USB3 Visionインタフェースは、アナログやCameraLinkに代わる汎用デジタルインタフェースとして市場のシェアを拡大し続けており、GigE Visionインタフェースの製品リリース後の立ち上がり時の成長を上回るスピードで成長を遂げている。

USB3 Visionインタフェースとは

2008年、USB2.0に代わる規格としてUSB3.0が登場した。現在では、PCの周辺機器として広く搭載される規格の一つとなっており、産業用カメラにおいても新たなカメラインタフェースとして幅広く浸透している。しかし、USB3.0は汎用インタフェースのため、産業用途の使用を主な目的として制定されたわけではない。そこで国際標準化団体であるAIA (Automated Imaging Association)が中心となって、USB3.0の特長を活かしながら、産業用途で使用できるように必要な通信仕様を盛り込んで生まれた標準規格が、USB3 Visionである。本規格は、GenICam規格をベースとすることで、キックオフした2011年9月から14ヵ月で完成に至った。

他のインタフェースと比較してUSB3 Visionを使用するメリットは、理論的には5Gbit/sec、実効値としては約350MB/secもの高速データ転送ができる点が挙げられる。これはGigE Visionの約3.5倍であり、下図が示すように、CameraLink Baseを凌駕している。一方で、DMA転送を実装しているためCPU負荷も非常に低い上、信号の安定性能も優れており、電気的・規格的に安定していると言える。

カメラインタフェース比較表

またUSB3 Visionカメラではリアルタイム性能が高く、下図の実測例のようにトリガー入力に対する応答性能もCameraLinkと比べ遜色ない。システムコストとしては、専用の画像入力ボードが必要ないため、CameraLinkに比べ大幅なコストダウンを実現できる。

USB3 VisionとCameraLinkリアルタイム性比較

市場のメガトレンド

USB3 Visionインタフェースの導入が加速した別の要因として、産業用カメラ市場における大きなトレンドの変化が挙げられる。下図で示す通り、ここ10年の間でアナログからデジタル、CCDからCMOS、PCからEmbeddedという3つのメガトレンドが市場を賑わしている。

市場の3つのメガトレンド

アナログからデジタルへ

特に国内市場では、長きに渡りアナログインタフェースが市場のメインインタフェースとして活躍してきた。しかし、汎用デジタルインタフェースの登場およびコストダウンにより、ここ10年で状況は大きく変わった。USB3 Vision、GigE Visionはそのトレンドの立役者であるが、このトレンドの加速は、世界No.1の産業用カメラメーカーである独BASLER社が行った量産効果による圧倒的なコストダウンによって、GigE Visionインタフェースを市場へ広く展開したことが大きな要因のひとつと言える。GigE Visionの後を追って登場したUSB3 Visionは、帯域の広さやプラグ&プレイ(接続の容易さ)といった特徴からアナログ、CameraLinkインタフェースの置換えを更に促進し、GigE Visionと市場を分け合う主力インタフェースとして成長した。

CCDからCMOSへ

CCDセンサーからCMOSセンサーへの移行が進んだことも、USB3 Visionが市場に広く浸透した理由のひとつとして挙げられる。高解像度かつ高速なCMOSセンサーの登場により、汎用デジタルインタフェースの中でもより広い帯域を持つUSB3 Visionインタフェースが求められるようになった。これまで、CCDセンサーは産業用カメラ市場において、その品質・画質により圧倒的な地位を築き上げていた。しかし、原理上VGAクラスでも120fpsにとどまり、高速なデータ読み出しが出来なかった。VGAクラスで120fps、5Mpixで17fpsというデータ転送量はGigE Visionインタフェースで十分に賄える領域である。しかしながら近年、高速と高解像度を兼ね備えたCMOSセンサーの登場により、それまでGigE Visionで十分だった帯域から、より広い帯域を持つインタフェースが求められるようになってきた。この要求を満たすインタフェースがまさにUSB3 Visionであり、市場へ急速に浸透していく事となった。

こうした動きは、センサー技術の改良とそのリリースのスピードもさらに加速させる。現在ではCMOSセンサーメーカーもラインナップが多岐に渡るものとなったが、その中でもここ数年で、高速高画素のセンサーを搭載したカメラがより目立つようになった。

PC から Embeddedへ

アナログからデジタル、CCDからCMOSのトレンドに続き、産業用カメラを取り巻く市場は次なる大きなトレンドを迎えようとしている。Raspberry Piのようなシングルボードコンピュータの登場により、組込システムの構築のハードルは下がりつつあり、それに伴い画像処理システムはこれまでスタンダードであった大型のPCベースではなく、組込ベースのシステムが主流になると予想されている。これらのシングルボードコンピュータは、標準でUSBやGigEのインタフェースを搭載しているケースが多く、USB3 VisionカメラやGigE Visionカメラの採用をさらに促進すると考えられる。こういった組込システムとUSB3 Vision、GigE Visionの組み合わせは専用ボードが不要という特徴だけでなく、コンピュータ自体のコストを削減できるため、トータルのシステムコストを抑えることが可能だ。これにより、従来コスト要因で画像処理システムの導入が困難であった市場、特にFA以外の市場へ向けて新たな画像処理システムの導入検討が可能となる。

“総所有コストの最小化”という考え方に基づく、BASLER社のFPGA設計と開発

BASLER社では、多種多様なインタフェースとセンサーのラインナップが多く、技術力も高い。USB3 Visionインタフェースの浸透と高性能なセンサーの登場により、カメラメーカーは低価格で高性能なカメラを提供する事が求められるようになっている。

こうした現状において産業用カメラの差別化は、画質に関わるFPGAの設計思想と、PCとの親和性や操作性の向上を求められるカメラドライバとSDKの品質が大きな要素となる。同じCMOSセンサーを搭載しているデジタルカメラが、必ずしも同じ画質を再現できるものではないように、産業用カメラにおいてISP(ImageSignalProcess)の開発は、今や各カメラメーカーのコア技術となっている。

一方、センサーのラインナップの増加と高精度化に伴い、カメラに付随する光学系の買い替えが、トータルとしてのビジョンシステムコストの増加を招いてしまうケースも少なくない。 BASLER社は「Total Cost of OwnerShip(総所有コスト)の最小化」という考え方から、ユニークな機能開発を最新のFPGA技術で実現し、他社メーカーとの差別化を図っている。その一つが、新しく搭載された「ビネッティング補正」という機能である。

ビネッティング補正とは、カメラのセンサーサイズに対してレンズのイメージサークルが小さい際に発生する口径食を抑える機能である。この機能では一度だけカメラのキャリブレーションを行い、撮影時にカメラ内に保存した補正値を自動的に適用する。その結果、レンズを大型のものへ変えなくとも、口径食を防いで画質への影響を抑える事ができるというものである。またこの機能を使用する事での、フレームレートへの影響もない。

ビネッティング補正機能を使用していない画像(左)と使用した場合の画像(右)

近年登場したSONY IMXシリーズをはじめとする1インチを超える大型センサーは、高性能で、且つ従来のハイエンド高画素カメラと比べてコストパフォーマンスも良い。さらにこの機能により、レンズのコストも最小化できる。

産業カメラを取り巻く市場は、現在大きな変化のさなかにある。その流れの中で、今後汎用的なインタフェースとして、USB3 Visionも市場でより広く浸透していく事が予想される。最新のセンサーにこうした独自のFPGA技術を組み合わせる事で、更なる付加価値を与えていくことが求められている。

*本記事は、「映像情報インダストリアル」3・4月号で連載された「市場の流れから読み解くI/F動向とBASLER社のFPGAソリューション」を下に作成しています。