マシンビジョン インターフェースの概要

10GigEインターフェースを備えることのメリット:

• GigE Visionは、データセンターおよびITインフラストラクチャ向けの転送データ規格を基盤としています。 つまり、核となっている技術が、Google、Cisco、IBM、IntelといったイーサネットITビジネスの中心にいる企業によって、継続的に改善され強固なものになっているということです。

• GigE Visionに準拠したソフトウェアとハードウェア機器は広く世に出回っているため、ネットワーク全体の統合が極めて容易です。それにより、マシンビジョンアプリケーション向けの優れた拡張性と柔軟性を得やすくなります。

• フレームグラバーが不要です。大半のシステムが、標準的なネットワークアダプタカードを使ってGigEや10GigEをサポートしています。 これらは安価で多くのベンダーから入手できるため、システムコストの削減に寄与します。

• ケーブルや保守のためのコストも削減できます。 GigEケーブルは、ITハードウェアを扱う店舗で容易に入手できます。Tケーブルやその他のネットワークコンポーネントは交換も簡単で 保守の手間が少ないため、在庫を少なくすることができます。

• 長いケーブル長での運用が可能です。 10GigE接続には、標準的なツイストペアの銅線ケーブル（Cat 6、Cat 6e、Cat 6a、Cat 7）がすべて使用可能です。Cat 6とCat 6eは最大55 m、Cat 6aとCat 7は最大100 mの長さのケーブルに対応します。

• GenICamに基づいているため、プログラマが一貫性を保ちやすく、標準ピクセル形式を利用でき、GenICamベースの他のインターフェースとの相互運用性が向上します。

• 10GigEとGigE Visionは複数映像のストリーミングに対応しているため、同一のインターフェースを使用して2つ以上の映像の並列ストリーミングを行うことが可能です。特に、マルチセンサーカメラやマルチプロセッサアーキテクチャにおいて実用的な機能です。

• GigE Vision 2.0規格にとって不可欠な要素であるPrecision Time Protocol（IEEE 1588）をサポートします。マシンビジョンアプリケーションでの複数のカメラシステムの使用が増え続ける中、アプリケーション内のさまざまなビジョンコンポーネントと非ビジョンコンポーネントとの間の正確な同期は、ジッターやその他の非同期効果を最小限に抑えるうえで重要な役割を果たします。それを実現するのがPrecision Time Protocol（PTP）です。

• ネットワークのオートネゴシエーションをサポートする形で実装できます。 これにより、10GigEでの1000BASE-T（1 Gbps）とNBASE-T （2.5および5 Gbps）との後方互換が可能になるため、ユーザーがさらに高速なGigEに移行しやすくなります。

課題

• すべてのGigE Visionインターフェースが、IPネットワーク構成に関連したレイテンシの問題を抱える可能性があります。低レイテンシと低ジッターは、高速かつリアルタイムのアプリケーションにとって極めて重大なものとなり得ます。ホストコンピュータやリソース共有（バス、メモリ、CPU、OS、イメージングコア、グラフィックライブラリ間での共有）に焦点を絞ったネットワーク最適化によってレイテンシの問題は最小化できますが、完全に排除できるわけではありません。

• ネットワークの複雑さやネットワークの帯域幅制限に、多少なりとも対処する必要があります。たとえば、マルチカメラのアプリケーションには必ずIPアドレスを割り当てなければなりません。これは真の「プラグアンドプレイ」モデルとは正反対です。 加えて、マルチカメラのアプリケーションでのネットワーク帯域幅の共有では、複雑なパケット遅延設定が必要な場合や、高速アプリケーションをサポートするための十分な帯域幅がない場合もあります。

• 新しいマルチストリームカメラは、サードパーティのソフトウェアツールで完全にはサポートされていない場合があります。マルチストリーミングはGigE Vision規格に含まれているものの、カメラでの使用はまだ比較的新しい段階なのです。 マルチストリーミングが要求される場合は、その機能をフル活用できるよう、マルチストリームアプリケーション構築用のサンプルコードが含まれたSDKを提供可能なカメラベンダーを選定することが重要です。

• 電源とトリガー実行用に別々のケーブルが必要になる場合があります。パワーオーバーイーサネット（PoE）は以前から従来型の1000BASE-T（1 GigE）カメラに広く実装されており、 ケーブル1本での電源供給とデータ転送が可能です。しかし、多くのカメラでイーサネット経由でのトリガー実行がサポートされていないため、その機能の実現はGigE Vision 2.0規格のリリースを待つこととなりました。そのため多くのアプリケーションで、たとえPoEがサポートされていても、2本のケーブル、2つの接続が必要だったのです。このことは、10GigEカメラにとってより大きな課題となります。最大消費電力が、PoE規格の基本制限である12.95 Wを超える場合があるためです。消費電力制限が25.5 WであるPoE+（IEEE 802.3at）というオプションもあるものの、実装が複雑で高価になることから、多くの10GigEカメラが、2つ目の接続を電源と入出力に使用する形でケーブル2本のアプローチを採用しています。

一般的な適用事例

GigEがほぼすべての最先端ITハードウェア機器に組み込まれているという事実、 そして特別なフレームグラバーハードウェアを必要としないという事実が、GigE Visionに極めて人気の高いマシンビジョンインターフェースとしての地位を与えてきました。GigE Visionは、特に次のような適用事例において広く利用されています。

• モノのインターネット（IoT）およびインダストリ4.0: 機器の相互接続性が、インダストリ4.0の中心をなす特徴です。デジタル産業技術の勃興により、複数のシステムにわたってデータを収集し分析することが可能になりました。人気を集めている適用事例をいくつか挙げると、積層造形および生産プロセス、インテリジェントなロボット自動化システム、品質の管理および監視といったものになります。

• 一体型ビジョンシステム: GigE Visionベースのシステムは、厳密にはプラグアンドプレイの仕組みとはなっていません。ネットワーク化されたシステム内でIPアドレスを設定してからでないと、システムが円滑に動作しないからです。 とはいえ、分類上は一体型ビジョンシステムとなります。用途としては、自動車産業、半導体産業、食品の仕分けおよびリサイクル、工業品質管理室、医療診断、交通システムおよびスピード違反取り締まり、キャリブレーションおよびアライメント用機器などがあります。

• スタンドアロンのビジョンシステム: 他のシステムとの相互接続性を持たないシステムです。このシステムは主に、小さめの部品の検査に用いられているほか、小規模メーカーによって、規模の小ささという制約を克服するための武器として利用されています。また、補助的な検査ユニットの役目を果たすことも多くなっています。使用の典型例は、自動車部品の検査や顕微鏡検査です。

• インテリジェントなビジョンシステム: ここに含まれるものとしては、深層学習アルゴリズムに基づくリアルタイムのAIや意思決定向けの埋め込みシステムアーキテクチャなどがあります。典型的な適用例は、インテリジェント農業、食品仕分け、自動車部品の検査などです。

GigE Visionプロトコルに基づく光ファイバ物理層のメリット

• 10GBASE-SR規格に基づく送受信機は、極めて長い伝送距離（最大10 km）に対応できます。非常に長いケーブル長は、産業現場や屋外環境において有用です。

• 光ファイバの場合は、伝送ノイズが極めて少なく、長距離でも安定しているうえ、大規模な工場環境で機器から発生することがあるEMIやRFIなどの外部ノイズ源への耐性も高くなります。

• データプロトコルがGigE Visionであることから、データパケット管理もこの確立された規格に基づいて行われます。

• 固定的なインターフェース（標準イーサネットコネクタなど）に比べ、SFP+システムでは適合するどんな種類の送受信機でも搭載可能です（前述の表を参照）。

• 光ファイバは、非常に長いケーブル長でも安価です。

• GigE Visionプロトコルがサポートするすべての機能が、マルチストリーミング、PTP、チャンクデータなどの10GigEベースのSFP+モデルでサポートされます。

課題

• SFP+送受信機は1 GbpsおよびNBASE-T速度との後方互換性を持たないため、ネットワークとのオートネゴシエーションが不可能です。

• 送受信機、パッチパネル、距離延長器の選択次第では、システム全体のコストが非常に増大することがあります。ただし多くの場合、このようなネットワークアーキテクチャを求める顧客はそういったコストを承知しています。

• ファイバケーブルは壊れやすく、適切な取り扱いが必要です。

• トリガー実行やエンコーダ制御などの機能の管理には、追加のケーブルが必要です。光ファイバの用途は純粋に物理的な移送のみであり、業務に特化した追加のカメラ機能は、カメラに接続された追加ケーブルを使って実行しなくてはなりません。

一般的な適用事例

• 長距離での屋外利用: 鉄道用線路の検査やコンテナに格納された商品の検査など、屋外での適用事例の多くで非常に長いケーブルが必要となります。また、イメージングモジュールがPCやデータ処理モジュールから遠く離れて配置されている場合も少なからずあり、 悪条件の中でも安定したデータ転送が求められることから、SFP+送受信機と光ファイバを組み合わせて使用するのは有利と言えます。

• 長距離での屋内利用: 産業現場の適用事例の中には、紙の製造などのように、一辺が100 mを超えるような極めて大きな機械が必要なものもあります。そこでは多くの場合、検査ユニットは紙の製造の心臓部にあたる、高温多湿のエリアに置かれます。また画像処理の拠点はたいてい、遠くにある制御室付近に配置されます。

• 静電気環境: バッテリーの検査や、その他の電子機器の検査といった適用事例の現場では強い静電気を伴いますが、ツイスト銅線のギガビットイーサネットは、電気伝導率が高いため使用することができません。 ツイスト銅線のギガビットイーサネットは、電気伝導率が高いため使用することができません。そのため、光ファイバケーブルが優れた選択肢となります。

CXPインターフェースのメリット

• 高いスループットが実現します。最新規格のCXPでは、マシンビジョンアプリケーションにおいては最高となるローデータのスループットが実現します。1つの4xCXP-12接続で50 Gbps（各レーン12.5 Gbps）の速度を出すことができます。

• 複数のハイスピードカメラを効率的にサポートします。 CXPの高帯域幅とマルチレーンアーキテクチャは、複数のハイスピードカメラや高解像度カメラを使用する適用事例にうってつけです。最大で4台のカメラを4xCXP-12フレームグラバーに接続できるため、シンプルな2地点間構成では各カメラに12.5 Gbpsの専用帯域幅を割り当てられます。

• 複数処理が簡素化されます。CXP 2.0規格では、1台のカメラからのデータを複数のフレームグラバー（それぞれが別々のPC内に取り付けられた環境を含む）に簡単に分割または複製できる同報機能が導入されました。

• 長いケーブル長（ただしGigE Visionよりは短距離）をサポートします。実装された規格と帯域幅により、同軸ケーブルの最大使用長は200 m超（CXP-1）から約30 m（CXP-12）となっています。また、このケーブル長は、より太い同軸ケーブルや光ファイバベースの延長器を使用することで、さらに延長可能です。

• 静電ノイズが少ないという特性があります。

• トリガー実行と電力供給の両方を1本のケーブルでサポートします。 PパワーオーバーCXP（PoCXP）では、1レーンあたり24 V、13 Wを供給可能です。さらにCXP規格には、フレームグラバー経由でのトリガー実行や機器制御を行うための低速アップリンクチャネルも含まれます。

• レイテンシとジッターが極めて小さいという特性があります。フレームグラバーにもよりますが、CXPのトリガー実行では通常、レイテンシは5マイクロ秒未満でジッターは数ナノ秒です。 これは、GigEネットワークのレイテンシが問題を発生させかねない、多くの産業用高速マシンビジョンアプリケーションにとって、重要な機能です。

• 幅広い規制承認を得ています。CXP規格では、高速での利用に、標準的な同軸ケーブルを使うことから、医療やライフサイエンス、防衛産業など、規制の厳しい業界や適用事例でも使用可能です。アナログシステムで使われているケーブルと同じアーキテクチャのため、アナログからデジタルへの移行がより簡単です。

• GenICam規格をサポートしています。 このことは、CXP規格の土台であり続けてきました。そして、複雑なデータをストリーミングしている別々の機器同士のデータ管理や互換性の面でも重要です。

• CXPケーブルは、Camera Linkケーブルよりもコスト効率に優れます。CXPケーブルは一般的にはイーサネットケーブルよりも高価であるものの、もう1つのフレームグラバーベースのインターフェースであるCamera Linkに必要なケーブルと比べればコストは半額未満です。性能の良いCXPケーブルのコストは50～90ドル（およそ42～76ユーロ）の範囲に収まりますが、一方でCamera Linkケーブルでは150～200ドル（およそ128～170ユーロ）になることもあります。

課題

• GigEやUSBインターフェースとは異なり、CXPの実装には適切なプラグインカードまたはフレームグラバーを必要とします。これは、CXPが、GigEやUSBのように標準的なPCアーキテクチャに含まれているわけではないためです。したがって、CXPインターフェースで標準的なイーサネットインフラストラクチャを使用してデータを転送することはできません。

• 高フレームレートの高解像度カメラでは、最大消費電力がCXPのシングルレーンでサポートされる13 Wを上回ることがあります。そのため、バンドルケーブルでの複数レーン電力供給が可能な高価なフレームグラバーなど、複雑性が増したPoCXP設計が必要となります。そうしたケースでは、PoCXPがサポートされない、あるいはメリットが少なくなるといった可能性があります。

• ほとんどの場合、CXPベースのビジョンシステムのトータルコストは、GigEやUSBのシステムよりも高くなります。 ただしこれについては、実際にアプリケーションにとってCXPの性能が必要であれば問題とはならないことが多くなっています。

一般的な適用事例

• 防衛産業および医療: 既存の同軸ケーブルシステムへの統合のしやすさ、長いケーブル長、高速なデータ転送、リンク共有などのCXPが備える複雑なデータ受け渡し機能は、この種の適用事例において有用です。典型的な適用事例としては、状況認識、対象測位システム、国境および入国監視、手術のライブビューイングなどがあります。

• 産業用マシンビジョン: 低ジッターであり低レイテンシ、高速でのリアルタイムのトリガー実行、堅牢で柔軟なケーブルにより、CXPは厳しい産業環境で優れた性能を発揮しやすくなっています。

CXPインターフェースのメリット

• 複数の構成や速度をシームレスにサポートします。 アプリケーションの要件に応じて、さまざまな速度やコンポーネント（ケーブルなど）を選択可能です。

• デジタル転送については、データロスが発生せず、標準化された信号を使って実行されます。

• コネクタ向けにさまざまなバリエーションや形状が用意されています。アプリケーションと利用可能スペースに応じて、コネクタのクリップ留めやねじ留めが可能です。この特徴は、ハードな産業環境にうってつけです。

• もっとも「リアルタイムな」インターフェースです。 CXPと同じく、Camera Linkはカメラの制御およびトリガー実行に特化した2地点間信号チャネルを備えています。このトリガー実行によって、非常に少ない遅延（75 ns未満）が可能となり、ほぼリアルタイムでのカメラの確定制御が保証されます。

• Camera Linkはインターフェース経由の電源供給（PoCL）をサポートしており、カメラとフレームグラバーの両方がPoCLで接続されている場合は、カメラ用の外部電源が不要となります。PoCL機能はすべてのタイプのコネクタと構成でサポートされています。

課題

• Camera Linkのケーブル長には制限があります。Base構成とMedium構成は周波数85 MHzで10 mまでの制限となっている一方、Full構成は5 mまで、Deca構成は4 mまでの制限です。

• CLケーブルは、マシンビジョンで使われる他のインターフェースケーブルよりも比較的高価です。

• CLケーブルは柔軟性が低いため、動いているビジョンアセンブリに使用するのは困難です。

• 高帯域幅出力（2 Gbpsを超えるもの）には、2本のデータ用ケーブルと、 場合によっては電源および入出力用として別のケーブル1本を必要とします。大半のCLフレームグラバーは、2つまたは4つのコネクタを備えていることから、最大で2台のハイスピードカメラをサポート可能です。これにより、複数のカメラを使うアプリケーションは、複雑でしかも高価なものとなります。

一般的な適用事例

• 高速のラインスキャンアプリケーション: レイテンシとジッターが極めて小さい高速なインターフェースとして、Camera Linkは印刷、紙、箔、金属の検査などのウェブアプリケーションで広く使用されています。

• 信頼性が求められる場面への適用: Camera Link操作での高い2地点間信頼性は、ネットワーク遅延やその他の不安定さが許されない電子産業や半導体産業における、極めて重要な検査での利用にもつながっています。

USB3 Visionインターフェースのメリット

• USBは、コンピュータや周辺機器への接続にもっとも多く使われる、標準化された方法です。

• 標準的なPCアーキテクチャの一部として、バスやケーブルなどのパーツ交換は簡単でコスト効率に優れたものとなっています。

• 最新のUSB3 Vision規格は完全なプラグアンドプレイです。大多数のケースにおいて、カメラとPCチップセットの間で相性の問題は発生しません。

• 帯域幅の増加と信頼性の向上によって、USB3 Visionは急速にFirewireおよびUSB 2.0の両インターフェースに取って代わりました。USB3 VisionインターフェースはUSB 2.0との後方互換性を持つため、ネイティブのUSB 2ビジョンシステムから簡単にアップグレードできます。

• USB3 Visionは、速度と解像度が極端でない限り、複数カメラ設定において高い互換性と機能性を有します。

• USB3 Visionの基本設計はGenICamに基づいているため、プログラマが一貫性を保ちやすく、GenICamベースの他のインターフェースとの相互運用性が向上します。

• Camera LinkやCoaXPressのリアルタイムに近い性能には及ばないものの、GigE Visionなどのネットワークインターフェースよりも低レイテンシかつ低ジッターです。

• 画像サイズの可変性：USB3 Visionでは、画像についての情報をホストにあらかじめ渡すことにより、さまざまなサイズで画像を送信できます。

• 低いCPU負荷：ゼロコピー（ダイレクトメモリアクセス、略称DMA）の使用により、画像検索に必要なCPU負荷が極めて低く抑えられます。

• USB 3.0では、接続機器に4.5 Wの電力を供給できます。そのため、多くのベーシックなカメラは追加電源不要で動作可能です。

• その簡素さによりシステムコストを削減できる一方で、速度は標準的な1000BASE-T GigE Visionの3倍です。

課題

• USB 3.0 Visionのケーブル長は5 mまでに制限されているため、特定の種類のアプリケーションでは他のインターフェース、中でもGigE Visionに対して極めて不利となります。

• 4.5 Wという電力供給は高性能カメラや高解像度カメラにとっては不十分なことが多いため、そうしたカメラではUSB3 Visionインターフェースは使用できないか、あるいは別の電源接続が必要となります。

• USB 3.0は幅広いPC周辺機器に使われている民生用インターフェースの筆頭であることから、産業用のケーブルやハブ、その他の機器の選定には注意が必要です。多くの民生レベルのUSBアクセサリはマシンビジョンアプリケーションの要件には耐えられず、結果として安定性の欠如、貧弱なパフォーマンス、現場故障へとつながります。

一般的な適用事例

• プラグアンドプレイ: 卓上で使えることや、プラグアンドプレイ機能で知られるUSB3 Visionは、顕微鏡、スタンドアロンの検査システム、ポータブル検査機器などにおいて人気のインターフェースです。

• 複数カメラ環境: ハブベースの接続形態を用いるUSB3 Visionは、ロボットアーム上の3Dビジョン、自動運転車、360度ビューを提供する複数カメラのバーチャルリアリティ「頭部」など、それほど高速でない、さまざまな種類の複数カメラ環境において効果的な利用が可能です。