インテリジェント交通システム用カメラの選択を成功に導くための7つの方法
ITSのために適したカメラを見つけることは大変な作業ですが、インテグレーターやOEMは、ガイドラインに従うことで実現への糸口を見つけることができます。
インテリジェント交通システム（ITS）は、交通の安全性とモビリティを向上させ、生産性を高め、法律を執行し、最終的には収益を生み出すのに役立ちます。しかし、ITSのためのカメラを選択する際に過酷な環境や特定のアプリケーションのニーズを考慮しなければ、成功するシステムへの道が妨げられます。また、オプションの数が圧倒的に多いことから、どこから始めるべきかは非常に分かりにくくなっています。
カメラは、交通監視、自動ナンバープレート認識（ALPR、英国では自動ナンバープレート認識（ANPR）と呼ばれる）、アクセス制御、高占有車両（HOV）レーン監視、駐車強制、スピード強制、資産保護などのアプリケーションのITS技術で顕著に使用されています。アプリケーションによっては、さまざまなタイプのカメラやシステムが必要になる場合があります。すべての展開には課題がつきものです。カメラのセットアップに長いケーブル配線が必要になったり、過酷な環境に耐える能力が求められたり、エッジ処理機能を備えた組み込みシステムが必要になる場合もあります。これらの要因を慎重に考慮することで、システムの実現、所有コストの低減、将来の運用を確実に行うことができます。この記事では、一般的な課題とそれを克服するための方法を示し、ITSを成功に導くための手助けを行います。
まずは画像の品質から
ITSアプリケーションのためのカメラを調査する場合、すべての計画は画像品質から始めなければなりません。ANPR/ALPRアプリケーションでは、システムは、番号/ライセンス・プレートがカメラの視野内にあることを認識し、プレートをデコードするという、2つの主な作業があります。いずれの作業もエラーの対象となり得ます。ANPR/ALPRシステムを成功させるには、光学式文字認識（OCR）タスクと光学式文字検証（OCV）タスクを実行するために、ソフトウェアに高品質の画像が必要です。システム設計者とインテグレーターは、パワフルなカメラを求めています。
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低品質の画像センサーを搭載したカメラでは、高品質の画像が生成されません。従って、画像センサーは重要な考慮事項となります。ITSのシーンは、屋外の照明条件の変化によって明るさが大きく変化する可能性があり、カメラは、画像の最も明るい部分と暗い部分、そして照明条件に関係なくその間でのバリエーションでデータや詳細を捉えて提供できなければなりません。カメラがより高く、最高および最低の光強度を検出する能力を“ダイナミックレンジ”と言いますが、これはデシベル（dB）が高いほど、より良い性能となります。グローバルシャッターCMOSイメージセンサを持つSonyのPregiusやPregius Sの製品ラインのような高品質イメージセンサーは、高いダイナミックレンジ感度を実現し、さまざまなITSアプリケーションに最適です。
Teledyne FLIRのBlackfly Sカメラシリーズは、SonyのPregiusとPregius Sイメージセンサーをベースにした、人気の高いカメラモデルを提供しています。これらのカメラは1.6 MPixelから26 MPixelまでの範囲で、さまざまなITSタスクに適しています。たとえば、BFS-PGE-161S7C-C（カラー）カメラとBFS-PGE-161S7M-C（モノクロ）カメラは、16.1 MPixelのSony IMX542 Pregius Sセンサーを搭載し、70.46 dBのダイナミックレンジ、9609 e- サチュレーション能力、470 nm（青）で45.76%、525 nm（緑）で 52.26%、630nm（赤）で33.49 %の量子効率測定が可能です。高解像度のカメラを購入すれば、そのアプリケーションが必要としないプロジェクト全体ではよりコストがかかることになりますが、将来のシナリオを考慮するとそれは理にかなっています。たとえば、インテグレーターやOEMは、行く道を拡張させ、後に低解像度のカメラを交換する必要がなくなるように、将来にわたって確実に運用できるようにします。
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色の捉え方、グレアを克服する
色はもう1つの重要な品質指標です。ANPR/ALPRの場合、白黒画像はナンバー/ライセンスプレートを示し、カラー画像は特定の状況（信号機、色分けされた道路標識など）で何が発生しているかに関するコンテキストを提供します。また色は、車載カメラが不適切に駐車された車両をチェックする場合にも重要です。たとえば、スペインでは、道路の青い線はその駐車スペースはドライバーが料金を支払わなければならないことを示し、緑の線はその駐車スペースが近隣住人のためのものであることを示しています。内蔵ビジョンシステムは、違反を自動的にチェックできますが、それを行うためには高品質での色の再現が必要です。
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画像センサーは、照明に対する特定の応答（量子効率）を有し、日光など各照明条件は、独自の発光スペクトルを有し、キャプチャされた時の画像の表示方法に影響を及ぼします。量子効率は、光子を電子に変換する画像センサーの能力を決定し、これは波長によって異なります。色補正ツールは、各カラーチャンネルが他のカラーチャンネルとどのように相互作用するかを考慮し、各カラーチャンネルを独立してスケーリングします。色補正マトリックスは、これらの相互作用を計測し、補正し、特定の被写体の実世界の色をより正確に再現します。これは、色のわずかな違いが結果の精度や信頼性に悪影響を与える可能性のあるアプリケーションでは特に重要です。
カメラやビジョンシステムは、反射やガラスなどの反射面上のグレアの対処において時に苦労することがあります。例えば、ITSがHOV車線監視で、ある車を調べたい場合、カメラが車内の画像をキャプチャする際に、反射や日光のグレアが妨げとなる可能性があります。Teledyne FLIRは、5 MPixel Sony IMX250MZRモノクロ偏光センサーに基づく2台のカメラ（GigEが1つ、USBが1つ）と、5 MPixel Sony IMX250MYR RGB偏光センサーに基づく1台のカメラ（USB3）を提供しています。
図2：偏光カメラは、グレアや反射が発生する困難な状況でも、車内の画像をキャプチャできます。
ハードウェアのエキスパートを探す
ITS業界のインテグレーターやOEMの中には、ハードウェアよりもソフトウェアに関してより専門知識を持っている場合があります。ハードウェアの選択、テスト、および最適化には課題がつきものですが、経験豊富なカメラのべンダーは、プロジェクトに関する技術的なコンサルティングを提供し、カメラの選択とセットアップを支援します。また、ベンダーは、レンズ、配線、ハウジング、ソフトウェア開発など、会社が提供していないアクセサリーやサービスを扱う場合には、信頼できるパートナーへ紹介する必要があります。
また、OEMやインテグレーターたちは、システムのセットアップやソフトウェアに関するアドバイスだけでなく、設計と開発のフェーズを通じてサポートを必要としています。ユーザーは、頻繁に確認の電話などを行い、システムエンジニアとサポートチームの組み合わせを通してこのようなサービスを提供するカメラ会社を探す必要があります。エンドユーザーは、ハードウェア・プロバイダーを選択する前に、システムサポートに関して、またはプロバイダーが顧客との関係をどのように手掛けるかについて尋ねる必要もあります。
バランスの取り方：SWaP-Cとパフォーマンス
SWaP-C は軍事用途だけでなく、研究開発でも広く使用されている、“「サイズ、重量、電力、コスト」”の略語です。あらゆるタイプのアプリケーションには、最適なSWaP-Cを備えたデバイス、システム、プログラムが必要です。そして、ITS アプリケーションも例外ではありません。ボードレベルの、低コストのITSカメラが近年人気が高まっています。しかし、小型のパッケージのカメラというだけでは十分ではありません。これらのカメラは、SWaP-Cと性能との間でバランスを取る必要があります。Teledyne FLIRがこのバランスを取るために行っていることのひとつに、同社のすべてのボードレベル・カメラは、そのカメラのケース入りバージョンと比較して機能セットにおいて同一であることを保証しています。
図3：そのコンパクトな設計にもかかわらず、Teledyne FLIR ボードレベル・カメラは、ケース入りのカメラと同じ機能セットを提供しています。
ITSのトレンドの1つに、高速道路の複数のレーンをカバーする高解像度カメラの導入があります。以前、低解像度の画像センサーを備えたボードレベル・カメラを使用していたインテグレーターたちは、1.3 MPixelカメラを8.9 MPixelや12 MPixelのカメラでアップグレードするかもしれません。ただし、新しいカメラが前のモデルと同じフォームファクターを備えていない場合、インテグレーターは、再度設計をおこない、再認証する必要があります。Teledyne FLIRでは、インテグレーターがシステムを簡単にアップグレードできるように、さまざまな解像度で同じフォームファクターのボードレベル・カメラを提供しています。
エンベデッドへのシフト
マシン・ビジョン市場と同様に、ITSは、低消費電力、スモール・フォームファクター設計のエッジ・コンピューティング機能を備えたエンベデッド・システムへの移行を目にしてきています。ITSでのエンベデッド・システムを検討する際に最初に思い浮かべる可能性のあるアプリケーションは車載用ですが、エンベデッド・システムはほぼすべてのITSまたはスマート・シティ・アプリケーションに適しています。
インテグレーターたちは、最も人気のあるエンベデッド・ハードウェア・オプションの適合性について評価を行う必要があります。例えば、このカメラはNVIDIAのJetson TX2またはXavierエンベデッド・モジュールと動作できますか? 多くのITSアプリケーションには、高度なアルゴリズムが関わっており、それらを処理できるシステムを必要とします。
そのために、Teledyne FLIRでは、TX2のためのQuartet™キャリアボードを発売しました。これは、ITSアプリケーション向けに特別にカスタマイズされており、ハブやコンバーターを必要とせず、4台のボード・レベル USB3 カメラをTX2に直接接続できます。パワー・オーバー・ケーブル・ボードの各コネクターには独自のバスがあり、他の接続と帯域幅を共有する必要はありません。例えば、Quartetを使えば、インテグレーターは、全体的なコンテキスト用の高解像度カラーカメラ、ANPR/ALPR用のモノクロカメラ、フロントガラスを通して見るための偏光カメラを、すべて単一の接続システムに同時に展開できます。
図4：Jetson TX2向けに設計されたQuartetキャリア・ボードは、スペースに制約のあるアプリケーションで4台のカメラに接続できます。
堅牢で信頼性の高い設計
ITSアプリケーションで展開されるカメラは、物理的な観点においてタスクを処理できる必要があります。車載アプリケーションの場合、インテグレーターは、例えば、極端な温度で動作するためのカメラの能力を考慮する必要があります。多くのカメラは、天候に耐性を持たせるために保護ハウジングが統合されていますが、カメラはそれでも高温（摂氏50度を超える温度）で機能する必要があります。Teledyne FLIRは、すべてのカメラモデルがHALTテスト（高加速寿命テスト）に合格しており、摂氏-30度～80度でカメラが故障しないことを確認しています。
また、カメラを選択する際に衝撃や振動も考慮する必要があります。カメラは、画質と長期的なシステムの信頼性を確保するため、衝撃と振動に関する業界の仕様に準拠する必要があります。カメラを購入する際は、どのような種類のテストを受けたかをインテグレーターは調査する必要があります。Teledyne FLIRカメラで実施された振動試験は、公に文書化されています。
一般的に、ITSカメラは極めて信頼性が高くなければなりません。スポーツの世界の格言を借りるとすれば、「最高の能力は、可用性」です。”カメラは、機能不良や破損がなく、また交換の必要がなく、必要なタスクを長時間実行できなければなりません。ITSインテグレーターであれば誰でも、すでに配備されているシステムでカメラを切り替える際のコストと手間についてわかっています。ITS環境で何年にもわたって機能することが実証されている高品質のカメラを選択すれば、不便さや困惑を回避することができます。
タイムスタンプとGPSデータの活用
GigE Visionカメラは、非常に長いケーブル長をサポートできるなどいくつかの理由からITSアプリケーションにおいて人気があります。もう一つは、おそらくそれほど知られていませんが、このカメラはIEEE 1588精密時間プロトコル（PTP）をサポートする能力があります。IEEE 1588 PTPをサポートするカメラは、露光ポイントで正確にタイムスタンプ画像を表示します。また、この規格では、外部トリガーを必要とせずに、複数のカメラが内部時間ベースのコマンドに基づいて同期された画像取得を実行することができるなど、高度な機能の数々を提供します。
図5：デバイス間のクロック同期にはパス遅延が計算されて考慮されます。プライマリは、2つの信号をスレーブ（1）と（2）に送信します。続いてセカンダリが信号を送り返し（3）、パス遅延が算定されてクロック同期に適用されます（4）。
この規格は、外部ハードウェアと同期し、GPSデータを画像ストリームに埋め込む機能を提供するため重要です。その一例として、制限速度に抵触する車両を正確に検知（レーダーなしで）することがあります。2つの異なるポイントからのタイムスタンプは、車両が速度制限を超えたかどうかの判断に役立ち、両方のポイントからの正確な画像時間により、高精度の速度分析を簡素化します。
タイムスタンプは、ガントリベースの自動料金徴収においても重要です。不正確なタイムスタンプでは、車全体の画像は生成されません。料金徴収が適用されるには、タイムスタンプは同期されている必要があります。システム設計に関しては、購入前にタイムスタンプの必要性を考慮する必要があります。
システムの成功を達成する
必然的に、現在市販されている一部のカメラは、最終的に故障し頭痛の種になります。時間、お金、評判、社会的信頼を失うことになるのは言うまでもありません。カメラを評価する際は、画質、ハードウェアの柔軟性、組み込み機能、物理的な設計と信頼性、タイムスタンプとGPSデータの重要性を考慮することを忘れないでください。これらの要因を考慮することで、インテグレーターはシステム全体を成功に導く準備が整います。
Teledyne FLIR は、さまざまなITSプロジェクトに信頼性を持って展開でき、低解像度（1.3 MPixel）ニーズからマルチレーン・カバレッジの高解像度（20 MPixel-plus）ニーズに至るまでをカバーする、堅牢かつコンパクトな産業用カメラを提供しています。お客様のITSアプリケーションが、当社のカメラ（市販品であっても、特定のニーズに合わせたカスタムカメラであっても）によっていかに変貌を遂げるかについては是非ご相談ください。
図6：Teledyne FLIRのBlackfly Sなどのカメラは、ソニーのPregiusおよびPregius Sラインの最新のCMOSイメージセンサー技術を活用しています。