるカメラ、プロセッサを正しく選択することだ。

[Richard A. Quinnell，EDN]

カメラの選択

　3つの要素の中でも、マシンビジョンシステムの機能を実現するために特に重要なのはカメラである。その性能により、システムが識別可能な精細度のレベル、つまりは解像度が決定する。また、システムが画像データを生成する速度であるフレームレートと画像の取得にかかる時間であるシャッタ速度の上限もカメラによって決まる。

　フレームレートは、制御システムがどれだけ迅速に更新内容を取得できるかという性能を左右する。一方のシャッタ速度は物体の移動速度に関係し、それによってその物体を認識できるか否かが決まる。つまり、例えば自動製造システムにマシンビジョンシステムを応用した場合であれば、その製造スループットはフレームレートやシャッタ速度に依存することになる。

　一般にマシンビジョンシステムのカメラには、アナログカメラかデジタルカメラのいずれかが利用される。そこで、以下ではそれぞれのカメラの特徴について考えてみる。

・アナログカメラ

　ハイエンドなアナログカメラの多くは、一般のテレビ放送の規格に沿った画像を生成するように設計されている。つまり、フレームレートや解像度の面での選択肢はあまり多くない。しかし、インターネットビデオの出現により、解像度が従来とは異なる低コストのアナログカメラも製造されるようになってきた。そうしたカメラの解像度は、多くの場合、VGAかそれ以下である。この種のカメラは、コスト制約が厳しい用途には適しているかもしれないが、その性能は限定されている。加えて、マシンビジョンシステムにアナログカメラを用いる場合、処理対象の画像を取得（キャプチャ）するためのデジタル化の仕組みが別に必要になる。一般に、このデジタル化の機能はフレームグラバー（frame grabber）の一部として構成される。

・デジタルカメラ

　デジタルカメラは本質的にデジタル処理システムであるため、外付けのフレームグラバーを必要としない。さらに、必ずしもビデオ標準規格で定められた解像度やフレームレートにのっとって設計しなくてもよいという利点もある。デジタルカメラは、携帯電話機にも搭載されるなど、民生機器分野で広く普及した。それにより、価格も低下した。また、デジタルカメラには多くの種類があり、解像度と最大フレームレートをパラメータとして選択することも可能である。こうした理由から、多くのマシンビジョンシステムでは、デジタルカメラがその「目」として使用されている。

　デジタルカメラを選択する際には、注意すべき点がある。それは、さまざまなトレードオフについてだ。そのうち最も重要なものは、解像度とフレームレートのトレードオフである。一般的に、カメラの解像度が高いほど、実現可能なフレームレートは低くなる。このトレードオフは、デジタルカメラのイメージセンサーの動作原理に起因する。

　デジタルカメラのイメージセンサーには、一般にCCD（charge coupled device：電荷結合素子）が用いられている。図1に示すように、CCDはシリコン基板上に並べられた光検知用のセル（画素またはピクセルと呼ばれる）の列が、検出した電荷を転送するセルに接続され、行と列から成る配列を形成するという基本構造を持つ。配列に光が当たると、画素に電荷が生成される。コマンド信号により、この電荷（アナログ量）が画素から図1の青枠で囲まれた転送用の配列へと移動し、バケツリレー方式でその配列内を伝わって、デジタル値を出力する電荷センサーへと移動する。VGA解像度から1000万画素以上までのCCDに、このような配列形状が採用されている。

図1　CCDの構造　デジタルカメラのイメージセンサーには、一般にCCDが用いられている。青色で囲まれた部分はアナログ値を順次転送する役割を果たす。通常は画像データを1ピクセルずつ出力するため、解像度と実現可能な最大フレームレートは互いに依存する（提供：米Imperx社）。

　多くのデジタルカメラのCCDには電荷センサーが1つしか存在しない。そのため、CCDからの出力は1度に1ピクセルずつとなる。この制限により、カメラのフレームレートと解像度は依存関係を持つ。また、電荷の転送速度の上限はCCDの製造プロセスに依存する。従って、同じ製造プロセスのCCDにおいては、配列が大きいほどフレーム全体を読み出すために要する時間が長くなる。

　しかし、このトレードオフは避けられないものではない。複数の電荷センサーを持つCCDを使えばよいのである。この種のCCDは、並列に読み出せるブロックに配列を分割することにより、達成可能なフレームレートを向上させている。しかし、互いに独立したブロックから1つの画像を生成できるようにするには、電荷からデジタル値への変換の部分に複雑な制御を行うシステムが必要になる。そのため、このようなCCDは多くの場合高価である。

　そのほかに、CCDの全配列領域からデータを取得するのではなく、一部分だけからデータを取得するモードを備えている例もある。カメラにこの機能がある場合、CCDの制御システムは配列全体から値を取得する必要はなく、出力したい画像領域を指定すればよい。この手法を用いると、画像サイズは小さくなるものの、フレームレートを高めることができる。