マシンビジョンにおけるフレームグラバーの機能と応用

機械視覚技術は、産業生産検査、医療、交通輸送、その他の分野で広く利用され、自動化と知能化の実現を支援しています。機械視覚システム全体は、主に画像取得と画像処理の2つのモジュールに分けられ、フレームグラバーは画像データ取得部と処理部とのインターフェースとして機能し、重要な役割を果たしています。

機械視覚システムにおいて、画像取得部は主に産業用カメラ、産業用レンズ、照明システムで構成されており、画像処理部は画像処理ソフトウェアによって実現されます。フレームグラバーは、産業用カメラ（ビデオソース）とコンピュータ（ソフトウェア）との間のインターフェースとして理解されます。フレームグラバーによって取得された画像は、コンピュータやその他のプロセッサによって処理されます。

I. フレームグラバーの原理

まず、カメラと光学系で「撮影」される現実世界の特定部分が光学信号として機能します。次に、CCDまたはCMOSチップがこの光学信号を電気信号に変換します。カメラは特定の形式またはプロトコルでビデオ信号をフレームグラバに出力します。各画素はグレーレベルの形式で光の強さを個別に表します。これらの光強度値はCCDまたはCMOSチップのマトリクスから転送され、メモリ内のマトリクスデータ構造に保存されます。フレームグラバはこの転送の中間役を果たします。

II. フレームグラバの一般的なパラメータ

1.  A/D変換： フレームグラバはアナログ信号をデジタル信号に変換でき、マシンビジョンシステム全体の画像取得作業において重要な役割を果たします。マシンビジョンシステムでフレームグラバが行うこのアナログからデジタルへの変換はA/D変換と呼ばれ、変換を実行する対応するコンポーネントはA/Dコンバータと呼ばれます。

2.  サンプリングレート: サンプリングレートは、フレームグレッバーが画像を処理する際の速度と能力を反映します。画像取得中は、フレームグレッバーのサンプリングレートが要件を満たしているかに注意を払う必要があります。

3.  オンボードフレームバッファ（解像度）： これはグレッバーがサポートできる最大ピクセル配列を決定し、その解像度性能、つまりサポート可能な最大カメラ解像度を示します。

4.  伝送チャネル数： グレッバーが複数のカメラから同時に画像を取得できる能力。実際の応用においては、複数のビジョンシステムが同時に動作して生産効率を確保する必要がある場合があります。したがって、システム運用のニーズを満たすために、フレームグレッバーは複数のカメラに対して同時にA/D変換を行う必要があります。現在市場に出回っているグレッバーの一般的な伝送チャネルオプションには、シングルチャネル、デュアルチャネル、クワッドチャネルなどがあります。

III. フレームグレッバーの分類

1.  入力信号タイプに基づく： アナログフレームグラバーとデジタルフレームグラバーがあります。一般的に言及されるGigEカードやUSBフレームグラバーは、デジタルフレームグラバーの一種です。

2.  機能に基づく分類： 単純な画像取得機能のみを持つグラバーと、画像処理機能を内蔵したグラバーがあります。画像処理アルゴリズムの継続的な発展、画像ワークステーション、GPU技術およびスマートカメラの進歩に伴い、画像処理機能を内蔵したグラバーの存在空間は縮小しており、その画像処理機能もますます単一化しています。

Iv. フレームグラバーの選定

フレームグラバー選定の際に考慮すべき要因：

1. シグナルインターフェースタイプ： カメラとフレームグレッバーのビデオ信号インターフェース（種類）は一致している必要があります。すなわち、アナログ信号はアナログフレームグレッバーに接続され、デジタル信号はデジタルフレームグレッバーに接続されます。信号インターフェースには、アナログ信号インターフェースとデジタル信号インターフェースがあります。アナログ信号インターフェースには、BNC、RCA（フォノ端子）、S-Videoがあります。デジタル信号インターフェースには、CameraLink、ギガビットイーサネット（GigE）、CoaXPress（CXP）、CLHS、USB 3.0および2.0などがあります。

2. サンプリングフレームレート： グレッバーのデータサンプリング周波数 ≥ カメラのデータ出力周波数。グレッバーのデータサンプリング周波数が満たすべき条件は、以下の式で計算できます：

アナロググレッバーの場合：ポイント周波数 ≥ 1.2 × R × FPS

デジタルグレッバーの場合：ポイント周波数 ≥ カメラのポイント周波数

注：Rはカメラの解像度、FPSはカメラのフレームレートです。

3. ソフトウェア開発キット（SDK）： 選定されたフレームグラバは、安定性が高く、シンプルで使いやすく、パワフルかつポータブルなSDKを備えている必要があります。さらに、製品ラインアップがしっかり確立されており、アップグレードが容易であることが求められます。