画像処理検査装置・外観検査装置のヴィスコ・テクノロジーズ

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画像コラム・画検新聞

外観検査成功の鍵となるカメラ選定の基礎知識

画像処理検査装置の機能を大まかに分けると、① 画像を入力し、② 入力した画像から、傷や異物、印字品質や形状の違いの有無について検査を行い、③ 検査結果を出力、となります。この中で「カメラ」は、① を行うことを目的として装置本体に接続されます。
同時に、外観検査では常に検査に適した画像が入力される必要があるため、カメラに接続する「レンズ」と検査対象物を適切な明るさにするための「照明」も同時に重要かつ必要となります。例えば、ある製品の表面上にある傷を検査したい場合、この傷が常に安定して抽出できるような条件を作り出せなければ、画像処理による検出は安定しません。
つまり、傷が見えなければ検出ができません。この条件は「カメラ」、「レンズ」、「照明」による中で、「カメラ」の選定においては、どのぐらいの傷や異物を検出したいかで 決めることができる、ということであります。今回の特集は、「カメラ」選定における注意点に焦点を絞り、選定の一助としていただければと思います。

画像処理検査における2つの撮像方式

画像処理システムでは大きく分けて2つの撮像方式があります。

① エリアセンサカメラ

2次元の画像(四角い画像)が得られる、画像処理システムにおいて最も一般的に用いられる撮像方式です。取得できる画像のサイズは、カメラによって決まります。画像取込時、対象物は静止していることが望ましいですが、ストロボ照明を用いることで、動いている対象物でも画像取込を行うことは可能です。「30万画素カメラ」、「500万画素カメラ」のように表現されることが多いです。

② ラインセンサカメラ

1次元の画像(1列分)を連続的に取得し、2次元の画像を得ることができる撮像方式です。
スキャナーやコピー機と同じ原理。画像取得時は、カメラもしくは対象が一定方向に動いている必要があります。また、取得される画像のサイズは、移動(流れ)方向に対しては任意に決めることが可能です。エリアセンサカメラに比べ、大きな対象物に対して有効で、連続的に画像を取得するような場合に最適な方法です。「1024 画素ラインカメラ」、「4096 画素ラインカメラ」と表現されることが多いです。

画像処理カメラでモノクロが選ばれる理由は

エリアセンサカメラとラインセンサカメラ、どちらの撮像方式でも、出力画像が異なるカラーカメラとモノクロ(白黒)カメラがあります。画像処理においては、圧倒的にモノクロカメラが使われる事が多いです。モノクロカメラは、カメラから得られる明るさの情報から明るい箇所は白色、暗い箇所は黒色に表現し、明るさの程度を256段階で表す256階調(8 ビット)や、1024 で表す1024 階調(10 ビット)の画像を出力することができます。

これは、画像を構成する最小要素である画素の階調が、256 もしくは1024 の明るさで表現されるということを意味します。256 階調の場合、最も暗い箇所は "0" 、最も明るい箇所は "255"となります。画像処理では、画素の明るさのことを「輝度」と呼び、その値を輝度値や濃度値と呼びます。また明るさの階調を持った多階調で表現される画像の事を"濃淡画像"または"グレイ画像"と呼び、この濃淡画像を対象とする画像処理のことを「濃淡処理」と呼びます。

濃淡処理においては一般的に256 階調の画像がよく使われます。画像検査の場合、検査対象物表面にある傷や汚れ、異物などがある部分の光の当たり方や反射の仕方が変わり、カメラで撮影された時に明るさの違いとなって表れ欠陥部分を検出することができるようになります。当然ながら256 階調よりも1024 階調の方が、明るさの変化を細かく表現することができるため、小さな明るさの変化の違いを検出するのに有利となります。しかしながら扱う画像のデータ量が膨大となるため、処理時間も多くかかることがデメリットとなります。

一方のカラーカメラは、その名の通り色の情報が含まれた画像を出力します。目から得られる情報と同じため直感的でわかりやすいメリットがあります。カラーの情報は、赤(R)、緑(G)、青(B)の3成分で表され、一般的に各成分256 の階調で1画素あたり1667万色の色の情報を持ったものになります。検査対象物の色違いの検出や、色むらの判定などに有効であるが、濃淡画像に比べて3倍ものデータ量となることから、画像処理装置の性能も高いものが要求されます。

画素数による検出サイズの違い

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▲30万画素カメラによる撮像
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▲500万画素カメラによる撮像

特にエリアセンサカメラの場合、カメラによって画像サイズが決定されてしまいます。画像のサイズ(縦および横方向)が大きいほど、より多くの情報を得られた画像であり、小さな欠陥を検出することが可能となる。例えばエリアセンサカメラでは、30 万画素カメラは一般的に、横方向サイズが640 画素、縦方向が480 画素であります。横方向サイズが640mm の対象物を視野いっぱいに撮像した画像を処理する場合、1mm/1 画素となります。この場合、1mm よりも小さな欠陥は見えない(画像に表現されない)ことになります。

画像処理で欠陥を検出する際、1画素では欠陥として判断することはできません。確実に検出するには4画素程度は必要となります。1mmの欠陥サイズを見つけるためには、1画素あたり0.25mm程度となるようなカメラを選ぶことになります。同様に、500万画素カメラの横方向サイズが2488画素、縦方向が2050画素となっている。500万画素カメラを用いることで0.257mm/1画素となり、1mmの欠陥の検出が可能となります。

500 万画素カメラの画像は30 万画素カメラと同じサイズ(横方向640 画素、縦方向480 画素)となるよう中心部分の画像を切り出したもので、より細かく(拡大して)撮像された画像であることがわかります。

カメラ選出のポイントは

検査する対象物の大きさはどのくらいなのか、何を・どこを検査するのか、どのぐらいまでの傷や異物などを" 欠陥" として検出しなければならないのか。こうした要求項目に照らし合わせることで、選定するカメラは自然と浮かび上がって来ます。

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