株式会社アルゴ

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カメラ画像入力

出力&バス インターフェースとデータ帯域&必要容量
産業用カメラとフレームグラバーボード用

産業用カメラや画像入力ボード・フレームグラバーボード(キャプチャーカード)に採用されている各入出力インターフェースやバスインターフェースのデータ帯域や必要容量について簡単に解説します。尚、各数値は参照値になり実際の値を保証するものではありません。詳細はお問い合わせください。

出力インターフェース

  転送帯域
(理論値)
転送方式 コネクタ ケーブル長さ
ギガビット
イーサネット
1000Mbps IEEE802.3ab Rj45 1000BASE-T
8ピン
100m UTP CAT5/6
(スイチャ使用でさらに延長可)
USB2.0 480Mbps 高速シリアル USB-4ピン 5m
USB3.0 5Gbps 高速シリアル マイクロBソケット
-4ピン
3m
IEEE1394b 800Mbps 高速シリアル b-9ピン 4.5m
IEEE1394a 400Mbps 高速シリアル a-6ピン 4.5m
CameraLink 2200Mbps パラレル(LVDS) MDR26ピン 10m
PoCL 2200Mbps パラレル(LVDS) SDR26ピン 10m
イーサネット 100Mbps IEEE802-xx Rj45 10/100BASE-T
8ピン(内4ピン不使用)
100m
CoaXPress 25Gbps 非対称型
高速ポイント間
シリアル
BNC 100m
(同軸ケーブル)
GigE/ギガビットイーサネットは、イーサネットの転送帯域10Mbps、100Mbpsを広げるため、IEEEの802.3のワークグループにおいて1996年から標準作業が進められたもの。通信レート1000Mbpsでの半二重および全二重通信と802.3イーサネットフレームの使用、10BASE-T及び100BASE-Tとの対応など、それぞれの指針に沿って標準化が進められた規格。帯域幅1Gbps(1000Mbps)においてUTPケーブルを使う1000BASE-Tでは100mまでの延長が可能で、ジャンボフレームを使って一度にデータを伝送する方式が支援され大容量データ転送ができ、近年の産業用カメラにも出力インタフェイスとして採用が進んでいる。ギガビットイーサネットの出力を採用したカメラを使用すうる場合、バスインタフェイスを採用したフレームグラバーボード(キャプチャーカード)を使用する場合より処理側CPUの負荷が高くなっていたが、GigEフィルタドライバーや専用ドライバーの開発で大幅な負荷低減を達成している。次世代産業用カメラの中核出力インタフェイスとして期待されている。
GigE Visionとは
GigE VisionはイーサネットのIPネットワーク上で動作するプロトコルを決めた物で産業用カメラの共通プラットフォームとして規格化された。GenICamで取り決められたカメラのデバイス設定ファイルXML形式によって、メーカーの異なるカメラでも容易に呼び出し/制御が可能で、開発タスクをよりスムーズに進めることが可能である。
GEN<i>CAMとは
GenICamは様々なカメラに一般的なプログラムインタフェイスを提供するもの。GigE Visionに限らずカメラリンク/CameraLinkや1394DCAM、USBなど様々な出力規格のプログラムインタフェイスとして採用されている。GenICamにはメインタスクを処理するため、カメラの設定コンフィギュレーションの取り決め、推奨名とタイプ、レイヤーインタフェイス転送とイメージの取り込みなど三つのモジュールから構成されている。GenICamではカメラのデバイス設定ファイルをXML形式にて定めている。
PoEとは
PoEはPowerOverEthrnetの略で、CAT5以上のUTPケーブルを通じて機器の電源を供給する規格でIEEE802.3afとして標準化されている。産業用カメラでは弊社のTXGシリーズを中心にごく一部のメーカーのみ採用している。
2000年4月にUSB1.1のハイスピードモードとして登場した規格で最大480Mbpsの転送帯域を持つ。USB規格はユUniversal(ユニバーサル)の文字が示す用に汎用的なシリアルバスでUSB1.0は1996年から採用が進み、PC機器で広く普及している。規格上は最大127台の機器と接続が可能でツリー上の拡張に対応し、プラグ&プレイやホットプラグインも可能である。転送帯域が広がったことに加えホストPCのアダプターから電源供給ができるバスパワー規格を搭載したUSB2.0の登場で、産業用カメラへの導入が一気に進んだ。特に消費電力が低いCMOSカメラは数多くのメーカーが製造販売するに至っている。計測器や観察、マイクロスコピーなどオフラインでのアプリケーションに広く導入が進んでいる。またアナログ信号やデジタル信号の入力ボードやコンバーターのインターフェイスとしても多くの商品で採用されている。
2008年にUSB3.0がV1.0として発表され、最大データ転送速度は5GbpsとUSB2.0の10倍の転送速度を実現してる。
IEEE1394b
IEEE1394b(FireWire B)はIEEE1394a(FireWire a)の後継となるシリアルバス規格。IEEE1394標準化委員会で2002年に仕様が取り決められ、最大3.2Gbpsの転送帯域と100までの長距離延長などの機能が規格にもりこまれているが、現在一般的に採用されているのは転送帯域800Mbpsのもので、延長距離もそれほど長くはない。マルチデバイス制御に使えるデージーチェーンなど独自の機能もあり、カメラやインタフェイスボードで複数のメーカーが採用しているが、周辺部品の市場供給量や価格面で普及力が弱いのが現状。
IEEE1394a
IEEE1394はアップル社が開発したFireWire規格をPCやAV機器向けに標準化した高速シリアルバスの規格。同期に64台のデバイスを接続することができ、USB2.0に比べてCPUへの負荷が少なく転送帯域が400Mbpsであっても実効値や安定性面から、IEEE1394出力を採用したカメラを選択するユーザーも多い。プラグアンドプレイやホットプラグイン、バスパワーにも対応しUSB2.0に十分対抗できた規格であったが、実装するコネクタ形状や特許技術のライセンス料など複雑な問題から現状はUSB2.0を採用した機器が広く流通し、インタフェイスボードなど周辺機器の供給もすくなくなり、産業用カメラでも新規採用は減ってきている。
産業用デジタル画像機器のデータ伝送方式を2000年にAIAが定めた規格で、各LVDSチャンネルによってパラレル送信しデータ転送速度は最大で1Gbpsを超える。旧来のLVDSデジタル出力を備えたカメラは、各メーカーにより使用するコネクタやピンアサインが異なり、カメラやデーターを取り込むグラバーボード側でも常に専用のケーブルを用意する必要があった。カメラメーカーとボードメーカーがコネクタやピンアサイン、使用するケーブル等を標準化したのがCameralinkで、ケーブルの入手性や取り扱いが簡単になったインターフェース。7ビットの信号を1対の線にシリアル送信でき効率的な信号伝送ができ、旧来のデジタルカメラで採用していたLVDS方式のRS-644やRS-422パラレルインターフェイスに比べ接続線数が少なく済むことから、コネクター形状の小型化やケーブル線をより細くすることも可能になった。CameraLink規格ではBase/Medium/Fullコンフィギュレーションがあり、LynxカメラはBaseコンフィギュレーションの2Tapを採用している。2TapとはCCDからの読み出し方式、1Tapで一方向、2Tapで2方向からの読み出しで、ケーブル一本で両方に対応可能。CameraLinkは産業用画像機器の入出力規格として最も信頼と実績があるインターフェースとして成長している。
PoCL
PoCLは電源供給型のミニCameraLink出力規格。CameraLink上で制御線4本のうち2本を12V電源供給に振り替えたPowerOverカメラリンクで、設置スペースが限られたFAやインラインの高速検査機器用途で、従来のCameraLinkコネクタを小型化と電源供給を載せたいという要望に応えたもの。
イーサネット
イーサネットはPCや機器ネットワークのLANで最も広く仕様されている規格。IEEE802.3の拡張した規格により10BASE-TXや100BASE-TXなどがあるが、産業用カメラでの導入は監視用ネットワークカメラなどへの採用にとどまっており、将来的にはギガビットイーサネットへ移行すると思われる。
CoaXPressは、非対称型高速ポイント間シリアル通信の規格で、一本または複数本の同軸ケーブルでビデオや静止画像の転送を行う、スケーラブルインターフェイスである。高速ダウンリンクは、一本のケーブルにつき最高6.25Gb/sで転送し、低速アップリンクは、20Mb/sの固定ビットレートで動作する。パワーオーバーもサポートしており、ケーブル長は100メートルが可能。同軸ケーブルを用いるので、アナログ信号伝送のインフラの転用ができる。CoaXPressはCameraLinkのFullコンフィギュレーション規格より広転送帯域が必要な場合に用いられるインターフェイスである。

バスインターフェース

バスI/F 転送速度 参考実効レート 転送方式 バス・コネクタ
PCI-Express x4 1000MB/秒 700MB/秒 シリアル PCIe 4レーン
PCI-Express x1 250MB/秒 204MB/秒 シリアル PCIe 1レーン
ExpressCard/54 250MB/秒 191MB/秒 シリアル ExpressCard/54
PCI-X 533MB/秒 400MB/秒 パラレル PCI-X
PCI 133MB/秒 96MB/秒 パラレル PCI2.3
PCMCIA 100MB/秒 70MB/秒 パラレル PCMCIA Type II
PCI-Express x4 / PCI-Express x1
PCI-Expressバスは2002年に規格化されたシリアル・バスインタフェイス。PCI-Xの欠点を補うべく開発され、転送1レーンあたり250MB/秒の帯域幅があり、最大32レーンまで仕様化されている。産業用の画像入力ボードやフレームグラバーボード(キャプチャカード)では1レーンと4レーンの物が採用されている。高クロック化で単位時間あたりのデータ転送量を増やし、パラレルインタフェイスのPCI-XやPCIバスの限界であった転送帯域幅とバスコネクタの小型を実現している。CameraLinkやアナログコンポジット入力の画像入力ボード・フレームグラバーボード・キャプチャーカード、DVIやアナログVGA、Dsiplayport、HDMIなどの映像信号入力ボード等が製品化されている。
ExpressCard/54
ExpressCard/54は、PCMCIAで規格化されたノートPC用小型カードに変わるインタフェイス。転送速度は250MB/秒あり、産業用ではCameraLinkやアナログNTSC入力の画像入力カード、HD-SDI入力などの映像信号入力カードが製品化されている。
PCI-X
PCIバスの規格をもとにバスクロックをPCIの66MHzから133MHzへ上げて高速化を図った規格。色々問題も多く広く普及する前にPCI-Expressが登場する。産業用フレームグラバーボードもほとんどの供給メーカーがPCI-XからPCI-Expressへの移行が進んでいる。
PCI
1992年に策定された規格でPCや周辺機器で幅広く採用されたバスインタフェイス。現在はPCI2.3準拠でクロックは33MHz/5Vが採用されいてる。安定したバスインタフェイスであったが転送速度が133MB/秒と狭く、PCI-Expressへの移行が進んでいる。
PCMCIA
PCMCIAはPCカードとも呼ばれ1993年に規格化されたもの。PC用の小型カードインタフェイスとしてフラグアンドプレイを実現した拡張カード。形状はTypeI、Type II、Type III、Type IVまであったが、転送速度が狭くExpressCard54への移行が進んでいる。

データ帯域と必要容量

産業用カメラには様々な解像度、フレームレート、ビット階調の物があり、そのデータを受ける画像入力ボード(フレームグラバーボード)にも様々な 仕様がある。使用するカメラの画像データが、画像入力ボードの 仕様やPC側バス帯域、仕様に収まるか事前に把握する必要が ありる。ここではデータ容量の算出方法についてに簡単に解説する。

計算式
(カメラの解像度×ビット×フレームレート)÷ 8(ビットからバイトへ換算)
= 1秒間のデータ容量(バイト)※1バイトは8ビット 8bit = 1byteの換算を行なうために÷8で割る。

■640×480 @30fps 8ビット モノクロカメラ
カメラの解像度は640×480=307,200画素。
(307200画素 x 8ビット x 30fps)÷8 = 9,216,000バイト
 ⇒ このカメラでは1秒間に約9.2MBある容量の画像データが1秒間に出力される。

■640×480 @30fps 24ビット カラーカメラ
カメラの解像度は640×480で307,200画素。
(307200画素 x 8ビット x 30fps)÷8 = 9,216,000バイト
 ⇒ このカメラでは1秒間に約9.2MBある容量の画像データが1秒間に出力される。
(注意)24ビットのカラー画像を取得する場合もカメラからは8ビットデータを出力し、 PC側のメモリやドライバーでベイヤー変換処理し24ビットにすることが一般的である。 したがって、カラー24ビットデータを取得する場合も通信データ帯域計算は8ビットなどで計算する。

■1392x1040 @30fps12ビット モノクロカメラ
カメラの解像度は1392×1040で1,447,680万画素。
(1447680画素 x 12ビット x 30fps)÷8 = 65,145,600
 ⇒ このカメラでは1秒間に約65MBある容量の画像データが1秒間に出力される。

※ ビットパッキング出来ない組み合わせの場合、
  10ビット以上の階調だと16ビット分の データを取ってしまうことがある。
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