Taking a Family Approach to Industrial Vision Systems

現代社会の自動化の進展に伴い、あらゆる分野でセンシングの重要性が高まっています。光や温度などの単一パラメータを監視するシンプルなものから、シーン全体を驚異的なフレームレートで記録して解析できるイメージセンサなどの高度なデバイスまで、さまざまな種類のセンサが存在します。

イメージセンサの注目度はますます大きくなっており、身近なものから想像もつかないようなものまで、さまざまな用途で使用されています。産業分野では、セキュリティの監視、工程のチェック、完成品や仕掛品の検査、フラットパネルディスプレイのチェック、さらには皆さんのお気に入りのハリウッド映画の撮影など、さまざまな用途で使用されています。しかし従業員とは異なり、イメージセンサは何も見逃すことなく、24時間年中無休で働くことができるのです。

設計の課題

カメラシステムの設計は難しいものです。産業用アプリケーションでは、環境（温度、湿度、汚れ、電気的スパイクなど）に起因する非常に多くの課題があります。しかし、最も根本的な決定事項は、通常、センシング要素であるイメージセンサで、これが設計を左右します。

センサの解像度は、重要な決定事項の1つです。キャプチャした画像やビデオストリームは、監視する人（またはソフトウェア）が必要な速度で詳細を確認できるよう、きめ細かくかつ十分な速度である必要があります。しかし、解像度を上げる一方で、下流の電子機器が処理できない速度でセンサを動作させると、センサのコストが上がり、伝送とストレージ容量により多くの帯域幅を必要とし、さらにコストが上がります。したがって、指定されたセンサはタスクに適切であることが不可欠ですが、オーバースペックであってはなりません。

解像度は消費電力とも関連しており、システムが主電源で動作する多くの場合、これはあまり問題にはなりません。しかし、ドローン、ポータブルテスタ、IoTデバイス、さらには工場や倉庫で一般的になりつつある無人搬送車（AGV）などのバッテリ駆動の機器では、オーバースペックのセンサを使用すると、充電と充電の間の有効作業時間が大幅に短くなる可能性があります。さらに、過剰な電力消費は過剰な熱放散を招き、最終的にノイズを発生させ、全体的な画像品質に影響を及ぼします。

現代の産業環境における多くのアプリケーションでは、カメラはさまざまなタスクを実行し、それぞれ異なる解像度を必要とします。例えば、単純な検出用途であれば低解像度のカメラを使用し、詳細な機能の検査が必要なアプリケーションではば高解像度のカメラを導入します。

このアプローチでは、センサのオーバースペックという落とし穴は避けられますが、解像度ごとに異なるセンサが必要になります。しかし、多くの場合、センサごとに異なる設計が必要となり、設計の手間と時間が大幅に増えてしまう。また、設計が完了しても、それぞれ異なる部品を使用するため、スケールメリットの恩恵を受けることができなくなります。

イメージセンサは、その利便性と価値から人気が高く、多くの企業が初めて採用する技術となっています。しかし、その習得は非常に困難であり、経験豊富な設計者にとっても設計は厄介なものとなっています。

ファミリ・アプローチによるメリット

異なる解像度で異なる機能セットを持つさまざまなカメラが必要であるにもかかわらず、設計者は「理想的な世界」では設計を1つだけで完成させたいと考えています。しかし、各カメラを特定のアプリケーションに最適化するためには、異なるセンサが必要なため、それは不可能に思えます。

しかし、オンセミ（onsemi）は、先進のイメージセンサであるPYTHONとXGSシリーズで、「ファミリ」のアプローチを採用しました。7種類のXGSセンサは、2.3メガピクセル（MP）から45MPまでの幅広い解像度を提供しますが、すべてのデバイスは、業界標準の29mm×29mmレイアウトに対応する共通のフットプリントを備えています。高解像度では、20MPから45MPまでの4つのXGSデバイスは、フットプリントは異なるものの、共通となっています。PYTHONシリーズも同様のアプローチで、1.3MPから最高で26.2MPまでの解像度を提供しています。
性能がわかっている状態で、45MPまで（およびそれ以上の解像度）のカメラのハードウェア設計を単一化することで、設計者の単一設計の希望に応え、設計時間とリスクを大幅に削減し、製造コストのスケールメリットを利用できます。さらに、ファームウェアなどの知的財産（IP）は一連のカメラ全体で再利用でき、ハードウェアのファームウェア更新が必要な場合でも1回で済むため、設計の保守コストを削減できます。

オンセミは、画像センシングを初めて行う設計者をサポートするために、ハードウェア・プラットフォームとセンサ評価用ソフトウェアDevSuiteを備えたデモキットをはじめ、複数の開発ツールを提供しています。また、インテルFPGA（旧Altera）およびザイリンクス（AMDの一部）FPGAと直接インタフェースするFPGAコードを備えたX-Celeratorプラットフォームや、HiSPiからMIPIへ変換にラティス FPGAを使用したX-Cubeリファレンスデザインも利用できます。X-Cubeは、画像のキャプチャ、処理、解析にDevSuiteソフトウェアも使用しています。

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