マシンビジョン初心者のための画像ピクセル解像度の解説

19年2025月XNUMX日

マシンビジョンシステムにおける画像ピクセル解像度は、画像内の細部を捉えるピクセル数を表します。ピクセル密度が高いほど鮮明度が向上し、低い解像度では見逃してしまうような小さな欠陥も検出できるようになります。

高解像度カメラは 1.5 マイクロメートルという小さな表面異常も検出できるため、自動車や電子機器の製造における欠陥検出能力が向上します。
ピクセルサイズとシステム全体の解像度の増加はどちらも画像の鮮明さに影響し、オペレーターがコンポーネントを正確に測定し、品質管理を維持するのに役立ちます。
これらの基本を習得すると、あらゆる画像ピクセル解像度のマシンビジョンシステムで、より優れたパフォーマンスとより信頼性の高い結果が得られます。

主要なポイント（要点）

より高い画像解像度より細かい詳細を明らかにし、マシンビジョンシステムの欠陥検出を改善します。
適切なピクセルサイズを選択すると、照明や詳細のニーズに応じて、画像の鮮明さと感度のバランスが取れます。
カメラの解像度、レンズの品質、センサーサイズ正確で鮮明な画像を実現するには、協力し合う必要があります。
解像度の選択は、視野、最小の特徴サイズ、およびタスクの速度要件によって異なります。
照明やレンズを含むシステム全体をテストすることで、信頼性の高いパフォーマンスが確保され、よくあるミスを回避できます。

主な概念

ピクセル

ピクセルとは最小のアドレス指定可能な要素デジタル画像やディスプレイにおけるピクセル。マシンビジョンでは、各ピクセルは元のシーンのサンプルとして機能します。ピクセルはグリッドを形成し、それぞれが光の強度を記録します。カラー画像処理では、ピクセルは通常、赤、緑、青の値を保持します。カメラセンサーでは、ピクセルは1つの色チャンネルの光を捉える単一のセンサー素子を指します。2次元グリッドにピクセルを配置することで、画像処理システムは視覚情報を処理・分析できます。各ピクセルが画像全体にどのように寄与するかを理解することで、ユーザーはデータを解釈し、正確な測定を行うことができます。

解像度

解像度とは、画像内のピクセル数を表します。これにより、画像システムがどの程度の詳細を捉えられるかが決まります。解像度が高いほど、より多くのピクセルでシーンを表現できるため、より鮮明で明瞭な画像が得られます。これは、欠陥検出、物体認識、品質管理などのタスクにとって重要です。解像度には、ピクセルサイズ、視野角、センサーの品質など、複数の要因が影響します。例えば、解像度の高いカメラは単位面積あたりのピクセル数が多くなるため、小さな欠陥を見つけやすくなります。しかし、解像度を上げると処理速度が低下し、コストも増加する可能性があるため、ユーザーは詳細と速度、そして予算のバランスを取る必要があります。

画像のピクセル数は、詳細レベルに直接影響します。
ピクセル数が増えると、より細かい測定が可能になり、欠陥検出が改善されます。
ピクセルサイズ、視野、解像度が組み合わさって画像の品質が決まります。
照明、レンズの品質、センサーのサイズも重要な役割を果たします。

カメラの解像度

カメラ解像度カメラセンサーが捉えられるピクセルの総数を指します。産業用マシンビジョンシステムでは、用途に応じてさまざまなカメラ解像度が使用されます。以下の表は、一般的なカメラ解像度レベルとその典型的な用途を示しています。

解決例	ピクセル寸法	一般的な用途/アプリケーション
低解像度	256 x 256	高フレームレート、高速モーショントラッキング
中解像度	320 x 320	狭い視野内での小さな欠陥の検出
標準HD	1280 x 1024	一般的な検査業務、スピードと詳細さのバランス
1.3メガピクセル	約1280×1024	モーショントラッキング、広い視野
5メガピクセル	2592 x 1944	詳細な検査、明確な識別
8メガピクセル（4K）	3840 x 2160	非常に高い詳細度、詳細な品質管理

適切なカメラ解像度の選択は、検査対象となる最小の特徴、視野、そして必要な速度によって決まります。また、センサーサイズ、照明、環境条件も考慮する必要があります。これらの要素のバランスをとることで、画像処理システムがアプリケーションのニーズを満たすことが保証されます。

画像ピクセル解像度マシンビジョンシステム

解像度がディテールに与える影響

解像度は、画像ピクセル解像度マシンビジョンシステムより小さな細部を捉え、明らかにします。カメラの画素数が多いほど、シーン内のより微細な特徴を捉えることができます。この高い空間解像度により、システムはスマートフォンの画面の傷や自動車部品の小さなひび割れなど、表面の微細な欠陥を検出できます。例えば品質管理において、高解像度カメラは、人間の目や画素数の少ないカメラでは検出できない可能性のある欠陥を検出できます。システムが近接した特徴を分離できるため、物体認識も向上し、製品の仕分けや識別の精度が向上します。

ヒント: 解像度を高くすると、精度と細かい詳細の検出が重要なアプリケーションに役立ちますが、画像が大きいほど分析に時間がかかるため、処理が遅くなる可能性があります。

マシンビジョンシステムは、解像度と速度のバランスを取る必要があります。高速で移動する生産ラインでは、たとえ細部が失われても、速度を維持するために低い解像度が選択されることがあります。一方、プリント基板の検査など、精密な検査が必要なタスクでは、処理速度が遅くなるとしても、高い解像度が好まれます。選択は、アプリケーションの具体的なニーズによって異なります。

ピクセルサイズの役割

ピクセルサイズピクセル解像度は、画像品質とマシンビジョンシステムの性能に直接影響します。ピクセルサイズは、各ピクセルが集光できる光量を決定します。ピクセルが大きいほど、より多くの光子を集光するため、画像センサーの感度が向上します。つまり、カメラは低照度条件でも優れた性能を発揮し、ノイズの少ない画像を生成します。また、ピクセルが大きいほど信号対雑音比も向上し、より鮮明で正確な画像が得られます。

しかし、ピクセルが大きいほどセンサーに収まるピクセル数が少なくなり、システムの微細なディテールを解像する能力が制限されます。ピクセルが小さいほど、同じセンサーサイズに多くのピクセルを詰め込むことができるため、空間解像度が向上し、より微細な特徴を捉えることが可能になります。しかし、ピクセルが小さいほど集光する光量が少なくなり、特に高空間周波数においてノイズが増加し、コントラストが低下する可能性があります。また、ブルーミングやクロストークが発生しやすくなり、画質が低下する可能性があります。

ピクセルサイズは、アプリケーションのニーズに基づいて選択する必要があります。非常に小さな欠陥を検出することが目的であれば、より小さなピクセルとより高い解像度が必要です。システムが低照度環境で動作する必要がある場合や、高感度が求められる場合は、より大きなピクセルの方が適しています。ピクセルサイズ、センサーサイズ、画質の関係はトレードオフです。例えば、ピクセルサイズが大きい大型センサーは、広い視野と優れた感度を両立できますが、ケラレを防ぐために特殊なレンズが必要になる場合があります。

センサーとレンズの要素

画像センサーとレンズは、画像ピクセル解像度のマシンビジョンシステムの性能と精度に影響を与えます。センサーサイズは、センサーに収まるピクセル数とカメラが捉えられる領域を決定します。センサーが大きいほど、より多くのピクセル、あるいはより大きなピクセルを収容できるため、画質が向上し、視野が広くなります。センサーの性能は、使用される技術の種類によっても異なります。例えば、CCDセンサーは通常、ノイズが少なくダイナミックレンジが広いため、鮮明な画像を撮影できます。一方、CMOSセンサーはフレームレートが高速ですが、ノイズが多くなる場合があります。

レンズの特性も同様に重要です。画像の周辺が暗くなるケラレなどの問題を回避するには、レンズがセンサーサイズに適合している必要があります。レンズの焦点距離は、シーンのどの程度を捉えるか、そして画像にどの程度の大きな物体が写るかを制御します。口径の大きいレンズはより多くの光を取り込むため、低照度環境では効果的です。レンズの品質は、画像の鮮明さ、歪み、明るさに影響を与えます。レンズ設計の精度は、システムが細部まで高精度に再現することを保証します。

焦点距離は視野と倍率に影響し、システムがキャプチャできる詳細の量を変えます。
絞りのサイズはセンサーに到達する光の量を制御し、画像の明るさと鮮明さに影響を与えます。
イメージサークルはセンサーをカバーするのに十分な大きさでなければなりません。そうでないと、画像の角が暗く見える場合があります。
レンズのコーティングと材料は、厳しい産業環境でも画質を維持するのに役立ちます。
レンズとセンサーの互換性により、システムが効率的に動作し、信頼性の高い結果が得られます。

注意: イメージングで最高の精度とパフォーマンスを実現するには、レンズをセンサーとアプリケーションのニーズに常に適合させてください。

センサー技術、ピクセルサイズ、レンズ品質の組み合わせが、画像ピクセル解像度マシンビジョンシステムの全体的な精度と有効性を決定します。適切なコンポーネントを選択することで、システムはより微細なディテールを検出し、高い精度を維持し、様々な環境において信頼性の高いパフォーマンスを発揮できるようになります。

解像度の選択

視野とピクセルサイズ

マシンビジョンシステムに適切な解像度を選択するには、まず視野角（FOV）とピクセルサイズを理解することから始めます。視野角（FOV）とは、カメラが1枚の画像で捉える範囲のことです。視野角が広いと、利用可能なピクセルが広い領域に分散されるため、画像空間解像度が低下します。視野角が狭いと、ピクセルがより狭い領域に集中するため、画像空間解像度と物体空間解像度の両方が向上します。つまり、同じカメラでも、カバーするシーンの範囲に応じて、異なるレベルのディテールを提供できるということです。

ピクセルサイズピクセルサイズも重要な役割を果たします。ピクセルが小さいほど、同じセンサー領域でより多くの詳細を捉えることができ、空間精度が向上します。しかし、ピクセルが小さいほど集光する光が少なくなり、画像にノイズが増える可能性があります。ピクセルが大きいほど感度は向上しますが、ピクセル総数が同じであれば空間詳細が低下する可能性があります。

ヒント：広い視野角（FOV）にわたって高い物体空間解像度を維持するには、より高いカメラ解像度、またはより小さなピクセルサイズのカメラを選択してください。画像のぼやけを防ぐため、レンズの品質は常にセンサーと一致させてください。

作動距離、つまりカメラと被写体の間の距離は、レンズの選択に影響します。作動距離と視野角（FOV）の比率を約4:1に保つことが推奨されます。これにより、コスト、性能、精度のバランスが取れます。作動距離が短すぎると広角レンズが必要になり、画質が低下する可能性があります。作動距離が長すぎると、より大型で高価なレンズが必要になる場合があります。

ステップバイステップガイド

マシンビジョンタスクに最適な解像度を選択するには、複数のステップが必要です。各ステップを通じて、システムが品質管理に必要な精度と信頼性を満たしていることが保証されます。

検査目標を定義する
システムが検出または測定する必要があるものを特定します。最小の欠陥または特徴のサイズと必要な精度をリストアップします。
製品と環境を分析する
検査対象物のサイズと検査範囲を測定します。生産速度、埃や振動などの環境要因にも注意してください。
必要な解像度を計算する
最小の特徴サイズと視野角（FOV）に基づいて、最小画像空間解像度を決定します。一般的なルールとして、信頼性の高い検出のためには、欠陥は少なくとも4～5ピクセルをカバーする必要があります。
- 式：
```
Object space resolution = Field of View (mm) / Number of Pixels (sensor width or height)
```
- 例: FOVが40mmで、センサーのピクセル数が800の場合、
```
Object space resolution = 40 mm / 800 pixels = 0.05 mm/pixel
```
カメラとセンサーを選択
十分なカメラを選ぶカメラの解像度計算された物体空間解像度を満たす必要があります。ラインスキャンカメラとエリアスキャンカメラのどちらがアプリケーションに適しているかを検討してください。
レンズと作動距離を選択する
センサーサイズと視野角（FOV）に合ったレンズを選びましょう。レンズが必要な作動距離で焦点を合わせることができ、十分な空間精度を実現できることを確認してください。
照明とアクセサリーを選択
欠陥を際立たせ、表面の種類に適した照明を選択してください。カラー撮影かモノクロ撮影かを判断してください。
インストールとテスト
ハードウェアをセットアップします。露出やゲインなどのカメラ設定を調整します。サンプル製品でシステムをテストし、最高の精度を得るために微調整を行います。

注意: 必要な精度で必要な最小の欠陥が検出されるかどうかを確認して、システムを常に検証してください。

計算例

次の表は、さまざまなマシンビジョンタスクで、必要な解像度設定と精度レベルを示しています。

タスクタイプ	一般的なアプリケーション	視野（FOV）	検出する最小の特徴	最小オブジェクト空間解像度	推奨カメラ解像度
バーコード読み取り（1D）	コンベアベルトの追跡	２０ mm	２０ mm	0.1 mm/ピクセル	1000ピクセル（ラインスキャン）
表面検査（2D）	傷の検出	50のミリメートル×50ミリメートル	２０ mm	0.04 mm/ピクセル	1250 X 1250ピクセル
寸法測定（3D）	自動車部品	200のミリメートル×200ミリメートル	２０ mm	0.02 mm/ピクセル	10,000 X 10,000ピクセル

たとえば、ユーザーが 50 mm 幅の部品に 0.2 mm という小さな欠陥がないか検査する必要がある場合、計算は次のようになります。

必要な物体空間解像度 = 0.2 mm / 5 ピクセル = 0.04 mm/ピクセル
必要なカメラ解像度 = 50 mm / 0.04 mm/ピクセル = 1250 ピクセル

これにより、各欠陥が少なくとも 5 ピクセルをカバーするようになり、検出精度が向上します。

覚えておいてください：レンズはセンサーに適合し、十分な空間ディテールを提供する必要があります。高解像度カメラには、ぼやけによる精度の低下を防ぐために高品質のレンズが必要です。

適切な解像度、ピクセルサイズ、レンズを選択することで、システムは各アプリケーションに必要な精度を実現できます。パフォーマンスを最適化するには、常に像空間解像度、物体空間解像度、空間精度のバランスを考慮してください。

よくある誤解

ピクセルサイズと解像度

多くの初心者は、ピクセルが大きいほど画質が良いと考えていますが、これは必ずしも真実ではありません。ピクセルサイズだけで画質が決まるわけではありません。ピクセル感度、ノイズ、センサー設計など、他の要素も重要な役割を果たします。ピクセルが大きいほど光を集める量が多く、暗い場所では有利になります。一方、ピクセルが小さいほど解像度が高く、より精細なディテールを表現できます。設計者は、ピクセルサイズと速度やアプリケーション要件などの他のニーズとのバランスを取る必要があります。

よくある誤解を説明する表を以下に示します。

誤解	明確化	Additional Notes
ピクセルが大きいほど、画質は向上します	画質はピクセルサイズだけに依存するのではなく、センサーの設計やノイズも重要です。	ピクセルが大きいほど暗い場所では役立ちますが、必ずしも画像の品質が向上するわけではありません。
ピクセルが小さいと画質が低下する	ピクセルを小さくすると解像度は向上しますが、集める光が少なくなる可能性があります。	適切なセンサー設計により、ノイズが低減し、パフォーマンスが向上します。
解像度が高いほど画質は向上します	高解像度はシステムのニーズに合致する必要があります。ピクセル数が多すぎるとシステムの速度が低下する可能性があります。	システムの目標とカメラの制限に応じて選択してください。

注: 一部のセンサーでは、明るい領域と暗い領域を処理するために小さいピクセルと大きいピクセルの両方を使用して、ダイナミックレンジを向上させます。

より高い解像度の限界

よく人はこう考えるより高い解像度解像度が高いほど、常により良い結果が得られます。実際には、解像度が高いほどピクセル数が増え、処理速度が低下し、より多くのストレージが必要になる場合があります。システムが余分なディテールを必要としない場合、解像度が高いほどパフォーマンスが低下する可能性があります。カメラ、レンズ、照明はすべて連携して動作する必要があります。1つの部品が追いつかなくなると、システム全体に悪影響が出る可能性があります。