Machine Vision Industry
に於ける標準化の現状と工業会
の必要性
Toshi Hori
• Machine Visionにおける標準化の流れ
• Camera Link
• GigE Vision
• GenIcam及びEMVAとの関係
• EMVA1288
• GPIO
• Machine Vision業界と工業会の必要性
Camera Linkへの道、そしてPlug-and-Playへ
画像機器とその規格は以下の様な業界と供に発展して来ている
映画/TV/レコーディング
SMPTE
TV/Broadcast
EIA, CCIR,NTSC, PAL,EIAJ, ITE
CCTV
Frame Grabber Interface (無法時代始まる）?
Non-TV format
Line-scan, Progressive, CMOS, Async reset,
Digital output
RS-422, LVDS (parallel output)
Serial input/output RS-232, ???
Machine Vision専用 Camera Link
Computer/Network IEEE1394, USB, Ethernet, PCI, etc.
“Plug and Play”が重要に
Local Server
機能
各種GPIO(CAN, PROFI bus,
Surveillance, etc)
Camera Link
•
AIAの最初の統一規格。
– 以前AIA connector standardの試みあり
•
Flat-panel display及びTelecommunicationで使われ始めた
Channel Link技術を適応。
•
Digital output CameraとFrame grabber間のHardwareを規格
化。これによりNon-TV formatのカメラを使った応用が急速に広
がった。(Line scan, Mega-pixel camera, High frame rate
camera)
•
Frame grabberメーカーは各カメラとのApplicationソフトを個別
に対応する必要性あり。
•
高速性、Multi-tap出力、Frame-grabber対応の必要な
Applicationに向いている。
•
小型化（PoCL)へ移行。 アナログ出力からディジタル化促進
GigE Vision標準化の過程
• Computerの機能向上とEthernetの普及で高速画像の取り込みがFrame grabber無しで出来る為次世代のMachine vision技術として認識される
• Network機器の為Plug and Playが要求されMachine visionとしての標準化が
急務となる
• GigE, Ethernet, API等の経験のある数社でAdhocグループ結成(2003年）。標準
化委員会と原案を作成。グループは約20社に。
• AIAの認可を受けAIAのStandard Committeeとして正式に活動。
• Committee memberを拡大。約50社に。
• Protocol WGはNorth America, API WGはEuropean Companies中心に活
動を進める。
• Bootstrap, Data transfer protocolなど基本的GigEの接合性とLine scanなど
特殊カメラを含めたデータ転送は完了。
• APIグループがGenIcam Standardへ別組織化IIDC等を含めた総合的なカメラコ
ントロールの標準化を目指す。スケジュールに遅れ。
• GigE VisionではPlug and Playを重視してGenIcamの採用を決定
• GigE Vision採択の為のFeature List作成WGを新たに作る。この結果を待って GigE Vision の批准を行う
Ethernet Technology
100/10 Base T Ethernet は今日のインフォーメーションテクノロジーの基本で、 立証され
ている技術である. Digital data communicationの圧倒的多数がEthernetによる
(>95% of total LAN vs. ATM, FDDI, Token Ring)
Giga-bit Ethernet は現在の 100 Base Tに対し単純にBandwidthが大きくなっている
だけである(backward compatible). 多くのサプライヤーより容易に入手可能となっ ている （インフラストラクチャー完備）
Full-duplexでLink間の Band width sharing を必要としない
双方向通信で銅線又はファイバーによる連続データ 転送が可能
スケーラビリティ （10 Mb/s, 100 Mb/s から 1 Gb/s 又は 10 Gb/sへ）
高度QoS (Quality of Service: i.e. RSVP:Resource reservation protocol) により遅 れが厳しい通信が可能 (voice, video でも専用回線が不要となる）
Extensive error handling 及びpacketの再転送 による極めて高い信頼度,
CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection for half-duplexの実施
回線管理や故障診断のツールが整っている (infrastructure)
GigE が Machine visionに向いている理由
Bandwidth
– 1 Gb/s data rate は108-MByte/s のイメージ転送に相応し,今日のマシンビジョンの殆どはカバー出
来る
Full duplex
– 膨大なデータファイルと微小遅延の必要性からfull-duplex operationが必須
Distance
– リピーター無しで100mもの距離がとれる.100 m以上でも low cost Ethernet switchesにより幾ら でも距離が伸ばせる
Cost and ease of use
– フレームグラバは不必要
– 標準のEthernet LAN 設備, low cost PCs, low cost cable – メインテナンスが簡単でシステムの数が減少出来る（Network)
Flexible
– Camera と PC間, Network によるsetting, 現場にコンピュータ不必要 Multiple cameras, Multiple computers
– High band widthとLANによりmultiple camera、multiple computer/monitoring （Multicast)
GenIcam （Generic Interface for
Cameras) under GigE committee
•
GigEの目的はNetwork機器としてEthernet規格を満足す
ると同時にMachine VisionのAPIおよび画像処理ソフトが
共通に使えること
•
Device discoveryとData transfer ProtocolはNorth
American companies中心のWG
•
APIはBaslerの提唱したXMLによるRegister baseのカメラ
コントロール方針を採択European WGとして出発。
•
XMLによる共通のGUIやコントロールファイルを作る事でカ
メラメーカーの余分な開発を省く
•
ソフトメーカーは自分のDriverに乗せるだけであらゆるカメラ
のコントロールが可能となりカメラ毎のDriver開発が不要と
なる
•
GigE Visionを目的としたXML ファイルの作成を担当
GenIcam for common standard
• GenIcamの基本となっているXMLによるカメラコントロールは元々IIDC （IEEE1394-DCAM)用カメラに開発された為他のインターフェイスへの応用をも重 視してGigEとは別組織としてAdhoc groupを形成。拘束の少ないEMVAの管轄 となる（April 2005)。殆どのメンバーはGigE をも兼ねるがヨーロッパの会社が主 体。• StandardのWorking groupは投票権のあるメンバー（Contributing member)
とAssociate Memberがある。
• EMVAに登録さえすれば無料でソフトが使用可能
• ソフトのソースコードは個別に変更出来ない。変更の必要な場合はContributing メンバーによって決定される。
• Modular concept
• Gen Api Configuring camera
• Features Recommended names for common features
• Transport Layer Grabbing images
• Data Stream Interpreting additional data
現時点ではGen Apiのみ。このStandard と供にReference softwareがある。
Reference softwareを使うことによりカメラメーカーは標準的な機能は新たな開
GenIcamの現状と課題
• GigE Vision標準化のプロセスでGenIcam部分の遅れが全体の遅れの原因に
なっておりGigE Visionに関するFeature Listの作成が急務となっている。
• Feature Listは12月中旬に最初のMeeting があり2006年2月までに完了する
予定。その後GigE Visionは批准投票に掛けられる。
• Voting memberが限定され適時の変更が難しい。少しでも変更すると
GenIcam基準を満たさなくなる(Take all or nothing)。
• Register baseのカメラのみに適用。RS-232コントロールやCMOSのI2C
Direct control等の実行が難しい。
• あくまでもカメラコントロールが中心でEther Netの様に他のI/O (GPIO)は現状コ
ントロール出来ない。 • 汎用カメラはGenIcam complianceとして各種のソフトに対応出来るが実際の アプリケーションではDriverの機能性やOEMのソフトへの対応可能性等必ずし もGenIcamを使わないケースも出て来ると思われる。 • こうした多用なアプリケーションを考えるとGenIcamのXMLにExtensionを設け たASCIIやJAVA、ｄｌｌ等の追加も必要となるであろう。
• OEMに提供するソフトはAPI (GenApi)やReference softwareがSoftware
vendor、Camera maker等から出される事になるがSDKなどのサポートが弱ま
EMVA
• ヨーロッパにおけるMachine Vision Association
• 最初はドイツの VDMA の一部組織であったが2003年の5月に独立組織と して発足 • 活動内容はAIAと似てネットワーキングや標準のホストなどを中心に活動し ている。 • メンバーは当初ヨーロッパの会社の限定されていたが現在ではAIAの働き かけによりオープンとねっている。 • 現在約70社が会員となっておりヨーロッパにオフィスのある会社が中心であ るが内North Americaが8社、日本企業が5社含まれている
European Machine Vision Association Lyoner Strasse 18
D-60528 Frankfurt am Main Telephone +49-69-6603-1466 Telefax +49-69-6603-2466 Email: [email protected]
VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau - German Engineering Federation) はそのネットワークに約3,000 社の技術関連企
VDMAの関連分野
Offshore Equipment Organic Electronics Packaging Machinery
Pharmaceutical + Cosmetic Machinery Photovoltaic Solar Technology Plastics Machinery
Polymer Electronics Precision Tools
Printed Circuit Board Production Equipment Printed Electronics
Process Engineering, aseptic Process Plant and Equipment Productronics
Recooling Technology
Robotics
Robotics + Automation
Rubber Machinery
Semiconductor Production Equipment Spinning Machinery
Technical Textiles, Machinery for Textile Machinery
Water Technology Wastewater Technology Weaving Machinery Woodworking Machinery Work and Tool Holders Agricultural Machinery
Building Material Machinery Ceramics Machinery Construction Equipment Cutting Tools
Dies and Molds Displays
Electronics Production Equipment
Finishing (washing, bleaching, dyeing) Machinery Flat Panel Displays
Food Processing Machinery German Flat Panel Display Forum Glass Technology
Jigs and Fixtures Knitting Machinery
Lasers and Laser Systems for Materials Processing Lenght Measuring Technology
Machine Tools and Manufacturing Systems
Machine Vision
Man-made Fibre Production, Machinery for Marine Equipment
Mining Equipment Municipal Equipment
Mineral Processing Natural Stone Machinery Nonwoven Machinery
EMVA-1288 Standard
EMVA のイニシャティブで始まった標準化作業でMachine
Visionに使われるカメラやイメージセンサーのスペック及び
パラメータの定義、計算法と測定法の統一を目指している。
•
センサーやカメラのスペックの透明度を増す事を目的とする
•
放送用標準規格ではMachine Visionのシステムに使われ
るカメラやセンサーの機能を記述するには適さない所が多い。
•
EMVA Standardization Working Group は2004年4月
発足し、カスタマ−の要求に応え、データシートの不公平な
比較を無くし、質問に対するサポート時間を抑え又はアプリ
ケーションに適するカメラやセンサーを選択し易くする為デー
タシートの透明度を上げる事が出来る様スペックの定義を明
確化している。これにより工業会の信頼度を上げる事を目的
としている。
1288 Modular standard のフレームワーク
¾
標準はモジュール化により部分的に完結して行く
Module 1
•Sensitivity
•Quantum efficiency
•Dynamic range
•Spatial and temporal
noise
•Over all system gain
Module 2
•Linearity
•Artifacts
•Defect pixels
Module 3
•Color
Module X
•More to
follow
The modular approach protects investment in
Module 1の内容
Description of Mathematical model
p e K y η n n d n quantum efficiency system gain number of photons number of electrons digital grey value dark noise
Camera
Mathematical
Model
Parameters
Parameter
Identification
The photon transfer method
Derived Quantities
– Overall system gain
– (Responsivity of the sensor/camera)
– Total Quantum efficiency
– (QE including FF, glass ML etc..)
– Full well capacity
– (How many electrons are needed for
the saturation signal)
– Absolute Sensitivity
– (How much light equals the read
noise)
– Dynamic input Range
dark y y dark temp y temp y
K
. 2 . . 2 .µ
µ
σ
σ
−
−
=
p dark y y Kµ
µ
µ
η
= − . sat p sat e.ηµ
.µ
=
( ) ( ) ( )
( )
const . 0 . 0 = − − = p dark y y dark y y µ µ λ µ µ λ µ λ η λ ηη
σ
µ
d p.min=
min . . p sat p in DYN µ µ =GPIO and Accessory
• 今後のディジタルカメラは益々
Network device化して
行く
– Local server として機能する
•
監視及びITS
– P/T control, lens and lighting control
– Audio I/O, Alarm I/O
•
ファクトリーオートメーション
– CAN, Device Net
– PROFI BUS, RS-485
– 他? これらはほんの一例である
他の標準と共用出来Machine Vision業界に共通する標準化も要求さ
れてくる。
NTCIP standard libraryの例
1102 Base Standard NTCIP Octet Encoding Rules (OER)
1103 Base Standard NTCIP Transportation Management Protocol (TMP)
1104 Base Standard C2C Naming Convention Specification
1105 Base Standard NTCIP CORBA Security Service Specification
1106 Base Standard NTCIP CORBA Near Real-Time Data Service Specification
1201 1101 Base Standard
1202 Device Data Dictionary NTCIP Object Definitions for ASC
1203 Device Data Dictionary NTCIP Object Definitions for Dynamic Message Signs (DMS)
1204 Device Data Dictionary NTCIP Environmental Sensor Station Interface Standard
1205 Device Data Dictionary NTCIP Objects for CCTV Camera Control
1206 Device Data Dictionary NTCIP Object Definitions for Data Collection
1207 Device Data Dictionary NTCIP Object Definitions for Ramp Meter Control (RMC)
1208 Device Data Dictionary NTCIP Object Definitions for Video Switches
1209 Device Data Dictionary NTCIP Object Definitions for Transportation Sensor Systems (TSS)
1210 Device Data Dictionary NTCIP Objects for Signal System Masters
1211 Device Data Dictionary NTCIP Objects for SCP
1212 Device Data Dictionary NTCIP Objects for Network Camera Operation
1213 Device Data Dictionary NTCIP Objects for ELMS
1301 Message Set Weather Report Message Set for ESS
1400 Process, Control & Info Mgmt
Policy TCIP Framework Standard
画像処理機器工業会の役割
•
Machine Vision Industryは先端技術を駆使しているが企業形態
は中小企業が多い。
•
AIAの会員は243社。８０％強は＄５Million以下の規模である
•
EMVAでも状況は同じである
•
新しい技術は変化が急で大手の企業でも1社で全てを開発するの
は不可能になって来ている
•
グローバル化が進みメーカーは世界市場を考えなくてはならなく
なっている。企業間のネットワーキングが重要な関心となっている。
•
規格の統一や運用作業
•
Market study
•
展示会やセミナー主催又は共催
•
他の工業会との連携
•
法律や専門家を工業会として雇用できる
•
WebやInternetを使ったプロモーション
（
www.machinevisiononline.org
)
標準化の種類
Top down standard
政府、公共団体、学術団体等に起因する標準化
法律に基づく場合、排他的意図、安全環境規格、国策、….
Ad hoc group activity
Machine vision industry standardsはその良い例
新技術の規格化など業界有志で始める事もある。
コンソーシウムが組織される(CAN, Devicenet, …..
De-facto standard and extension
一部の会社で開発された技術をオープンしそれを基に標準化
基準のホスト組織に登録する （IEEE, ANSI, EIA….
IEEE1394 from FireWire by Apple、IEEE802 Ethernet、
PC interfaces by IBM
標準化に掛る費用
今日の急速に変化するHigh Tech業界では1社で世界に通用する規格を作るのは不可能に近い。世 界規模の規格を作る為の費用も巨額に上る。
– How much will be for GigE Vision? GigEに関する費用は現在までに総額＄１ Millionを下らない。 会社は標準化の為の人材、時間、経費を保証する強いコミットメントをしなくてはならない。それでも他 の企業がその規格を使うという保障は無い。 大企業のみが達成可能？ 中小企業でも工業会として動けば可能になる？ 工業会の標準化のもたらす効果? Huge! – 各社のコミットメントがありその優秀な人材が知恵を持ち寄ることが出来る – 開発のスピードと効率アップ – 市場の受け入れが早い – 市場が広がる – 個々の企業の経費が抑えられる – 新しい技術の受け入れが早まる – 何社から製品が入手可能となりサービスが良くなる
