【ホワイトペーパー】3Dビジョンシステム用モジュラープラットフォーム～COM-HPCモジュールがマシンビジョンを加速

ホワイトペーパー COM-HPCモジュールがマシンビジョンを加速 3Dビジョンシステム用モジュラープラットフォーム

1 3Dビジョンシステム用モジュラープラットフォーム COM-HPCモジュールがマシンビジョンを加速 3次元マシンビジョン（3Dビジョン）は、 物体を識別するための最も単純なテクノロジーではあり ません。し かし、3 Dビジョンは人間の目に最も近いためさまざまな用途があり、機 械学習と一緒 に使用されることが増えてきています。製 造業における大きなアプリケーション分野は、ビ ジョン 誘導ロボット（VGR）と無人搬送車（AGV）ですが、3 Dビジョンは現在、イ ンダストリー 4.0アプリケ ーション向けのまったく新しいソリューションを作り出しています。 コンガテックなどが提供する、 新しいCOM-HPCモジュールは、 両方のエリアにおいてハードウェアの統合を進めながら、 同時 にパフォーマンスを大幅に向上させることができます。 産業用コンピューティング分野における Contradata社の高度な専門性と、4 0年以上の経験で得られたノウハウによって、ユ ーザはスタン ダード、 あるいはカスタマイズされたハードウェアの優れたソリューションを利用することが可能 です。 3Dマシンビジョン市場は非常にダイナミックに拡大しており、年 間成長率は約15％[1]です。こ の成長 の主な理由の1つは、世 界人口の高齢化であると考えられています。こ れには2つの側面があります。 ひとつは、 生産年齢人口が減少していると想定されることです。そ の一方で、介護が必要な人は増え ています。そ れにより、両 方の領域で労働者が不足し、よ り多くのロボットが必要になってきています。 工業生産の分野では、ロボットはさまざまな種類の製品をより効率的に生産するように設計されてい ます。ヘ ルスケアの分野では、ロ ボットは介護を容易にするため、あ るいは自律や移動を助けるため に使用されています。総 合すると、３ Dビジョンを使ったロボットは、さ まざまなことを容易にするため に利用されています。 3Dビジョンには、膨大な計算能力が必要です。 第11世代Intel Coreプロセッサテクノロジーを搭載したコンガテックのCOM-HPCモジュール は、PCIe Gen 4によってデータスループットを2倍にします。 出典：© Ekkasit919/dreamstime/congatec 3Dビジョンは素晴らしい未来を見据えています しかし、 2本足のヒューマノイドロボットの軍隊に囲まれる前に、 まだやるべき開発作業がたくさん あります。 たとえば、 ほとんどの検査システムは依然として静的であり、 1か所に固定されています。

2 3Dビジョンシステム用モジュラープラットフォーム VGR（ビジョン誘導ロボット）の分野ではさまざまな動向があり、 市場もダイナミックに発展していま すが、モビリティについてはまだ比較的に制限されています。 [2] 固定されたロボットの重要なタスクの 一つは物体を正確に認識するということですが、 最近は3Dビジョンを 使うことが増えてきています。 このカメラテクノロジーは、 3つの側面（X、 Y、 Z軸）から距離を測定して物体を識別するため、 タスク を正確に実行することに役立ちます。 ちなみに、 産業成長の主な推進力は、 組立製造（ディスクリート 製造）における柔軟性向上の必要性です。 これは、 インダストリー 4.0のトレンドがバッチサイズ1に向 かっているため、 ますます重要な役割を果たしています。 （訳注：インダストリー 4.0では柔軟な生産システムを実現して、 少ロットの製品を効率的に生産する ことを目標としていて、 個別のカスタマの要望に応じたさまざまな製品を柔軟に生産するという意味 で、バッチサイズ１と表現される。 いわゆる多品種少量生産を意味する。） VGR（ビジョン誘導ロボット）システムは、主にディスクリート製造における組立部品の供給や搬出シス テムとして、 AGV（無人搬送車）と一緒に使われることがよくあります。 AGVの需要も2027年まで年率 14.1％と、 劇的な成長が見込まれています。 [3] このようなAGVは、 製造工場、 倉庫、 配送センターな どで製品を移動させたり搬送するため、ベルトコンベヤーやローラーコンベヤーなどの据付型のコン ベヤーシステムの必要性を排除、あるいは最小限に抑えます。 AGVにより、 部品・製品の搬送経路を 柔軟に構成することができるため保管、 ピッキング、 輸送のプロセスが最適化され、 主にコンベヤー によってブロックされては困る、 工場の部品・製品の搬送エリア全体で使用されます。 移動型のピッ ク＆プレースロボットが開発されると、 最終的に AGVはVGRシステムと統合されていきます。 モジュール性が重要 非常に高度な移動ロボットシステムを見ると、 いくつかのサブシステムから成り立っていることがわ かります。 たとえば、3つのコンピュータ・オン・モジュールを使用した4本足の移動ロボットの場合、 1 つは動くべき道を見つけ、 2つ目は実際の移動、 3つ目は作業を実行します。 この方式は、 各タスクの 特定の要件に合わせてコンピュータ・オン・モジュールにより拡張することができるので、 理想的なア プローチです。 セル生産方式では、 各ロボットにそれぞれ制御装置を実装することも一般的です。 し かしながら、 製造セル内のすべてのロボット制御を1つのシステムに統合して、 たとえば、 アクチュエ ータ/周波数インバータ ドライブと2線式イーサネットにより直接リアルタイムで通信できるようにする ことも考えられます。 ただし、このような統合に は、 現在においても産業用としては利用できな い、 非常にパワフルなモジュールを使った、 洗練 されたプラットフォーム戦略が必要です。 ちなみ に、 上記の4脚ロボットの最初の設計では、 必要 な計算能力とリアルタイム性能を確保するため に10個のプロセッサコアを使用しています。 し かし、 このようなプロセッサは、 超低消費電力の モバイル組込みシステムではまだ利用できませ ん。 コア数が多いほど、多目的に最適 PICMG標準化委員会によるCOM-HPC コンピュ ータ・オン・モジュール規格の承認により、 COM Expressモジュールをはるかに超えるパフォーマ ンスが利用可能になります。 これは特にサーバ のカテゴリに適用可能な規格で、将来的には、 堅牢でスケーラブル、 そしてハンダ付け可能な コンガテックは、新しいPICMG COM-HPC規格に基づいたサーバ・オン・モジュールを 間もなくリリースします。 標準化された形状によって、より長い供給期間が保証され、堅 牢性とパフォーマンスの面でも、搬送車両やビジョン誘導ロボットシステムのモジュラ ーエッジサーバとして最適です。 出典：© congatec

3 3Dビジョンシステム用モジュラープラットフォーム エントリークラスのサーバプロセッサを、 COM-HPC Serverモジュールに搭載できるようになります。 これにより、 最も電力を消費する分散型リアルタイム制御システムでさえ統合することができる、 多目 的組込みエッジコンピューティングソリューションが可能になります。 もちろん、 これにはReal-Time Systems社などのリアルタイム対応バーチャルマシン向けハイパーバイザが必要になります。 たとえ 製造装置のHMIが同じプロセッサ上で再起動していても、 あるいはインテグレートされたIoTゲートウ ェイが大量のマシンデータの変換や評価をおこなっていて、 さらに並行してリクエストを処理していた としても、 割り込みされない確定的なリアルタイム制御のために、 このようなリアルタイム対応のハイ パーバイザソリューションが必要です。 加速するパフォーマンスへの要求 1つのモジュールにさまざまなサブシステ ムを統合しない場合においても、 基本的に COM-HPCが必要になります。 なぜならば、3D 画像処理は複雑なタスクであり、 たとえば、 ToF（Time of Flight）技術によって収集された 点群（ポイントクラウド）データの作成などが 含まれるためです。 1ピクセルごとに32ビット の空間座標が生成されるため、 膨大な量のデ ータが生成されます。 例えば、 解像度が640 x 480ピクセルで30フレーム/秒（fps）の動画の 場合は、 1秒間に35MBの3Dデータが生成さ れます。 これに加えて、 一般的に4倍の解像度 の古典的な2Dカメラの色情報があります。 1.2 メガピクセル（1280 x 1024ピクセル）で、チャ ネルあたり8ビットの色深度の場合では、 1秒 あたり112.5メガバイトの追加になります。 し たがって、 合計で1秒間に約150Mバイトの生 データを処理する必要があります。 また、 2台 のカメラと、 オプションで構造化照明を使用す るステレオビジョンの場合には、 高い処理負 複数のエッジアプリケーションを1つのシステムに統合するために、コンガテックのサー 荷がかかります。 その場合には、 高いデータス バ・オン・モジュールは、Real-Time Systems社のリアルタイム ハイパーバイザテクノロジ ーをサポートしています。 ループットとヘテロジニアスのCPUとGPGPU 出典：© congatec のコンピューティングパワーが必要となってき ます。 このようなユースケースには、 現在のところ、 第11世代Intel Core プロセッサテクノロジー（コ ードネームTiger Lake）を搭載した初代のCOM- HPCモジュールが推奨されます。 これらは実際には COM-HPC Clientモジュールですが、他のモジュール規格では提供されていない魅力的な機能を提供 します。 1つは、 フルのPCIe Gen 4インタフェースをサポートしているため、 カメラとプロセッサ間、 あ るいはディスクリートGPU間（これらは膨大な並列画像データとAIアルゴリズムの処理に使用される） でPCIe Gen 3の2倍の帯域幅を提供します。これは、標準でサポートされているMIPI-CSIカメラインタ フェースと組み合わせて、 カメラのコストを削減し、パフォーマンスを向上させます。 さらに、 モジュー ルは8x 1GbEや2x 2.5GbE、 TSNのサポートなど、 さまざまなイーサネットのオプションを提供し、 コン ガテックのCOM-HPCスターターセットを使用することによりデュアル10GbE接続まで構成可能です。 それに加えて2線式イーサネットもサポートすることができるため、 個々のセンサやアクチュエータな どの小さな周辺機器を効率的に接続することができます。

4 3Dビジョンシステム用モジュラープラットフォーム AIエコシステムは非常に重要です コンガテックのMIPI-CSI接続カメラに対する包括的なAIサポートにより、 IIoTやインダストリー 4.0に おけるネットワーク接続の組込みシステムは、 さらにアプリケーションレディ化が進みます。 AIと推論 アクセラレーションは、 Intel DL Boostベースのベクトルニューラルネットワーク命令（VNNI）を使用 してCPUに実装することができるとともに、 8ビット整数命令（Int8）を使用してGPUに実装することが できます。 もう1つの魅力的な機能は、 AI向けのIntel OpenVinoエコシステムのサポートです。 プラッ トフォーム全体でディープニューラルネットワークのワークロードを高速化して、 より速くより正確なAI 推論結果を取得するために、 このエコシステムには関数ライブラリの他、 OpenCVとOpenCLカーネ ルに最適化されたコールが含まれています。 Intel Labs ChinaのAutonomous System Labは、COM Expressベースのプラットフォームを教育目的で、 すでに導入しています。 さらに、 ワークロード統合 用のインテル認定「RFP:Ready for Production（量産向け）」キットもすでに利用可能です。新しい COM-HPCモジュールを使用することで、 OpenVINOエコシステムをソフトウェアライブラリから、 適応 型ヒューマンロボットインタラクション（Adaptive Human-Robot Interaction: AHRI）、 あるいは同時 ローカリゼーションおよびマッピング（Simultaneous Localization＆Mapping: SLAM）に至るまで、 COM-HPCフォームファクタの上で評価できるようになりました。 コンガテックのコンピュータ・オン・モジュールをベースに、Intel Labs ChinaのAutonomous System Labが開発した 教育キットは、3つのレベルの拡張を提供します。 出典：© congatec ATXキャリアボード conga-HPC/EVAL-Client ATXキャリアボードのconga-HPC/EVAL-Clientは、 スマートビジョンロボティクスと自律型ロジステ ィクス車両の評価に必要なすべてを提供します。 非常に高性能な2つのPCIe Gen 4 x16インタフェー スと、 2x 10GbE、 2.5GbE、 および1GbEのサポートを含め、 データ帯域幅、伝送、およびコネクタなど 幅広いLANのオプションを提供します。 キャリアはメザニンカードを使用して、 さらに強力な最大2x 25GbEのインタフェースを利用できるため、 この評価用プラットフォームは大規模にネットワーク化さ れたエッジデバイスに、 最適なソリューションになります。COM-HPC Client設計用のスターターキット の中心は、さまざまなプロセッサを選択できるconga-HPC/cTLUコンピュータ・オン・モジュールです。 TPDが12〜28Wの第11世代Intel Coreプロセッサのそれぞれのバリエーションに合わせて、 3つの異 なる冷却ソリューションを用意しています。

5 3Dビジョンシステム用モジュラープラットフォーム コンガテックのエンベデッドビジョンパートナーであるBasler社の3Dソリューション ディープラーニングを使ったビジョンシステムは、Basler blaze ToF （Time-of-Flight）カメラ、 および 簡単に組み合わせることができるコンガテックの組込みシステムとで構成されています。 Basler blaze カメラは、 高解像度の3D画像をミリメートルに近い精度でキャプチャします。 グレースケール画像を生 成するだけでなく、 個々のピクセルまでの距離を、 近赤外線パルスによるToFテクノロジーで測定し、 キャプチャします。 最終的な画像は3D点群として利用可能になり、 キャプチャされたシーンに関する 追加情報が提供されます。 2D RGB画像とは異なり、色情報の代わりに形状情報を取得するため、 赤 色と緑色のリンゴを同時に検出できるだけでなく、 検出された物体の正確な位置情報や大きさなども 把握することができます。 Basler blazeカメラのユーザフレンドリーでプラットフォームに依存しないプ ログラミングインタフェースにより、 Data Spree社のDeep Learning DSソフトウェアを簡単に統合する ことができます。 ディープニューラルネットワーク（ディープラーニング）に基づくこの使いやすいソフトウ ェアソリューションは、 予備知識がなくてもディープラーニングモデルの開発を可能にし、 個々のシステ ム開発ステップ、 つまりデータの取得、アノテーション、 トレーニング、 そしてトレーニング済みのネット ワークをターゲットハードウェア上のアプリケーションに実装する、 という作業を大幅に簡素化します。

6 3Dビジョンシステム用モジュラープラットフォーム MIPI用のBCONとカメラの簡単なインテグレーション COMとキャリアを使った組込みシステムで、 汎用プロセッサに画像処理の機能を追加するためには、 Baslerのdartシリーズが最適なソリューションです。 MIPI CSI-2ビデオインタフェース規格に基づいて Baslerが特別に開発した、MIPIインタフェース用にカスタマイズされたBCONは、 簡単にインテグレー ションすることができます。 つまり、 MIPI用のBCONは、 USB3.0などのプラグアンドプレイカメラインタ フェースと同じくらい簡単に実装できるということです。 BCONはBasler Connectivityの略で、 実績の ある強力なマシンビジョンの機能を、 組込み業界で確立されたデータ伝送規格（LVDSやMIPI CSI-2な ど）に、 追加することを意味します。 世界のマシンビジョン規格（GenICam）の統合と、 pylon SDKによ り、基本的なテクノロジーへのアクセスはかつてないほどユーザフレンドリーになりました。 その結果 として、 安定した高帯域幅でのデータ伝送が可能となりました。 著者： アレッサンドロ・ダミアン（Alessandro ゼリコ・ロンカリック（Zeljko Loncaric） Damian) contradata社 マーケティングマネ ージャー コンガテック社 マーケティングエンジニア

7 3Dビジョンシステム用モジュラープラットフォーム contradataについて 1978年に設立されたContradata社は、今日、電子機器の流通におけるイタリアの大手企業 の1つであり、 産業用PCおよび組込みソリューションセグメントで主導的な地位を占めていま す。 最も要求の厳しい分野向けに、 広範なプリセールスとポストセールスのコンサルティング を合わせた取り扱い製品のレンジは、流通と幅広い付加価値サービスを統合することによっ て、完全にカスタマイズされたソリューションの提供にまで及びます。 IPCおよび組込み分野の 主要なグローバルメーカーとの流通パートナーシップは、 競争力のある安定した信頼性の高 いソリューションで市場に参入できることを意味します。 Contradataは、40年以上の市場プレゼンスを持ち、製品と技術をイタリアに提供してきまし た。 これらは、 産業市場の真の基準点になっています。 1978年に産業用周辺機器の販売代 理店として設立され、 1986年以降、同社は産業用PCおよび組込みアプリケーション市場への 明確なシフトをおこないました。 このことが、 PCベースの制御と監視の世界で私たちのノウハ ウを増やすことに貢献しています。 先駆的な本能により、成功したスタンダードとソリューショ ンを最初にイタリアに提供することができました。 コンタクト Contradata Milano S.r.l. Via Solferino 12, 20900 Monza (MB) Italy Web: www.contradata.it E-Mail: info@contradata.it Phone: +39 (039) 2301492 Fax: +39 (039) 2301489 1 https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/3d-machine-vision-market 2 https://www.theinsightpartners.com/reports/vision-guided-robotics-market/ 3 https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/automated-guided-vehicle-agv-market

コンガテック（congatec）について コンガテック（congatec）は、標準フォームファクタのCOM Express、Qseven、SMARCを使用した産業用コンピュータモジュー ル、およびシングル・ボード・コンピュータとカスタマイズサービスのリーディングサプライヤーです。 コンガテックの製品は、 産 業オートメーション、 医療、 エンターテインメント、 輸送、テレコミュニケーション、試験と計測、POSなど、さまざまな産業とアプ リケーションで使用できます。 コア知識と技術的ノウハウには、 独自の拡張BIOS機能と、包括的なドライバとボード・サポート・ パッケージが含まれます。 設計フェーズに続いて、 お客様は長い製品ライフサイクル管理を通じてサポートを受けることができ ます。 コンガテックの製品は、最新の品質基準に従って専門のサービスプロバイダーによって製造されています。 コンガテック は、ドイツのデッゲンドルフに本社を置き、 現在、 米国、 台湾、 中国、 日本、 オーストラリア、 英国、 フランス、 チェコ共和国に事 業拠点を置いています。 詳細については、 当社の Web サイト www.congatec.com/jp または LinkedIn, Twitter YouTube を ご覧ください。 本社 congatec GmbH Auwiesenstraße 5 94469 Deggendorf Germany Phone +49 (991) 2700-0 info@congatec.com www.congatec.com 子会社 congatec Asia Ltd. congatec, Inc. コンガテックジャパン株式会社. congatec China Technology Ltd. 2F., No.186, Sec. 3, 6262 Ferris Square 〒105-0013 東京都 港区 浜松町1-2-7 Sunyoung Center, 901 Building B, Chengde Rd. San Diego 浜松町一丁目ビル301 No. 28 Xuanhua Road, Changning District, 10366 Taipei, Taiwan CA 92121 USA Phone +81 (3) 6435-9250 Shanghai 200050, China Phone +886 (2) 2597-8577 Phone +1 (858) 457-2600 sales-jp@congatec.com Phone +86 (21) 6025-5862 sales-asia@congatec.com sales-us@congatec.com www.congatec.jp sales-asia@congatec.com www.congatec.tw www.congatec.us www.congatec.cn congatec Australia Pty Ltd. congatec Korea Ltd. Real-Time Systems GmbH Unit 2, 62 Township Drive Mr. Yoonsun Kim Gartenstrasse 33 West Burleigh (Yatap-Dong), #707, 88212 Ravensburg Queensland 4219, Australia 42, Jangmi-ro, Bundang-gu, Germany Phone +61 (7) 5520-0841 Seongnam-si, Gyeonggi-do, Phone +49 (751) 359558-0 sales-au@congatec.com South Korea info@real-time-systems.com www.congatec.com Phone: +82 (10) 2715-6418 www.real-time-systems.com yoonsun.kim@congatec.com セールスオフィス France United Kingdom / Ireland Nordics & Baltics Mr. Luc Beugin Mr. Darren Larter Mr. Anders Rasmussen Phone: +33 6 44 32 70 88 Phone: +44 784 581 4792 Phone: +45 285 649 92 cfr-sales@congatec.com cuk-sales@congatec.com cdk-sales@congatec.com