Gigabit Ethernet：効率的で信頼性の高い産業用カメラインターフェース
産業界をリードするインターフェース
年々、多くのユーザーが画像処理アプリケーションの主要インターフェースとしてGigabit Ethernet、略してGigEを選んでいます。柔軟なシステム構成、潤沢な市販部材、低コストで100 mに対応する配線、業界標準への準拠が、GigEを機械学習カメラ分野で支配的なインターフェースの一つに押し上げました。2006年以降、GigEカメラの市場シェアは着実に拡大し、現在では導入システムの50%超に達すると推定されています。
目次
上図：GigE関連コンポーネントは幅広く入手可能
マルチポイント制御と柔軟性
Ethernetの普及を後押ししたのは、マルチポイント配線の柔軟性と100 mケーブルの低コスト対応です。周辺機器をPCへ短距離で直結するポイントツーポイント型（< 10 m）とは異なり、Ethernetは部屋・フロア・建物をまたいで複数のコンピュータを標準化された方法で拡張接続するために開発されました。1983年の標準化以降、Ethernetは40 Gbpsや100 Gbpsといった速度にも対応してきました。これらは主にITやデータセンター向けですが、高帯域のEthernetカメラも画像処理分野に浸透しつつあり、主流の1 Gbpsカメラも引き続き増えています。標準化された多様なEthernetハードウェアが容易に入手でき、設計自由度とコスト最適化に寄与します。100 mのケーブル長によりカメラの設置距離に幅を持たせられ、スイッチを追加すればさらに長距離にも対応可能です。PoE対応のカメラ・スイッチ・インターフェースカードを用いれば、電力とデータを同一ケーブルで供給でき、配線とメンテナンスを簡素化できます。これらにより、マルチカメラ設計の自由度が大きく高まります。
補足
PoEスイッチやインターフェースカードのIEEE電力規格を必ず確認し、全PoEカメラに十分な電力が供給されるようにしてください。規格は以下の通りです。
IEEE 802.3af Type 1-15.4W
IEEE 802.3at Type 2-30W
IEEE 802.3bt Type 3-60W
IEEE 802.3bt Type 4-100W
上図：Ethernetは多様なマルチポイント構成を実現
EMI対策：Cat 6a配線
産業環境で帯域要件が高まる中、Ethernet配線の標準は、ノイズ耐性と不要輻射の抑制を維持しながら高速化を保証する方向に進化しています。Cat 6aは100 m伝送を維持しつつ、500 MHzまでの周波数帯で10 Gbpsを実現します。導体径の拡大、きつい撚り、ペア分離、厚い外被によりクロストークを低減します。照明や機械、隣接配線によるEMIや、携帯電話や無線LANのRFIなどノイズ源が多い環境では、シールドケーブルでEMI/RFIの影響を抑制できます。10 Gbpsではペア間結合とクロストークが制約となるため、各対を個別シールドしたCat 6aも入手可能です。端末側は通常またはシールドRJ45コネクタで現場終端が可能です。
Cat 6a U/UTP
カテゴリー6a U/UTPは、4対のUTP（非シールドツイストペア）で外部シールド（U）を持ちません。
Cat 6a S/UTP, SF/UTP
カテゴリー6aのシールドUTPは、フォイルや編組の一層または二層シールドで、4対のUTP全体を覆います。
Cat 6a STP / FTP
カテゴリー6aのSTP/FTPは、各対を個別にシールドします。FTPはフォイル、STPは金属編組を用います。
Cat 6a SFTP
カテゴリー6aのSFTPは二重シールドで、全体シールドに加え、各対にも個別のシールドを施します。
補足
最大ケーブル長（延長器なし）
GigE: 100 m
CoaXPress: 130 m
Camera Link: 10 m
Camera Link HS: 15 m
USB 3.1: 3 m
共通グランドなし
産業用モータやリレーはスイッチングノイズを生み、電源ケーブルがデータ配線に近接すると、接続機器へノイズや有害電圧が結合することがあります。さらに、機器間の接地電位差はグランドループ電流を引き起こし、ノイズやEMIの原因となります。重要機器の適正動作と安全のため、装置間の電流を遮断しつつデータ伝送を可能にするアイソレーション技術が用いられます。Ethernetは当初からこれらのリスク低減を設計思想に取り入れており、接続双方にトランスを備えることで機器を絶縁します。結果として、GigE Visionカメラは共通グランドを共有せず、カメラや接続機器の保護に寄与します。
上図：赤色のトランスはEthernet標準に含まれます。コネクタ外付け型と内蔵型があります。
高い標準化
機械学習業界において、Gigabit Ethernetの標準化はGigEカメラの普及に大きく貢献しています。GigE Vision™とGenICamへの準拠により、ハードウェアとソフトウェアの相互運用性が高まりました。ベンダ間の互換性と使いやすさが向上し、ユーザーの選択肢が広がっています。
GigE Vision は2006年にAIA（Automated Imaging Association）によって策定されました。Ethernet上でのカメラ、ハードウェア、ソフトウェア間の統一的な統合・通信プロトコルを定義します。たとえば、GigE Vision準拠のサードパーティ製ソフトは、GigE Vision準拠の任意のカメラで動作します。主な構成要素は次の4つです：
- GigEデバイス検出：IPアドレス取得（Persistent IP、DHCP、Link-Local）を定義。
- GigE Vision制御プロトコル：UDP上で動作。デバイスの制御・設定方法、ストリームチャネル、画像・設定データの授受を定義。
- GigE Visionストリームプロトコル：UDP上で動作。データ型と画像伝送方法を定義。
- GenICam 準拠のXML記述ファイル（右参照）。
GenICam は2006年に提案され、2008年にEMVAにより承認されました。目的は、カメラの設定、画像取得、付加データ送信、イベント処理などのアプリケーションAPIを標準化することです。カメラ機能の標準名称（SFNC）も含み、ベンダをまたいだ一貫したUXを提供します。主な標準は次の3つです：
- GenApi：カメラ用の汎用プログラミングインターフェース。
- GenCP：GenICamカメラの制御プロトコル。
- GenTL：デバイス列挙、可能ならデバイス間通信、ホストへのデータ転送を汎用化。
これら2つの標準により、ユーザーは短時間かつ安心してアプリケーションを構築・拡張できます。GigE Visionはサードパーティ製ソフトとの接続・制御を容易にし、GenICamはベンダ差に伴う学習コストを大幅に低減します。
パケット再送で高信頼化
GigE Visionの用途では低遅延と高速伝送が重要なため、TCPではなくUDPでパケットを送信します。UDPはエラーチェックやネゴシエーションを最小化して速度を最大化しますが、TCPほどの配送信頼性は持ちません。そこでGigE VisionはUDPパケットにヘッダを追加し、画像番号、パケット番号、タイムスタンプを付加します。これにより順序が入れ替わっても並べ替えが可能です。さらに、遅延パケットの待機時間を設定し、欠落パケットに対して再送要求を発行できます。
補足
GigEの帯域を最大化するにはパケットサイズの拡大が有効です。Jumbo Frames（9000バイト）を有効化・設定すると、標準の1500バイトに比べオーバーヘッドを削減できます。
上図：欠落パケットは再送要求され、正しい順序に再構成
上図では5個のパケットで画像を送信しています。順序が入れ替わり、パケット3が欠落しましたが、再送要求により配信され、5個のパケットは正しく並べ替えられます。再送は信頼性向上に有効ですが、GigE Vision準拠の必須要件ではありません。重要用途では、この機能を備えたカメラを選定してください。
スペクトル回避による信頼性
ISM帯の無線機器が爆発的に増加した結果、デバイス間の干渉が発生し、マシンビジョンカメラの接続信頼性に影響する可能性があります。Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee、コードレス電話、電子レンジ、電源機器などは2.4 GHz帯でRFを発します。機器が密集するアプリケーションでは干渉リスクが高まります。USB 3.1のように2.4 GHz帯で影響を受ける／与えるインターフェースもありますが、Ethernetははるかに低い周波数で動作します。Gigabit Ethernetの信号は125 MHzで、GigE VisionカメラやEthernet機器が無線機器と干渉する可能性は低くなります。シールドやチャネル選択、距離確保などの対策も可能ですが、最も簡単な方法はそもそも干渉を避けることです。
上図：Ethernetは125 MHz（青）で動作。Wi-Fi、Bluetooth、Zigbeeは2.4 GHz帯（黒）、その他の機器も2.4 GHz帯に影響（灰）。
PTPで同期し、すぐに動作
Precision Time Protocol（PTP、IEEE 1588）は、ネットワーク接続機器の時刻同期を行うパケットベース技術です。GigE Vision 2.0はPTP IEEE 1588を取り込み、GigE Vision 2.0対応かつPTP対応のカメラや機器同士をマイクロ秒単位で同期しやすくします。カメラ、センサ、トリガ、モータ、コントローラ間の同期精度が高まり、ジッタ低減とスループット向上につながります。
PTP対応機器のクロック同期
同期では、まずネットワーク上でマスタークロックとなる機器を選定し、他はスレーブとして同期します。PTPパケットのやり取りに基づくアルゴリズムでマスターが決まります。上図ではPTPスイッチがマスターとなり、他機器がそれに同期します。
PTPにより、Scheduled Action Commandの活用や同期フリーランが可能になります。Scheduled Action Commandは高精度なソフトウェアトリガをスケジュールし、ハードウェアトリガ不要で設計・保守を簡素化します。同期フリーランは複数カメラのシャッタをサブマイクロ秒で同期させます。アクションを開始すると全カメラが同時にトリガされます。PTPを使えば工場全体のカメラに同期タイムスタンプを持たせ、外部トリガや追加配線なしで検査を実行できます。
Ethernetの未来
| Standard | Function group | Title |
|---|---|---|
| IEEE 802.1AS-Rev | Timing and Synchronization | Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications |
| IEEE 802.1Qbv | Forwarding and Queuing | Enhancements for Scheduled Traffic |
| IEEE 802.1Qbu | Forwarding and Queuing | Frame preemption |
| IEEE 802.1Qca | Stream Reservation (SRP) | Path Control and Reservation |
| IEEE 802.1CB | Stream Reservation (SRP) | Seamless Redundancy |
| IEEE 802.1Qcc | Stream Reservation (SRP) | Enhancements and Performance Improvements |
| IEEE 802.1Qci | Forwarding and Queuing | Per-Stream Filtering and Policing |
| IEEE 802.1Qch | Forwarding and Queuing | Cyclic Queuing and Forwarding |
| IEEE 802.1CM | Vertical | Time-Sensitive Networking for Fronthaul |
| IEEE 802.1Qcr | Forwarding and Queuing | Asynchronous Traffic Shaping |
| IEEE 802.1CS | Stream Reservation | Local Registration Protocol |
2.5GBASE-T と 5GBASE-T
2.5GBASE-T（2.5GigE）と5GBASE-T（5GigE）は2016年に最終承認されました。既存のCAT5e/CAT6配線は推定700億マイルに達しており、現在のGigEインフラをそのまま活かして速度を引き上げられます。2.5 Gbpsと5 Gbpsの追加により、10 GigEカメラ利用時のフォールバックや段階的なアップグレードが容易になります。10 Gbpsに自動交渉できない場合、5.0/2.5 Gbpsに切り替え可能です。
クラウドコンピューティング
クラウドは低コストかつスケーラブルなサービスにより急成長しています。Ethernetは一般的なインターネット接続よりも低遅延で安全にクラウドやデータセンターへ接続できます。LANだけでなくMANでも有効で、都市規模のITSなど大規模検査ポイントから画像解析や保存のためにクラウドへ迅速・確実にアクセス可能です。
Industrial Internet of Things（IIoT）
計算機の小型化により、かつてデスクトップに収まっていた処理がカメラ内でも実行可能になりました。スマートカメラが普及し、画像解析はカメラ・ホスト・クラウドに分散されます。重要な産業用途では、IIoT機器やホスト、クラウドへ高速・安全・決定論的に接続する必要があり、Ethernetが最適解となります。
結論
Ethernetを選ぶ理由は明確です。現時点で他インターフェースが高帯域を提供する場合でも、設計者は柔軟性、総コスト、信頼性、将来技術も考慮すべきです。今日のGigE基盤を2.5/5.0/10 Gbpsへ段階移行するだけでなく、接続カメラの増加、クラウド活用の拡大、オンカメラ処理の強化といった将来像も見据える必要があります。今Ethernetを選べば、全体の信頼性と決定論的動作を維持しつつスムーズな技術移行が可能です。しかもEthernetベースのアプリケーションでは、ネットワークの基本構造を変えずに進化を取り込めます。
