産業用カメラを選定する際、カメラの解像度やフレームレートだけでなく、「どのインターフェースで画像を取り込むか」も重要なポイントです。
産業用カメラには、GigE Vision、USB3 Vision、Camera Link、Camera Link HS、CoaXPressなど、さまざまなインターフェースがあります。それぞれ通信速度、伝送距離、ケーブルの種類、システム構成、コストなどに違いがあるため、用途に適したインターフェースを選択する必要があります。
さらに近年では、自動車分野で培われた高速シリアル伝送技術をベースとしたGMSL2も、産業用カメラの新たなインターフェースとして注目されています。
本コラムでは、産業用カメラで使用される代表的なインターフェースについて、それぞれの特徴やメリット、必要な機器を分かりやすく解説します。
産業用カメラのインターフェースとは？
産業用カメラのインターフェースとは、カメラで撮影した画像データをPCや画像入力ボードなどへ伝送するための通信方式です。
カメラで撮影した画像は、カメラ内部のイメージセンサーで電気信号に変換された後、インターフェースを介してPCなどへ送られます。
インターフェースによって、
- 最大伝送距離
- 使用するケーブル
- PCのCPU負荷
- 複数台カメラの接続性
- システム構築に必要な機器
- システム全体のコスト
などが異なります。
そのため、単純に「通信速度が速いインターフェースを選べばよい」というわけではありません。
例えば、カメラとPCが離れている場合には長距離伝送に適したGigE Visionが有力な選択肢となります。一方、高解像度・高速撮像で大量の画像データをリアルタイムに取り込む場合には、CoaXPressやCamera Link HSなどが適しています。
近年では、長距離・高速伝送に加えて、耐ノイズ性や配線の簡素化も求められるようになっており、GMSL2のような新しいインターフェースも選択肢となっています。
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GigE Vision
GigE Visionは、広く普及しているEthernet（イーサネット）を利用した産業用カメラ向けのインターフェース規格です。
EthernetをベースにGigE Vision独自のプロトコルを使用することで、マシンビジョンに必要な高速かつ信頼性の高い画像データ伝送を実現します。
既存のネットワーク機器やLANケーブルを利用できるため、産業用カメラシステムを比較的低コストで構築できる点がメリットです。
【GigE Visionの特徴・メリット】
■システムの低コスト化
Ethernet対応機器を利用できるため、専用機器を必要とするインターフェースと比較して、システムを低コストで構築しやすいことが特徴です。
■長距離伝送に対応
LANケーブル1本で最長100m程度の画像データ伝送が可能です。
設置スペースの兼ね合いから、カメラとPCを離しておきたい場合や、大型装置で離さざるを得ない場合でも、利用しやすいインターフェースです。
■複数台のカメラを接続しやすい
スイッチングハブなどを介して複数台のカメラを接続できます。
複数のカメラを使用する検査装置や監視システムなどにも適しています。
■高速なデータ伝送に対応
GigE Visionでは、1Gbpsの帯域を活用して画像データを高速に伝送できます。さらに近年では、より高速な通信規格である5GigEや10GigEに対応した産業用カメラも普及が進んでいます。
今後は、光ファイバーを利用した100GigEなど、さらに高速なGigEインターフェースの登場も見込まれており、GigE Visionは高速化・大容量化する画像処理システムのニーズに対応しながら、今後も進化していくインターフェースといえます。
USB3 Vision
USB3 Visionは、広く普及しているUSB 3.0をベースとした産業用カメラ向けのインターフェース規格です。
USBポートはPCに搭載されていることが多く、接続が簡単なため、産業用カメラを初めて導入する場合にも扱いやすいインターフェースです。
【USB3 Visionの特徴・メリット】
■大きな帯域幅
USB3 Visionでは、カメラ1台あたり5Gbpsという大きな帯域幅を利用でき、最大約380MB/secの高速な画像データ転送が可能です。
高解像度カメラや高速撮像にも対応しやすいことがメリットです。
■DMA転送による低CPU負荷
DMA（Direct Memory Access）転送を利用することで、CPUの負荷を抑えながら画像データを高速に転送できます。
リアルタイム性が求められる画像処理システムにも適しています。
■プラグ＆プレイで簡単に接続
USBはPC周辺機器として広く普及しているため、接続やシステム構築が比較的簡単です。
専用の画像入力ボードを必要としない構成も可能で、シンプルなシステムを構築できます。
基本的にはPCとカメラをUSBケーブルで接続するだけで使用できるため、シンプルな構成にしやすいことが特徴です。
Camera Link
Camera Linkは、産業用カメラと画像入力ボードを接続するためのインターフェース規格です。
特に国内のマシンビジョン市場では長く使用されており、高解像度画像を高速に取り込む必要があるアプリケーションで利用されています。
GigE VisionやUSB3 Visionと比較して、専用の画像入力ボードが必要になるなどシステム構成は複雑になりますが、高速かつ安定した画像データの取り込みが可能です。
一方で、近年CoaXpressや10GigEなどのCameraLinkよりも高速かつ堅牢なインターフェースが採用されることが多く、新規採用においてはCoaXpressや10GigEなどが多く採用されています。
【Camera Linkの特徴・メリット】
■高速なデータ伝送
Camera Linkでは、構成によって最大6.8Gbps（85MHz×10TAP）の通信速度を実現できます。
高解像度・高速フレームレートのカメラから、大量の画像データを取り込む用途に適しています。
■安定した画像取り込み
カメラと画像入力ボードを専用のインターフェースで接続するため、安定した画像データの取り込みが可能です。
■Camera Linkの伝送距離
Camera Linkのケーブル長は構成やケーブル仕様によって異なりますが、一般的に長距離伝送には向いていません。
例えばFull Configurationでは、ケーブル長は3m程度が目安となります。
そのため、カメラとPCを近距離に設置できる装置での使用に適しています。
Camera Link HS
Camera Link HSは、従来のCamera Linkを発展させ、より高速なデータ伝送と長距離伝送を実現したインターフェース規格です。
Camera Linkでは帯域やケーブル長が不足するようなアプリケーションに対する新たな選択肢として利用されています。
【Camera LinkHSの特徴・メリット】
■高速通信
Camera Link HSでは、構成によって16.8Gbps（CX4）の高速通信が可能です。
高解像度・高速フレームレートのカメラから、大容量の画像データを高速に取り込むことができます。
■長距離伝送
SFP+を使用する構成では、光ファイバーなどを利用することで数km以上の長距離伝送にも対応できます。
従来のCamera Linkでは難しかった長距離伝送を実現できる点が大きな特徴です。
■高い信頼性
エラー訂正機能を備えており、高速・長距離の画像データ伝送においても高い信頼性を実現します。
■Camera Link HSのコネクタ
Camera Link HSには、代表的な接続方式としてCX4とSFP+の2種類があります。
用途や必要な伝送距離、システム構成に応じて適切な接続方式を選択します。
※↓CX4とSFP＋のコネクタイメージ画像
使用するコネクタや伝送方式によって必要なケーブル・機器が異なるため、カメラと画像入力ボードの仕様を確認する必要があります。
CoaXPress
CoaXPressは、高速かつ長距離の画像データ伝送を実現する産業用カメラ向けのインターフェースです。
高解像度化・高速化が進むマシンビジョン市場において、非常に大容量の画像データをリアルタイムに取り込む用途で広く利用されています。
また、CoaXPressでは同軸ケーブルを使用するため、ケーブルの取り回しがしやすく、ノイズの影響を受けにくいというメリットがあります。
【CoaXPressの特徴・メリット】
■超高速通信
CoaXPressでは、規格や構成に応じて高速な画像データ伝送が可能です。
例えばCXP-12では、1チャンネルあたり最大12.5Gbpsの通信速度に対応します。
複数チャンネルを使用することで、さらに大容量の画像データを高速に取り込むことができます。
■長距離伝送
CXP-12では、一般的な構成で最大40m程度の伝送に対応します。
Camera Linkと比較して長い距離の伝送が可能で、装置内でカメラとPCを離して設置する場合にも適しています。
■同軸ケーブルによる優れた取り回し
CoaXPressでは同軸ケーブルを使用します。
同軸ケーブルは構造上、外部からのノイズの影響を受けにくいため、ノイズ環境下でも安定した画像伝送を実現しやすいことが特徴です。
■ホットプラグに対応
CoaXPressはホットプラグに対応しており、システムの運用・保守性にも優れています。
GMSL2
GMSL2（Gigabit Multimedia Serial Link 2）は、自動車業界で培われた高速シリアル伝送技術をベースとした、高速・長距離・高信頼性を実現する次世代のカメラインターフェースです。
近年のマシンビジョンでは、カメラの高解像度化・高速化だけでなく、ロボットやAGVへのカメラ搭載、装置の大型化による長距離配線など、より高度なシステム要件が求められています。
GMSL2は、こうした要求に対して、高速伝送、長距離伝送、耐ノイズ性、配線の簡素化、リアルタイム性をバランスよく実現できる新たな選択肢です。
【GMSL2の特徴・メリット】
■高速・長距離伝送
GMSL2では、低損失の同軸ケーブルを使用することで、最大15mの長距離伝送と最大750MB/sの高速伝送を両立しています。
USB3 Visionでは伝送距離が課題となるケースがありますが、GMSL2では長距離配線と高速画像伝送の両立が可能です。
■高い耐ノイズ性能
GMSL2では、中心導体をシールドで覆った同軸ケーブルを使用します。
同軸ケーブルは外部ノイズの影響を受けにくく、ケーブルから発生する放射ノイズも抑制できるため、高いEMI/EMC性能を実現します。
インバータやサーボモータなど、強いノイズ源が存在するFA環境でも安定した画像伝送が期待できます。
■配線を簡素化できる
一般的なカメラシステムでは、画像データ用ケーブル、電源ケーブル、I/O制御ケーブルなど複数の配線が必要になる場合があります。
GMSL2では、画像データ伝送、電源供給、I/O制御を1本の同軸ケーブルで実現できる構成が可能です。
これにより、装置内部の配線を簡素化できるだけでなく、省スペース化やメンテナンス性の向上にもつながります。
特にロボットアームや搬送装置など、可動部を持つシステムでは、配線の取り回しを簡素化できることが大きなメリットです。
■高いリアルタイム性
GMSL2は、CoaXPressと同様に専用の画像入力ボードを介して画像データを受信する構成を採用しており、高いリアルタイム性を実現できます。
また、GMSL2はCoaXPressと同じく同軸ケーブルを使用するインターフェースでありながら、システム全体の構成を比較的シンプルにできるため、CoaXPressと比べてシステムコストを抑えやすいこともメリットの一つです。
また、低遅延かつ遅延変動の少ない通信特性を持つため、ロボットビジョンや高速検査装置など、高いリアルタイム性が求められるシステムにも適しています。
GMSL2は、従来のGigE Vision、USB3 Vision、CoaXPressなどが持つ特長を補完する新しいインターフェースとして、今後の産業用カメラシステムにおける選択肢の一つになると考えられます。
用途に合わせたインターフェースの選び方
産業用カメラのインターフェースを選ぶ際には、以下のポイントを確認するとよいでしょう。
■カメラとPCの距離が長い場合
カメラとPCの距離が離れている場合は、GigE Vision、CoaXPress、Camera Link HS、GMSL2などが候補になります。
特に100m程度の長距離伝送が必要で、システムコストを抑えたい場合にはGigE Visionが適しています。
一方、非常に高速な画像データを長距離伝送する必要がある場合には、CoaXPressやCamera Link HSなどが有力な選択肢となります。
■高速・高解像度撮像を行う場合
高解像度カメラや高速カメラでは、1秒間に大量の画像データが発生します。
このような場合には、必要な画像データ量を確認したうえで、Camera Link、Camera Link HS、CoaXPress、GMSL2など、高速伝送に対応したインターフェースを検討します。
■シンプルなシステムを構築したい場合
PCの近くにカメラを設置でき、できるだけ簡単な構成にしたい場合は、USB3 Visionが候補となります。
専用の画像入力ボードを使用せず、PCのUSBポートへ接続できる構成では、システムをシンプルにできます。
■システムコストを抑えたい場合
システム全体のコストを重視する場合には、GigE VisionやUSB3 Visionが候補となります。
特にGigE Visionは一般的なネットワーク機器やLANケーブルを利用できるため、既存設備を活用しやすいというメリットがあります。
■ノイズの多い環境で使用する場合
工場では、インバータ、サーボモータ、電源設備などから発生する電磁ノイズが画像伝送に影響する場合があります。
このような環境では、ケーブルやシステム構成を含めて耐ノイズ性を検討する必要があります。
特にCoaXPressやGMSL2は同軸ケーブルを使用するため、ノイズ環境下での安定した画像伝送を実現しやすいことが特徴です。
まとめ
産業用カメラには、GigE Vision、USB3 Vision、Camera Link、Camera Link HS、CoaXPress、GMSL2など、さまざまなインターフェースがあります。
それぞれに得意な分野があり、用途に応じて適切なインターフェースを選択することが重要です。
「どのインターフェースを選べばよいか」は、カメラの画素数やフレームレートだけでなく、カメラとPCの距離、必要な画像転送量、使用環境、複数台カメラの有無、システムコストなどによって変わります。
産業用カメラを選定する際は、カメラ本体のスペックだけでなく、インターフェースを含めたシステム全体で検討することが重要です。
株式会社リンクスでは、各種インターフェースに対応した産業用カメラや画像入力ボード、ケーブルなどを取り扱っています。
カメラの選定やインターフェースの選択でお困りの場合は、必要な解像度、撮像速度、伝送距離、使用環境などの条件に合わせてご提案いたします。
LINXについて
株式会社リンクスは、最先端の技術を世界中から誰よりも早く発掘し、技術力と経験を持って製造現場に実装する、テクノロジープロバイダです。
私たちのミッション
「世界の天才たちの夢を、ビジネスに。 -技術立案、日本を取り戻す-」
私たちは、まだ世界から発見されていなかった天才たちが作り出した技術を送り届けています。しかし、ただ新しい技術を発見するだけではなく、それぞれの現場に適応できるよう、技術を磨き、お客様へ届けることをミッションとしています。
私たちのビジョン
「工場から人を消す -究極の生産効率の最適解を届ける-」
私たちリンクスは世界中から最適な技術を探し出し、組み合わせ、究極の生産効率を実現することで日本の国力を再び上げることを目指しています。
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