2026-08-09
一部の画像処理エンジニアは、USBインターフェースを備えた産業用カメラがフレームロスを引き起こすと考えることがよくあります。一般的に、産業用カメラのフレームロスは、USB、1394、GigE、またはCameraLinkなど、産業用カメラが使用する伝送インターフェースとは関係ありません。フレームロスの真の原因は、ドライバーまたは産業用カメラのハードウェアの設計不良です。設計不良の産業用カメラがフレームロスを経験する理由は、実際にはデータチャネルがブロックされ、タイムリーに処理できないためです。したがって、新しい画像が入ってくると、前の画像が強制的に破棄されるか、新しい画像が強制的に破棄される可能性があります。この問題を解決するために、設計者はドライバーと産業用カメラハードウェア間のデータ伝送の各リンクに対して正確な設計を行う必要があります。
画像処理検査技術において、産業用カメラの入出力インターフェースには、Camera Link、IEEE 1394、USB2.0、Ethernet、USB3.0が含まれます。
最初のステップは、適切なレンズを選択することです。レンズの選択は、次の原則に従う必要があります。
CCDカメラを選択する際には、次の側面を考慮する必要があります。
同時に、CCDを選択する際には、25.4mmではなく1インチ=16mmに注意する必要があります。
1.撮像プロセス
CCDおよびCMOSイメージセンサーの光電変換の原理は同じです。それらの主な違いは、信号読み出しプロセスの違いです。CCDは統一された読み出しのために1つ（または少数）の出力ノードしか持たないため、その信号出力の一貫性は非常に良好です。CMOSチップでは、各ピクセルに独自の信号アンプがあり、電荷から電圧への変換を実行し、信号出力の一貫性は低いです。しかし、画像信号全体を読み出すためには、CCDは出力アンプのより広い信号帯域幅を必要とします。CMOSチップでは、各ピクセルのアンプの帯域幅要件は低く、チップの消費電力を大幅に削減します。これが、CMOSチップの消費電力がCCDよりも低い主な理由です。消費電力は削減されますが、数百万のアンプの一貫性のない動作により、固定ノイズが高くなり、これはCMOSのCCDに対する固有の欠点です。
2.統合
製造プロセスの観点から、CCDの回路とデバイスは半導体単結晶材料メーカーに統合されており、プロセスは比較的複雑です。世界には、DALSA、SONY、Panasonicなど、CCDウェーハを製造できるメーカーは数社しかありません。CCDはアナログ電気信号しか出力できないため、後続のアドレスデコーダー、アナログコンバーター、および画像信号プロセッサによる処理が必要です。また、異なる電圧の3セットの電源同期クロック制御回路を提供する必要があり、統合レベルは非常に低いです。CMOSは、金属酸化物と呼ばれる単一の材料に統合されています。このプロセスは、コンピューターチップやストレージデバイスなど、数万の半導体集積回路の製造に使用されるプロセスと同じです。したがって、音場CMOSのコストはCCDよりもはるかに低いです。同時に、CMOSチップは、画像信号アンプ、信号読み出し回路、A/D変換回路、画像信号プロセッサ、およびコントローラーを1つのチップに統合できます。1つのチップだけでカメラのすべての基本機能を実装できます。統合レベルは非常に高いです。これがチップレベルカメラの概念の由来です。CMOSイメージング技術の継続的な発展に伴い、Micron、CMOSIS、Cypressなど、高品質のCMOSイメージングチップを提供する企業が増えています。
3.速度
CCDは感光出力を一つずつ使用し、指定されたプログラムに従ってしか出力できないため、速度が遅いです。CMOSは複数の電荷電圧コンバーターと行列スイッチ制御を備えており、読み出し速度ははるかに高速です。現在、500fps以上のほとんどの高速カメラはCMOSカメラです。さらに、CMOSアドレスストローブスイッチはランダムにサンプリングしてサブウィンドウ出力を実現でき、サブウィンドウ画像のみを出力する場合はより高い速度を実現できます。
4.ノイズ
CCD技術はより早く開発され、比較的成熟しています。PN接合または二酸化ケイ素（SiO2）絶縁層を使用してノイズを分離します。撮像品質は、CMOS光電センサーと比較して一定の利点があります。CMOSイメージセンサーの統合レベルが高いため、コンポーネントと回路の距離が非常に近く、干渉が深刻であり、ノイズは画像品質に大きな影響を与えます。
近年、CMOS回路ノイズリダクション技術の継続的な発展により、高密度で高品質なCMOSイメージセンサーの製造に良好な条件が提供されています。
解像度はカメラの最も基本的なパラメータです。カメラに使用されるチップの解像度によって決まります。チップのターゲット表面に配置されたピクセルの数です。通常、エリアスキャンカメラの解像度は、水平解像度と垂直解像度の2つの数値で表されます。例：1920（H）x 1080（V）。最初の数値は各行のピクセル数、つまり合計1920ピクセルを示し、次の数値はピクセル数、つまり1080行を示します。現在、カメラの解像度は通常、何K（1K（1024）、2K（2048）、3K（4096）など）かを示します。画像をキャプチャする際、カメラの解像度は画像品質に大きな影響を与えます。同じ大きな視野（風景範囲）を撮像する場合、解像度が高いほど、詳細がより明確に表示されます。
カメラのフレームレート/ライン周波数は、カメラが画像を収集する頻度を示します。通常、エリアアレイカメラはフレームレートで表され、単位はfps（Frame Per second）です。たとえば、30fpsは、カメラが1秒あたり最大30フレームの画像を収集できることを意味します。ラインアレイカメラは通常、KHz単位のライン周波数を使用します。たとえば、12KHzは、カメラが1秒あたり最大12,000ラインの画像データを収集できることを意味します。速度はカメラの重要なパラメータです。実際的な応用では、動体物を撮像する必要があることがよくあります。画像を鮮明かつ正確に撮像するためには、カメラの速度が特定の要件を満たす必要があります。カメラのフレームレートとラインレートは、まずチップのフレームレートとラインレートの影響を受けます。チップの最大設計速度は、主にチップが耐えられる最高のクロックによって決まります。
産業用カメラのノイズとは、撮像プロセス中に予期せず収集される信号であり、実際の撮像ターゲットの外にあるものを指します。欧州のカメラテスト規格EMVA1288によると、カメラのノイズは一般的に2つのカテゴリに分類できます。1つはポアソン分布に従う有効信号によって引き起こされる統計的変動ノイズであり、ショットノイズとも呼ばれます。この種のノイズはどのカメラでも同じであり、避けられず、特定の計算式があります。（つまり、ノイズの二乗=信号の平均）。2番目のタイプは、カメラ自体の固有の信号に依存しないノイズです。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などによって引き起こされるノイズです。各カメラの固有ノイズは異なります。さらに、デジタルカメラの場合、ビデオ信号のアナログ変換時に量子化ノイズが発生します。量子化ビット数が多いほど、ノイズは低くなります。
カメラの信号対雑音比は、画像内の信号とノイズの比率（有効信号の平均グレースケール値とノイズの二乗平均平方根の比率）として定義され、画像の品質を表します。画像の信号対雑音比が高いほど、画像品質は向上します。
カメラのダイナミックレンジは、カメラが光信号を検出する範囲を示します。ダイナミックレンジは2つの方法で定義できます。1つは光学ダイナミックレンジであり、飽和時の最大光強度とノイズ出力に相当する光強度の比率を指し、チップの特性によって決まります。もう1つは電子ダイナミックレンジであり、飽和電圧とノイズ電圧の比率を指します。固定カメラの場合、そのダイナミックレンジは固定値であり、外部条件の変化によって変化しません。線形応答の観点から、カメラのダイナミックレンジは飽和露光とノイズ等価露光の比率として定義されます：ダイナミックレンジ=感光素子のフルウェル容量/等価ノイズ信号。ダイナミックレンジは倍数、dBまたはビットで表すことができます。ダイナミックレンジが大きいほど、カメラは異なる光強度に適応する能力が強くなります。
デジタルカメラから出力されるデジタル信号、つまりピクセルグレースケール値は、特別なビット数を持っており、ピクセル深度と呼ばれます。白黒カメラの場合、値の範囲は通常8〜16ビットです。ピクセル深度は、暗から明までのグレースケールの数を定義します。たとえば、8ビットカメラの場合、0は完全な暗を表し、255は完全な明るさを表します。0から5の間の数値は、特定の明るさの指標を表します。10ビットデータは1024グレースケール、12ビットデータは4096グレースケールを持ちます。すべてのアプリケーションで、非常に細かいグレースケールが必要かどうかを慎重に検討します。8ビットから10ビットまたは12ビットにアップグレードすると、測定精度を向上させることができますが、システムの速度も低下し、システム統合の難しさ（ケーブルの増加とサイズの増加）が増加するため、慎重に選択する必要があります。
インターフェースとは、カメラとレンズ間のインターフェースを指します。一般的に使用されるレンズインターフェースには、Cマウント、CSマウント、Fマウントがあります。
上記の計算結果に基づいたラインアレイカメラの選択例を以下に示します。
例：幅が1600mm、精度が1mm、移動速度が22000mm/sの場合、カメラ：1600/1=1600ピクセルは少なくとも2000ピクセルであり、カメラは2kとして選択されます。1600/2048=0.8。実際の精度は22000mm/0.8mm=27.5KHzです。カメラは2048ピクセル28kHzカメラとして選択されるべきです。
スマート産業用カメラは単純なカメラではなく、高度に統合されたマイクロ画像処理システムです。画像取得、処理、および通信機能を単一のカメラに統合し、多機能でモジュール化された、信頼性が高く実装しやすい画像処理ソリューションを提供します。インテリジェント産業用カメラは、一般的に画像取得ユニット、画像処理ユニット、画像処理ソフトウェア、ネットワーク通信デバイスなどで構成されています。最新のDSP、FPGA、および大容量ストレージ技術の適用により、そのインテリジェンスレベルは継続的に向上し、さまざまな画像処理アプリケーションのニーズを満たすことができます。
画像処理で使用される2つの主なタイプの光電センサーチップは、CCDチップとCMOSチップです。CCDはChargeCoupled Deviceの略で、CMOSはComplementary Metal-Oxide-Semiconductor T
