産業用マシンビジョン

インテリジェント・ビジョンの加速

ビデオ監視システムやマシンビジョンに使用されるカメラやその他の機器は、画像信号処理 (ISP)、ビデオ・トランスポート、フォーマット変換、圧縮、解析などのさまざまなタスクを実行します。カメラセンサーのテクノロジーは進化のスピードが速く、アナログカメラからスマート IP カメラへの置き換えや AI ディープラーニングによるビデオ分析が進む中で、FPGA はビジョンシステムに求められる重要な要素の多くを満たすことが可能です。

  • ワットあたりの高い性能。
  • 低レイテンシー。
  • 柔軟性。

次世代のマシンビジョン機器のアーキテクチャーの再設計に際し、CPU と組み合わせた FPGA ベースのアクセラレーター・ソリューションを活用できるようになりました。

マシンビジョン

マシンビジョン (MV) は、高速カメラとコンピューターの組み合わせを使用して、デジタル画像取得・分析だけでなく複雑な検査作業も実行します。得られたデータはパターン認識、選別、ロボットアーム制御などに使用可能です。インテルの FPGA は、さまざまな画像センサーや MV 固有のインターフェイスに対応できるため MV カメラに最適です。FPGA は、エッジ・コンピューティング・プラットフォーム内のビジョン処理アクセラレーターとしても活用でき、MV データを解析するための AI ディープラーニングにおいても効果を発揮します。

マシンビジョン (MV) 技術を利用すれば、品質管理のための目視検査が不要になります。マシンビジョンは、高速カメラとコンピューターの組み合わせを使用して、デジタル画像取得・分析だけでなく複雑な検査作業も実行します。得られたデータはパターン認識、選別、ロボットアーム制御などに使用可能です。主なマシンビジョン・アプリケーションとして、以下が挙げられます。

  • 欠陥検出
  • 計測
  • 誘導、部品追跡、および識別
  • 光学式文字認識 / 照合 (OCR/OCV)
  • パターン認識
  • 包装 / 製品 / 表面 / ウェブ検査

インテル® FPGA の優位性 – 性能、柔軟性、および接続性

下の図に示すように、インテル® MAX® 10Cyclone® IV デバイスファミリーなどの FPGA を使用することで、以下が実現可能となります。

  • フレーム・グラバー・ボード (Camera Link などのプロトコルを使用) で高性能画像の前処理を実現して、リアルタイムに近いフレームレートを達成。
  • ピクセル単位のゲイン・コントロール、欠陥ピクセル補正、ダイナミック・レンジ拡大などのリアルタイム機能をカメラシステムに統合。
  • FPGA の柔軟性を生かし進化するカメラ・インターフェイスをサポート。
  • PCI*、PCIe*、ギガビット・イーサネット、USB などの各種バス・インターフェイスを実装。
  • 画像取得、カメラ・インターフェイス、前処理、通信機能などの幅広い機能を 1 個の FPGA に統合。
  • Cyclone® V SoC を使用して、ARM* A9 ハード・プロセッサー・システムが実行するマシンビジョン・アルゴリズムと画像信号処理パイプラインを組み合わせて、チップ上に完全なマシンビジョン・システムを構築。
  • MathWorks の Simulink* と Embedded Coder* を使用して、Cyclone® V SoC 向け C/C++ コードを生成。このソリューションは、HDL Coder* のインテル® SoC サポートと組み合わせて使用することにより、シミュレーション、プロトタイピング、検証、および実装にまたがるインテル® SoC のハードウェア / ソフトウェア・ワークフローに利用できます。詳細については、MathWorks のページを参照してください。

柔軟性 – FPGA がサポートする各種センサー / MV インターフェイス

GigE Vision*

GigE Vision* は、イーサネット・ネットワークを介した画像ストリーミングおよびデバイス・コントロールのためのオープン、高性能、かつスケーラブルなフレームワークを提供します。このインターフェイス規格は、クライアント / サーバー交換アーキテクチャーをベースにしたネットワーク・マシンビジョン・システムのための環境を提供し、複数のカメラを複数のコンピューターに接続することを可能にします。

GigE Vision* には以下の特長があります。

  • Automated Imaging Association (AIA) が仕様を管理。
  • イーサネット / IP / UDP 上でプロトコルを実装し、1 Gbps (ギガビット・イーサネットの場合) から 10 Gbps (10 ギガビット・イーサネットの場合) までの最大データ転送レートを実現。
  • 銅線で最大 100 m のデータ転送距離。
  • スイッチ、リピーター、または光ファイバー・コンバーターを使用してデータ転送距離を延長。
  • 低コストのケーブル (CAT5e または CAT6)、標準コネクター、およびハードウェアを使用。

複数の GigE カメラを使用した GigE Vision* アプリケーションの例

提供: Pleora Technologies Inc.

インテル® MAX® 10 FPGA、Cyclone® IV、Cyclone® V デバイスファミリーなどの FPGA を使用して GigE Vision* アプリケーションを実装すれば、以下をはじめとする多くの利点が得られます。

  • 単一の FPGA デバイスへの画像取得、カメラ・インターフェイス、前処理、および通信の統合
  • 各種カメラ・インターフェイスやバス・インターフェイスの進化に柔軟に対応可能。
  • ボードサイズの縮小、部品点数の削減、およびハードウェアのリスピンの最小化による TCO (総所有コスト) 削減。
  • FPGA の長いライフサイクルや最新 FPGA ファミリーへの容易な移行による陳腐化リスクの低減。

詳細については、インテルの販売代理店またはパートナーまでお問い合わせください。

フレームグラバー

フレームグラバーは、マシン・ビジョン・アルゴリズムを実行するホスト PC と MV カメラをリンクします。最新版では通常、PCIe* を使用してカメラから産業用コンピューター内のホスト・プロセッサーにビデオを転送します。

Camera Link

Camera Link は、ポイントツーポイントの自動ビジョン・アプリケーション向けに設計されたシリアル通信プロトコルです。Texas Instruments 社 (旧 National Semiconductor 社) の ChannelLink インターフェイスをベースとし、汎用 LVDS データ転送をサポートできるように拡張されたものです。

Automated Imaging Association (AIA) が管理する Camera Link 仕様では、カメラデータの変換および通常は PCI* または PCIe* バスを介したコンピューターへの送信に使用するカメラ・インターフェイス、ケーブル、およびフレームグラバーが標準化されています。Camera Link インターフェイスは、マシンビジョンやスマートカメラといったアプリケーションに利用されています。

Camera Link は、以下に示す複数のコンフィグレーションをサポートしています。

  • Base コンフィグレーションでは、最大 24 ビットのピクセルデータ (および 3 ビットのビデオ同期) を使用して、最大 255 Mbps のビデオ・スループットを提供します。
  • Medium コンフィグレーションでは、24 ビットデータを 1 つ追加して最大 510 Mbps のビデオ・スループットを提供します。
  • Full および Extended コンフィグレーションでは、64 ビット (またはそれ以上) のデータを使用して最大 680 Mbps (またはそれ以上) のビデオ・スループットを提供します。

Camera Link アプリケーションに FPGA を使用する利点

下の図に示すように、Cyclone® IV や Cyclone® V デバイスなどの低コスト FPGA を利用して、高性能 CameraLink アプリケーションを構築すれば、TCO (総所有コスト) 削減と ROI (費用対効果) 向上を実現できます。Arria® V GX または Stratix® V FPGA を使用すれば、さらに高い性能が必要なアプリケーションに対応することも可能です。

Cyclone® IV FPGA を使用した Camera Link アプリケーションの例

FPGA を使用すれば、以下が実現可能です。

  • 画像前処理 (ピクセル単位のゲイン・コントロール、欠陥ピクセル補正、ダイナミック・レンジ拡大など) の高速化による、リアルタイムに近いフレームレートの実現。
  • 単一の FPGA プラットフォームへの画像取得、カメラ・インターフェイス、前処理、および通信の統合。
  • 追加のハードウェア不要で各種カメラ / バス / 通信インターフェイスの進化に対応できるデザインの開発。
  • ボードサイズの縮小、部品点数の削減、ハードウェアのリスピンの最小化、市場投入期間の短縮、および製品寿命の延長による TCO の削減。

Camera Link インターフェイス規格に関する詳細は、インテルの販売代理店または産業機器パートナーまでお問い合わせください。

USB 3 Vision

USB 3.0 を使用する利点は、最新 PC に多数搭載された USB 3 インターフェイス、低コスト、最大 5 Gbps の転送レート、低消費電力 / CPU オーバーヘッドのほか、最長 5 メートルのケーブル 1 本によってアクティブリピーター不要でデータと電力を伝送可能なことが挙げられます。

CoaXPress

CoaXPress は、最長 130 メートルのケーブルを使用して、ケーブル 1 本あたり最大 6.25 Gbps の伝送が可能です。最近開発されたクワッド・リンク・ケーブルを使用すれば最大 25 Gbps の伝送が可能で、高性能カメラの非常に高負荷な広帯域幅接続にも対応します。クワッドリンク CoaXPress インターフェイス対応カードにより、シングル / デュアル / クワッド・カメラ・サポートを組み合わせて管理できます。

Thunderbolt*

Thunderbolt* は最大 10 Gbps、Thunderbolt* 2 は最大 20 Gbps の転送が可能です。対応チップセット / PC マザーボードの増加に伴い、当初採用された Apple 社のコンピューター / ラップトップ以外にも広く普及しつつあります。USB 3.0 と同様の利点がありますが、Thunderbolt* の方が転送レートが高いことに加え、銅線または光ケーブルの使用が可能です。

Thunderbolt は、アメリカ合衆国および / またはその他の国における Intel Corporation またはその子会社の商標です。

ビデオ監視システム

政府機関、地方自治体、金融機関、企業の間では、画像記録や事後分析目的にとどまらず、ビデオ監視システムを使用しています。人工知能 (AI) の活用によって、複数のライブカメラストリームからリアルタイムかつ自動で、有意義な洞察が導き出されています。これらの進歩は、犯罪の防止やセキュリティーにとどまらず、小売業での資産管理や効率化された産業用スマート・ファクトリーなどの新たなビジネスモデルに技術革新をもたらしています。

カメラメーカーにとっては、ビデオ・ソリューション全体でどのような位置に「スマート/アナリティクス」機能を組み込むべきかという課題があります。いくつかの「シンプルな」インテリジェンスは、スマート・インターネット・プロトコル (IP) カメラで低電力かつ低価格で実装できます。オンプレミス・ゲートウェイや複数のライブ・カメラ・ストリームをサポートするネットワーク・ビデオ・レコーダー (NVR) を使用すると、複雑な分析機能をエッジ側に実装できます。全社規模での分析は、広く普及しているクラウドベースのコンピューティング・リソースを使用して実装することができます。一般に、設置コストの低さ、スケーラビリティー、インテリジェンスの追加が可能といった理由から、アナログカメラからデジタル高精細 (HD) IP 監視カメラへの置き換えが進んでいます。インテル® ビジョン・プロダクトでは、カメラからクラウドまでのソリューションを提供し、最新の AI ディープラーニング・ベースの分析も用意しています。

インテル® FPGA は、以下の特長により、次世代の HD IP カメラおよび NVR において重要な役割を果たします。

  • FPGA ベースの畳み込みニューラル・ネットワーク (CNN) 推論アクセラレーターを実装するための AI ディープラーニング・フレームワーク、モデル、およびトポロジーのサポート (インテル® FPGA ディープラーニング・アクセラレーション・スイート (DLAS) の詳細を参照してください)。
  • 柔軟性: 各種画像センサーをインターフェイス可能。
  • 高速処理: 欠陥ピクセル補正、ガンマ補正、ダイナミック・レンジ補正、ノイズ・リダクションなどの機能を備えた完全な画像センサー・パイプライン (ISP) Intellectual Property (IP) を搭載。
  • コスト効果の高いソリューション: センサー・インターフェイス、画像圧縮、パン-チルト-ズーム (PTZ) コントロールなどの機能を 1 つのデバイスに統合可能。

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