平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センタ仙高速ビジョンチップの応用に関する研究沓掛暁史◆・佐藤辰雄傘 一 小室孝＊＊・鏡慎吾…・石川正俊…
■機械電子部 B 寧ヰ東京大学情報理工学系研究科

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AkifumiKUTSUKAKE ・TatsuoSATO＊・
TakashiKOMUR・0♯ヰ・ShingoW。監AGÅMI♯睾・MasatosbiISH王鼠ÅWÅ穆寧−Mechanics＆ElectronicsDivision・

SchooloflnfbrmationScienceandTechnology，UniversityofTokyo
要旨
ロボットビジョンなど高速かつ汎用なビジョンシステムの需要が高まる中，光検出器（PbotoDetector：PD）と汎用処理要素（ProcessingElement：PE）を画素ごとに直結してワンチップ上に集積化し，高速視覚を実現するビジョンチップの研究が注目を集めている．本研究では，ビジョンチップを産業界の自動検査・計測システムへ応用し，既存のCCDカメラを用いたシステムを超える高速処理システムを構築することを目的としている．
本年度はビジョンチップの基礎理論と動作を把握し，基本的な動作検証を行った．また，ビジョンチップシス
テム検証用として，高速移動する対象物をシミュレートする実験装置を試作開発した，
ま．はじめにめに，光検出器（pD）と汎用処理要素（PE）を画素ごと，従来の視覚情報処理システムは，CCDカメラなどから1対まに直結し集積するためのアーキテクチャS3pEのパターン情報を，ビデオ信号を通じて画像処理装置に（SimpleandSma三電，SensoⅣProcessingElement：Fig。1）を取り込み，処理するのが一般的であるり。この方式では，採用した高機能視覚センサである2）3）。各PEはSIMD型

いかに演算部が高速処理を行えたとしても，ビデオ信号制御で動作する構造で，1ビット×32のローカルメモリの伝送速度（ビデオレート）がボトルネックとなり，そ（うち8つがメモリマップトⅠ／0） と，ビットシリアルれ以上の高速化は望めない．ビデオレートは人間の視覚ALUを持つコンパクトな回路構成となっており，汎用性機能の限界に基づき設計されたものであるが，近年，ロの実現と高解像度を達成する。それぞれのPEはその4ボットのフィードバックシステムや高速検査装置，次世近傍と接続されており，並列性を生かした高速な近傍演

代マルチメディアなどの分野でこの限界速度を超える需算を実現できる．光入力のん℃変換は，専用コントロ要が高まってきた．この需要に応える技術が，ビジョンーラからのインストラクションに従って行われ，PDのチップを用いた超並列℡超視覚情報処理システムである．

出力がCMOSインバータのしきい億を切るまでの時間

このシステムは，ビジョンチップ内で画像特徴畳などのを PE でカウントするソフトウエアを実行することに演算を高速に実行できるため，既存のCCDカメラなどより，すべての画素ごとに行われる．このA／D変換方式を用いた視覚情報処理システムの問題である伝送速度のは，回路規模の縮小と柔軟な変換処理を可能としている，ボトルネックを解消できる．本研究ではビジョンチップ

このような構造を有するS3pEは，専用コントローラかを用い，ビデオレートを超える高速処理が可能な検査。
計測システムの実現を目的とする．
2．ピジョンチップかステム
ビジョンチップシステムはタ ビジョンチップとその専用コントローラ，それ以外の外部システム（PCなど）から構成される。ここでは，ビジョンチップと専用コントローラについて簡単に説明する。

：．ト ビジョンチップ

−イデig。1S3pEアーキテクチャ

ビジョンチップは，汎用かつ高速な視覚を実現するたー9−

平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

らインストラクション列を与えられることにより，1000鮎mes／s以上の高速演算を可能とし，なおかつ汎用な視覚情報処理を実現できる．
2．2．ビジョンチップ専用コントロ岬ラ
デジタルビジョンチップをさまざまなアプリケーションシステムに応用するため，その能力を最大限に活用することを目的とする専用コントローラを準備する．これは，ユーザが記述したプログラムメモリの内容に従ってプログラム制御を行いながら，ビジョンチップへのインストラクションの供給，算術論理演算，外部システムとの通信を行う 32 ビットマイクロコントローラである

4）5）。このコントローラはハードウエア記述言語
Veriiog−HDLを用いて設計され，Ⅹ‡LINX社のFPGÅにより実現されている．専用コントローラの存在により，ビジョンチップシステムが外部システムの制約（PCの処理能力やⅠ／0の通信能力などボトルネックとなる部分）に影響を受けることなく，ビジョンチップの最大限の能ぎig．3実験装置外観

力での処理を可能とする．

（a）原画像（b）反転

Fig，2 ビジョンチップと専用コントローラの外観
3．ビジョンチップシステムによる実験
3．ヱ．実験装置（c）収縮

ビジョンチップシステムを用いて，高速移動する対象（d）膨張（e）エッジ抽出

Fig．4静止画像に対する処理（64×64画素）物を想定した検査・計測システムの実験を行うため，Fig．
3に示す実験装置を試作開発した。実験装置は，高速回転する透明なアクリルドラム（直径30cm）内部に配置しFig94より，各処理の基本的な動作は正しく行われてた赤色LED照明とCCTVレンズにより，ドラム上に描いることが分かる．しかしタ Fig．4（d），（e）の撮像

画した対象物のシルエットをビジョンチップへ投影す

結果では画像左部にランダムノイズが出力された。これる・このアクリルドラムは，最高1200叩mまで高速回転はビジョンチップの不具合であるものの，現時点ではこさせることが可能である．のノイズを除去する方法を確認．済みである。この実験によりタ ビジョンチップシステムの動作概要を把握するこ

3．2．画像処理実験
本実験装置を用いて，静止画像に対する撮像と基本的とができた．また強力な光源を必要とせず，市販のLEDな画像処理実験を行った．ここで使用したビジョンチッ

照明装置の照度（現行のビジョンチップの感度）でも対プの画素数は64×64画素である．また，画像はすべて二象物の撮像が可能であることを確認した。

値画像を対象としている．ビジョンチップシステムにお3．3ビジョンチップシステムでの画像処理速度

いて，1サイクル（光入力のÅ心変換開始から処理終了

いくつかの画像処理アプリケーションについて，ビジまでを1サイクルとする）毎に処理し出力した画像を，ョンチップ制御プログラムを記述しその動作を確認後，PIOボードを介してPCのディスプレイに表示させた結プログラムのステップ数から1サイクル実行時間の推定

果をFまg．4に示す。

を行った．評価に用いるた捌こ想定した専用コントロー−10−平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

ラの動作周波数は40MHzである．Tablelに，各処理の4．おわりにAノ／D変換から処理終了まで（1サイクル）の実行時間を

本年度の研究により，ビジョンチップシステムの基礎示す．ここで用いたアプリケーションは次の a〜e の 5理論とその動作を把握することができた．また，高速検つであり，対象とする画像はすべて二値画像である．

査・計測システムのアプリケーシヨン開発をよりスムー

a．画像ダンプズに進めるための実験装置を試作開発した．さらに，こビジョンチップが取得したすべての画素値を，ビジの装置を用いてビジョンチップシステムの実験を行ったョンチップ専用コントローラが持っメモリに出力

結果，既存のハードウエアで検査・計測システムの実用する．

化が可能であることが明らかになった．

b．エッジ抽出

今回の実験で検証できたのはごく基本的な処理ではあ4近傍画素値よりエッジ抽出演算を行い，画像ダンるものの，ビジョンチップシステムはビデオレートプする．エッジ抽出演算は，以下の式をすべての画（33ms）の1／′6（5ms）以下での高速処理が可能であるこ素に適用することで実現する．とを示した．この処理速度は，コントローラの動作周波数を上げる，画像処理アルゴリズムを工夫する，などに

0〃′ 二（ダニ 岬）二（ダニ ゐ冊1二（ダニ／宅斤）よりさらに高速化可能である．

［（ク＝ 璃画）今後は，実用的な検査。計測システムを念頭におき，ク‥注目画素

ビジョンチップの高速性，並列性を活用したアルゴリズ

0乙Jf：クのエッジ抽出演算結果

ムの構築とアプリケーションの開発を行い，実験装置に呼，d細り，吋ト j■gg如 ＝ ダの4近傍画素値

よる動作検証を行う．

［：排他的論理和，十：論理和c．膨張

謝辞

0 の画素を注目画素とし，4近傍画素のいずれかが1であれば注目画素を本研究の遂行にあたり，懇切丁寧なご指導を賜りましとする．すべ1

た東京大学情報理工学系研究科石川正俊教授に深く感ての画素に対してこの処理を5回繰り返した後，画謝の意を表します．また，研究に対し貴重なアドバイス像ダンプする．と便宜を図って頂きました石川橋本研究室ビジョンチッ

d．対象物検知プ研究グループの小室孝氏と鏡慎吾氏，および様々な面ビジョンチップ視野内に対象物の存在を検知する．

でご協力頂いた石川橋本研究室すべての皆様に，心より対象物が存在すれば，ビジョンチップ専用コントロ

感謝の意を表します．

ーラの出力ポートをアクティブにする．
e．膨張収縮法による欠陥検知

参考文献

膨張処理をn回，収縮処理をn回行った後の画像

i）石川正俊： 超並列。超高速視覚情報処理システムー汎と，原画像とを排他的論理和演算することにより，用ビジョンチップと階層型光電子ビジョンシステムヱ ，応用測定対象物のピンホールなどの欠陥を検出する．こ物理，第67乳 第1号，pp33−38，1998．

こではn＝5 と設定した．欠陥があれば，ビジョ2）小室肴 鈴木伸介 石井抱 石川正俊： 汎用プロセッ

ンチップ専用コントローラの出力ポートをアクテシングエレメントを用いた超並列・超高速ビジョンチップのィブにする．

設計 ，電子情報通信学会論文誌（D−Ⅰ）∴Ⅶ1。J8トD−Ⅰ，No．2，pp．70−76，1998・
Tablelビジョンチップシステムの実行時間
処理3）小川一哉，小室泉石井抱石川正俊： S3pEアーキ

実行時間

テクチャに基づくデジタルビジョンチップとその集積化 ，（／1サイクル）a．画像ダンプ
b．エッジ抽出c．膨張（5回繰返し）d．対象物検知e．膨張収縮法による欠陥検知

信学技軋 pp．7−i3，1999。

2．8ms
2．9ms
3．ims
4．lms
4．9ms

4）鏡慎最 中坊嘉弧 小室泉石井艶石川正俊： 1ms
ビジョンチップシステムの制御アーキテクチャ ，信学技報，pp．15−20，1999・

5）鏡慎諒 小室考 小川一筑石井抱 石川正俊： 糾
×64PEを集積した超並列ビジョンチッフ℃そのシステム

Tablelより，いずれの処理も 5ms／1サイクル以下の開発 ，第4回システムLSI琵琶湖ワークショップ，高速処理が可能であることがわかる．

pp・271−274，2000・−11−