マシンビジョンにはどのようなハードウェアが含まれていますか?

画像およびマシンビジョン技術を使用した産業オートメーションとインテリジェンスの需要があらゆる分野で広く出現し始めており、マシンビジョンは徐々に産業現場で使用され始めています。

政府の有利な政策に後押しされ、国内のマシンビジョン産業は急速に発展しており、中国はマシンビジョン開発において世界で最も活発な地域の一つになりつつあります。 2025年までに、わが国のマシンビジョン市場規模は246億元に達すると予測されています。マシンビジョンについて詳しく見てみましょう。

マシンビジョンは、画像処理、機械工学技術、制御、電気光源照明、光学画像、センサー、アナログおよびデジタルビデオ技術、コンピュータソフトウェアおよびハードウェア技術（画像強化および分析アルゴリズム、画像カード、I/O カードなど）を含む総合的な技術です。

一般的なマシンビジョンアプリケーションシステムには、画像キャプチャ、光源システム、画像デジタル化モジュール、デジタル画像処理モジュール、インテリジェントな判断および決定モジュール、機械制御実行モジュールが含まれます。

一般的に、マシンビジョンはソフトウェアとハ​​ードウェアを組み合わせた総合的な技術です。画像を処理するソフトウェアと、安定した高品質の画像を提供するハードウェアが必要です。どちらも同様に重要です。開発者として、私はソフトウェア モジュールには精通していますが、ハードウェア システムに関する知識は乏しいです。この記事では、マシン ビジョンのハードウェア関連のリソースを簡単にまとめています。興味のある方は、ぜひご参照ください。

コンテンツ：

1. 産業用コンピュータ

産業用コンピューターは PC ホストとして理解できますが、このホストは画像の取得、処理、および関連する制御とインターフェイスにおいてより強力です。マシンビジョンシステムでは、産業用コンピュータのパフォーマンスがビジョンシステム全体の処理速度と実行時間に直接影響し、ビジョンシステム全体の鍵となります。産業用コンピュータの選択は、次の 4 つの側面から検討する必要があります。

1) サイズ

2) 設置方法

3) 構成

------アプリケーションに応じて適切な構成を選択するだけです。

4) インターフェース

-------ビジョンシステムでは、カメラの数、光源コントローラー、接続方法を決定することが非常に重要です。たとえば、システムに 8 台のカメラがあり、4 つの光源を制御する必要があり、カメラがネットワーク ケーブルで接続され、光源コントローラーに 232 のインターフェイスがある場合、産業用コンピューターのネットワーク インターフェイスとシリアル ポートの数を決定できます。

2. カメラ

2.1 カメラの種類

ドットマトリックスカメラ/エリアマトリックスカメラ

エリアアレイカメラ：ピクセルマトリックス撮影を実現します。カメラで撮影した画像では、画像の詳細はピクセル数ではなく解像度によって決まります。解像度は選択したレンズの焦点距離によって決まります。同じカメラでも、焦点距離の異なるレンズを選択すると解像度が異なります。 画素数で画像の解像度（鮮明さ）が決まるわけではないので、高画素カメラのメリットは何でしょうか？答えはただ1つです。ショット数を減らしてテスト速度を上げることです。

ラインスキャンカメラ：名前の通り「線」の形をしています。これも2次元画像ですが、非常に長いです。長さは数Kですが、幅は数ピクセルしかありません。一般的に、このタイプのカメラは次の 2 つの状況でのみ使用されます。1. 測定対象の視野は細長いストリップであり、主にローラーの問題を検出するために使用されます。

2. 非常に広い視野または極めて高い精度が必要です。 2 番目のケース (非常に広い視野または極めて高い精度が必要) では、励起装置を使用してカメラを複数回励起し、複数の写真を撮影し、撮影した複数の「ストリップ」画像を 1 枚の巨大な画像に結合する必要があります。

したがって、ラインアレイカメラを使用する場合は、ラインアレイカメラをサポートできる取得カードを使用する必要があります。 リニアアレイカメラは高価であり、広い視野や高精度な検出の場合、検出速度が遅くなります。一般的なカメラの画像は400K～1M、合成した画像は数Mのサイズとなるため、当然速度は遅くなります。ゆっくり仕事をすると良い結果が生まれます。上記の 2 つの理由により、ラインスキャン カメラは非常に特殊な状況でのみ使用されます。

CCDカメラ/CMOSカメラ

CCD カメラは、優れた画質とノイズ耐性を提供します。外部回路の追加によりシステム サイズが大きくなり、複製が改善されますが、回路設計者の柔軟性が向上し、特に懸念される CCD カメラの特定のパフォーマンスが向上します。 CCD は、天文学、高解像度の医療用 X 線画像、長時間の露出が必要で画像ノイズに対する厳しい要件があるその他のアプリケーションなど、カメラの性能に対する要件が非常に高いがコスト管理はそれほど厳しくないアプリケーションに適しています。

CMOS カメラには、高収率、高集積、低消費電力、低価格などの利点があります。しかし、画像自体にはノイズが多く含まれています。現在の CMOS テクノロジは進化を続け、初期の欠点の多くを克服し、画質が CCD テクノロジに匹敵するレベルに達しています。

CMOS は、スペース、サイズ、消費電力が少なく、画像のノイズや品質に対する要件が特に高くない場合に適しています。ほとんどの補助照明産業検査アプリケーション、セキュリティ アプリケーション、およびほとんどの消費者向け商用デジタル カメラなど。現在、視覚検査ソリューションでは依然として CCD 産業用カメラが主流となっています。

2.2 解決

カメラが毎回撮影するピクセル数は、通常、光電センサのターゲット面上に配置されたピクセル数に対応します。解像度の選択は、使用シナリオと精度要件に基づいて決定する必要があります。解像度が高ければ高いほど良いというわけではありません。

2.3 ピクセル深度

ピクセルデータあたりのビット数は、一般的に 8 ビット、10 ビット、12 ビットです。解像度とピクセル深度の組み合わせによって画像のサイズが決まります。たとえば、ピクセル深度が 8 ビットの 5 メガピクセルの画像の場合、画像全体は 500 万 * 8/1024/1024 = 37M (1024 バイト = 1KB、1024KB = 1M) になります。ピクセル深度を増やすと測定精度が向上しますが、システム速度が低下し、システム統合の難易度が増します (ケーブルの増加、サイズの拡大など)。

2.4 フレームレート

カメラが画像を収集して送信する速度は、通常、エリア アレイ カメラの場合は 1 秒あたりに収集されるフレーム数 (フレーム/秒)、ライン アレイ カメラの場合は 1 秒あたりに収集されるライン数 (HZ) です。フレーム レートの選択では、キャプチャされる動的なシーンを考慮する必要があります。

2.5 露出

産業用ライン アレイ カメラはすべてラインごとに露光し、固定ライン周波数と外部トリガー同期を選択できます。露光時間はライン サイクルと一致するか、固定時間を設定できます。エリア アレイ カメラには、フレーム露光、フィールド露光、ローリング露光など、いくつかの一般的な露光モードがあります。産業用デジタル カメラは一般に外部トリガー画像取得機能を備えており、シャッター速度は通常 10 ミリ秒に達しますが、高速カメラはさらに高速になります。

2.6 ノイズ

ノイズとは、実際のイメージング ターゲットの外側にある、イメージング プロセス中に収集されることが望ましくない信号を指します。一般的に言えば、ショットノイズは 2 つのカテゴリに分けられます。1 つは、どのカメラにも存在する有効信号によって発生するショットノイズです。もう 1 つは、カメラ自体に固有のノイズで、信号とは関係ありません。これは、イメージセンサーの読み出し回路、カメラの信号処理および増幅回路によって発生する固有ノイズによるもので、カメラごとに固有ノイズは異なります。

2.7 開発インターフェース

カメラを使用したビジュアル プロジェクトの開発には、カメラの制御 (写真撮影、ビデオ録画、保存、パラメータ設定など) が不可欠です。通常、メーカーは制御デモを提供し、開発中に制御機能をプロジェクトに適用する必要があります。

3. レンズ

カメラとレンズは通常、マッチングされます。レンズの選択では、主に画像の表示距離を考慮します。レンズ選択の手順は次のとおりです。

1) 短辺に対応するピクセル数 E = B / C を計算します。カメラの長辺と短辺の両方のピクセル数は E より大きくなければなりません。

2) ピクセルサイズ = 製品の短辺サイズ B / 選択したカメラの短辺のピクセル数

3) 倍率 = 選択したカメラチップのショートフィルムサイズ / カメラの短辺の視野

4) 分解可能な製品精度 = ピクセルサイズ/倍率（C未満かどうかを判断）

5) 対物レンズの焦点距離 = 作動距離/(1+1/倍率) 単位: mm

6) 像面の解像度は1/(2×0.1×倍率) より大きくなければならない。単位: lp/mm

選択したレンズのサポートされている CCD サイズは、カメラの CCD センサー チップのサイズ以上である必要があります。また、取り付けソケットも C、CS、または F タイプのインターフェイスと一致している必要があります。同時に、レンズの作動距離と十分なスペースがあるかどうかも考慮してください。レンズの選択についてまだ不明な点がある場合は、メーカーのテクニカル サポートに問い合わせて、アプリケーション シナリオに基づいて適切なレンズを推奨するようメーカーに依頼できます。

4. 光源

補助光はマシンビジョンにおいて必要な操作です。カメラの露出時間を単純に長くすると、画像のノイズが増加し、画質が低下します。適切な光源を選択する必要があります。光源の選択は、光源ランプと光源コントローラーの 2 つの部分に分かれています。

4.1 光源

マシンビジョンが提供する光源も非常に豊富です。これは、ビジョン業界の用途が広範囲にわたるためであり、理想的な効果を達成するには、特定のプロジェクトに応じて適切な光源を選択する必要があるためです。

一般的な光源ランプの種類は次のとおりです。特定のプロジェクトに応じて選択できます。

4.2 光源コントローラ

光源コントローラは、テスト環境に照明を提供します。通常、指定された出力ポートの点灯と消灯を制御するための開発インターフェイスを提供します。主にカメラと連携して、ソフトウェアに要件を満たす画像を提供します。

5. 物理的環境

マシンビジョンシステムでは、カメラ、光源、テスト対象の配置などの問題を含むテスト環境に対する要件が比較的高く、原則として、安定した高品質の画像セットを提供する必要があります。テスト環境は専門機関によって設計される必要がある場合もあります。実験用のシンプルな環境であれば、実験用ブラケットをオンラインで購入できます。