为机器视觉系统选择合适的图像传感器

すべての マシンビジョン（MV）システムの中核には、物理的な世界をデジタルデータに変換する基本的なコンポーネントであるイメージセンサが存在します。イメージセンサは、マシンビジョン動作の精度、信頼性、効率を確保するのに極めて重要な役割を果たします。このブログ記事では、オンセミがMVシステム用のイメージセンサを選択する際の重要な考慮事項について説明し、さまざまな分野におけるイノベーションと進歩を推進する上での重要性を明らかにします。

物理的考察

マシンビジョンのバックボーンであるイメージセンサは、システムの性能と有効性を高めるために最適化された物理的特性を備えている必要があります。センサを選択する際に考慮すべき重要な物理的特性とは何でしょうか？

解像度

イメージセンサの解像度によって、視覚データの細部を捉える能力が決まります。最適な解像度、つまり垂直方向と水平方向の両方のピクセル数は、マシンビジョンアプリケーションで正確な分析と意思決定を行うために不可欠です。しかし、適切なバランスをとることが非常に重要です。解像度が過度に高い場合は、大きな利益をもたらすことなく不必要なコストが生じる可能性があり、解像度が低い場合は探している特定の細部や情報を見逃してしまう可能性があります。アプリケーションの具体的な要件を評価し、必要な詳細レベルに沿った解像度を選択することが重要です。

光学フォーマット

イメージセンサの光学フォーマットとは、光に感応する領域のサイズと形状を指します。センサのサイズは、視野、被写界深度、光感度など、撮像性能のいくつかの側面に影響します。これは低照度条件下で使用するセンサを選択するときの最も重要な要素であり、鮮明な結果を実現できます。一般的に、センサが大きいほど画質は向上しますが、カメラシステムがかさばり、高価になる場合もあります。 光学フォーマットをレンズの投影に一致させることで、センサの解像度を効率よく利用できるようになります。このアライメントは、特に精細な画質が最も重要となるアプリケーションにおいて、鮮明でクリアな画像を実現するためにきわめて重要です。さらに、最適な解像度により、もっと安価で効率のよいレンズを使用できるようになるため、カメラのコストを削減し、同時にカメラの物理的な形状やサイズが小さくなるため、さらにコストが削減されます。

アスペクト比

イメージセンサのアスペクト比は、撮影画像のレイアウトやピクセルの分布に影響します。最適なアスペクト比を選択することで、センサの解像度を有効に活用でき、撮影した画像がシーンを正確に表現できるようになります。例として、ITS（Intelligent Transport Systems：高度道路交通システム）やタイヤ検査などが挙げられますが、一般的に水平解像度が高い方が好まれます。

フレームレート

イメージセンサのフレームレートによって、一秒あたりにキャプチャされる画像の数が決まります。動的環境や動く物体を扱うアプリケーションでは、視覚データを正確にキャプチャして分析するために高いフレームレートが不可欠です。これにより、システムは動きを「フリーズ」し、画像化される物理的空間との同期を維持することができ、精密な測定と意思決定が可能になります。ウィンドウ表示や関心領域（ROI）の読み出しは、読み出すデータが少ないためフレームレートが向上します。センサによっては、垂直方向の解像度だけを下げた方が有利なものもあれば、両方向の解像度を下げた方が有利なものもあります。サブサンプリング、つまり読み出し中にピクセルをスキップしても、フレームレートに同様の影響を与えますが、明らかに特定のウィンドウでは解像度が下がります。

ダイナミックレンジ

イメージセンサのもう一つの重要な物理的な考慮事項はダイナミックレンジです。これは最も暗いシャドウから最も明るいハイライトまで、シーンの幅広い輝度レベルをキャプチャするセンサの能力を示します。ダイナミックレンジが高ければ、センサは1つのフレーム内のシーンに存在する全範囲のトーンを正確に再現できるため、コントラストとディテールが強調された画像が得られます。この機能は、トンネル内を走行するような日常的な場面で非常に重要です。車両が暗いトンネルを抜けて明るい日差しの下に出たとき、ハイダイナミックレンジ（HDR）のイメージセンサは、トンネル内の低照度と外部の強烈な明るさを同時に処理し、すべての要素の鮮明な視認性を確保します。マシンビジョンシステムにおいて、HDRはロボットや自動化システムがコントラストの強いシーンを正確に認識し、解釈するのに不可欠な役割を果たしています。例えば、産業環境では、HDR対応センサによって、機械が光沢のある反射面の欠陥を検出したり、照明が不十分な環境でもラベルを読み取ることができるようになります。HDRによって提供される詳細度と精度の向上により、マシンビジョンアプリケーションの信頼性と効率が改善され、さまざまな産業で品質管理、自動化、安全性が向上します。

光学的考察

物理的パラメータに加えて、イメージセンサの光学特性もマシンビジョンシステムの性能と適合性を決定する上で同様に重要です。以下は、主な光学的考察です。

ピクセルに関する考察

ピクセルはイメージセンサの構成要素であり、そのサイズはセンサの光に対する感度と解像度に直接影響します。ピクセルが大きいほど、より多くの光子を取り込む傾向があり、その結果、特に暗い場所では、S/N比が向上し、画像品質が向上します。

ピクセルが大きくなると、より多くのシリコンが必要になるため、センサのサイズが大きくなりコストが増加します。逆に、ピクセルが小さいほど解像度を高くできますが、同等の画質を実現するにはより複雑な光学設計が必要になる場合があります。適切なピクセルサイズを選択するには、感度、解像度、コストのバランスを取る必要があります。

出力モード

イメージセンサは、多くの場合、データの取得と処理を柔軟に行うために、関心領域（ROI）、ビニング、デシメーションなどのさまざまな出力モードを提供します。ROI を使用すると、画像内の特定の領域を選択的に読み取ることができるため、フレームレートの高速化とデータ量の削減が可能になります。ビニングは、隣接するピクセル配列を1つの大きなピクセル（例えば、4対1または9対1）に結合して感度を高くしたり、ノイズを減らしたりします。一方、デシメーションは画像の解像度を下げて処理速度を上げます。

これらの出力モードにより、ユーザーは高速イメージング、高感度化、効率的なデータ管理など、アプリケーションのニーズに応じてセンサの性能を最適化できます。

ローリングシャッタとグローバルシャッタ

これらのシャッタタイプの選択は、モーションアーティファクトとアプリケーションの要件によって異なります。これらの分類は、センサが採用するシャッタ機構を定義します。ローリングシャッタセンサはピクセルの列を順次露光します。対照的に、グローバルシャッタセンサはすべてのピクセルを同時に露光します。

ローリングシャッタとグローバルシャッタの比較

マシンビジョンアプリケーション用のイメージセンサを選択する際に、ローリングシャッタとグローバルシャッタの選択が重要な判断になります。両者の比較は以下のとおりです。

モーションアーティファクト

ローリングシャッタセンサは、画像のさまざまな部分をわずかに異なるタイミングで露光するため、傾きや歪みのようなモーションアーティファクトが発生する可能性があります。この問題は、動きの速い被写体や急激に変化するシーンを撮影するときに特によく見られます。対照的に、グローバルシャッタセンサは画像全体を同時にキャプチャし、動きによる歪みを排除し、一貫した露出を保証します。

グローバルシャッタの効率

グローバルシャッタセンサは、効果的に動きを止めて鮮明な画像を提供するため、高速で移動する物体や動的な環境を伴うシナリオに最適です。そのため、正確なモーション分析や高速オブジェクト追跡を必要とするアプリケーションに最適です。

機能の比較

グローバルシャッタ付きイメージセンサには、以下のようないくつかの利点があります。

• 最小のモーションアーティファクト（ハンドヘルドアプリケーションの場合など、対象物／ターゲットまたはカメラの動きが原因で生じる）
• 均一な露出
• ダイナミックな環境でも優れた性能を発揮

さらに、グローバルシャッタセンサは効率的なモーション分析を可能にし、物体の正確な追跡と配置を可能にします。ローリングシャッタセンサは、静止したアプリケーションや遅いペースのアプリケーションに適していますが、グローバルシャッタはより要求の厳しいマシンビジョンタスクに最適です。

イメージセンサに求められるもの

マシンビジョンシステムに適した種類のイメージセンサを選択することが、効率と精度を確保するための鍵になります。 オンセミが提供しているグローバルシャッタイメージセンサは、マシンビジョンアプリケーション向けの包括的なソリューションを提供します。当社のセンサは、高解像度、最適なピクセルサイズ、柔軟な出力モードを特徴とし、モーションキャプチャを超えたさまざまな重要な考慮事項に対応します。

また、グローバルシャッタにより、正確なモーションキャプチャや分析も容易になります。グローバルシャッタセンサは、イメージ全体を同時にキャプチャすることにより、モーションアーティファクトを排除し、均一な露光を保証し、鮮明で歪みのない画像を提供します。これらの機能は、高速で移動する物体や絶えず変化する環境を追跡する際に非常に役立ちます。

オンセミの技術により、カメラメーカーはマシンビジョンで最適な結果を達成できます。

詳細は、マシンビジョンシステム・ソリューションガイドをご覧ください。