ハイパースペクトルカメラの欠点は、感度・シャッター速度の低下、装置の大型化、動く対象が苦手、価格が分かりにくいの4点です。分光方式ごとの弱点と向かない用途を比較表で整理し、価格を公開した手のひらサイズの国産機まで回避策を解説します。
１．ハイパースペクトルカメラとは？
ハイパースペクトルカメラは、従来のカメラの色彩情報が3原色であるのに対し、141原色の色彩情報を有し、人間の目では見分けることの出来ない色（＝ゴーストカラー※）の違いを見分けることが出来るカメラです。
※ゴーストカラー・・・可視光領域における人間の目で識別できない色に対する当社独自の呼称
日本国内外では、さまざまな分光方式によるハイパースペクトルカメラ(センサ)が販売されています。その中でも今回は、国内で主流となっている「内部スキャン方式」のハイパースペクトルカメラを取り上げて、その欠点について説明します。
参考：国立環境研究所「ハイパースペクトルカメラの利用について」
https://www.nies.go.jp/kanko/news/33/33-1/33-1-05.html
２．ハイパースペクトルカメラの欠点とは？
内部スキャン方式のハイパースペクトルカメラは、カメラ内部にスキャン機構を搭載している点が特徴です。計測方式は空間掃引方式というもので、イメージとしてはコピー機のようなスキャナ方式になります。この内部スキャン方式のハイパースペクトルカメラの欠点としては、以下の３点が挙げられます。
・組み立てが困難で、最低でも数十nmレベルの組み立て精度が求められる点
・移動体の撮影が苦手である点
・スキャン範囲が限定される点
第一に組み立てが難しく、最低でも数十nmレベルという組み立て精度が求められます。なお、Milk.のハイパースペクトルカメラは子会社のIrisで製造していますが、0.3nm以下の分光誤差という精度で組み立てが可能です。次に移動体の撮影が苦手で、スキャン範囲も限定されるため、実装にあたっては注意が必要です。したがって、高性能なカメラではありますが、利用する際にはきちんと欠点を理解しておく必要があると言えます。
３．ハイパースペクトルカメラを利用するにあたっての問題点
ハイパースペクトルカメラにはさまざまな分光方式のカメラがあり、内部スキャン方式以外のハイパースペクトルカメラもあります。このように分光方式の異なるハイパースペクトルカメラについて、その特徴（長所・短所）を理解し、用途・目的に合わせて仕様を決めていかなければならない点が、利用にあたっての最大の問題点です。万が一、用途・目的に合っていないカメラを採用すると、期待する計測が行えない恐れがあります。
例えば、計測方式は同じ空間掃引方式でも、スナップショット方式で製造されているハイパースペクトルカメラもあります。こちらのカメラの長所は、小型でリアルタイムに撮影が可能なため、ドローンへの搭載には最適です。一方で、受光素子の大きさに限りがあるため、バンド数が限定され、各画素にフィルタを割り当てるので、画像サイズが小さいといった短所があります。また、光の漏れやリークなどを考慮したレンズを装着する必要もあります。これらの長所・短所を理解した上で、仕様を決定する必要があるのです。
４．【比較表】分光方式ごとの欠点と、向かない用途
「ハイパースペクトルカメラの欠点」は、カメラ全般に共通するものと、採用した分光方式に固有のものに分かれます。まず共通する弱点は、光を細かく分けて取り込む以上、1バンドあたりの光量が減ることに起因します。学術文献でも、既存のハイパースペクトルカメラの課題として「分光に伴う感度・シャッター速度の大幅な低下」と「システムの大型化」が挙げられ、産業的に広く普及するには至っていないと指摘されています。
その上で、方式ごとの弱点と向かない用途を整理すると次のようになります。導入検討では、この表の「向かない用途・限界」の列を先に読むことをおすすめします。
分光方式 | 撮り方 | 主な欠点 | 向かない用途・限界 | 欠点を回避する使い方 |
|---|---|---|---|---|
内部スキャン方式（本記事2章） | カメラ内部の機構で視野を掃引し、1枚を組み立てる | 組み立てに数十nmレベルの精度が必要／1枚に時間がかかる／スキャン範囲が限られる | 移動体の撮影、広い面を一度に押さえたい用途 | 対象を静止させ、範囲を区切って撮る。検査台・暗室など撮影条件を固定する |
ラインスキャン方式（プッシュブルーム） | 線状の視野を、対象かカメラを動かしながら並べる | 相対的な移動が前提／移動速度のムラがそのまま画像の歪みになる／データ量が大きい | 不規則に動く対象、手持ちでの撮影 | ベルトコンベアやドローンなど、動きが一定な搬送・飛行と組み合わせる |
波長走査方式（フィルタ切替） | 波長を切り替えながら同じ画角を撮り重ねる | 1シーンに複数回の撮影が必要／撮影中に対象や照明が変わるとズレる | 動く対象、屋外で日射が変動する条件 | 照明を固定した屋内計測に限定する。必要なバンドだけに絞って撮影回数を減らす |
スナップショット方式（本記事3章） | 1回の撮影で空間とスペクトルを同時に取得 | 受光素子を分け合うためバンド数が限られる／画像サイズが小さくなる／光の漏れ対策が必要 | 数百バンドの細かい分光、微細な欠陥を高解像度で見たい用途 | 必要な波長が絞れている検査に使う。リアルタイム性・小型軽量が要る現場やドローンで活きる |
つまり「欠点のないハイパースペクトルカメラ」は存在せず、どの弱点なら現場で許容できるかを先に決めることが、失敗しない選定の近道です。
参考：応用物理 第93巻 第6号「圧縮センシングを用いた超高感度ハイパースペクトルカメラ」
https://www.jstage.jst.go.jp/article/oubutsu/93/6/93_347/_article/-char/ja/
５．ハイパースペクトルカメラの導入事例
次は、当社におけるハイパースペクトルカメラの導入事例の一部をご紹介します。今回ご紹介する他にも多くの分野のお客様からご要望をいただいておりますが、下記をご覧いただくと、幅広い用途・目的に合わせて、当社が開発していることがご理解いただけるかと思います。
・医療分野：がんのグレード分類
・食品分野：マグロの鮮度解析に活用
・インフラ分野：ドローンに装着して保守メンテナンスに活用
・防災分野：土壌の水分量の解析に活用
・機器検査分野：お札の真贋解析に活用
・美容分野：ファンデーションの塗布具合や皮膚への影響の解析に活用
導入にあたっては、当社ではお客様のご要望をきちんとヒアリングし、PoCを行った上で、用途・目的に合わせたカメラシステムを開発しています。さらに、当社ではハードウェアだけでなく、ソフトウェアも開発しており、お客様のニーズに合わせたソフトウェア開発を行うことで、より効果的な導入を実現しています。
参考：当社のWebアプリケーション開発の特徴
https://www.milk-med.com/service/application/
６．ハイパースペクトルカメラで出来ること
ハイパースペクトルカメラは1画素あたりに141原色の分光情報をとらえます。機種により様々ですが、基本的には可視光＋近赤外領域（350nm～1050nm）を分光しているケースが多く、これにより、人間が見分けられないような微細な色合いの違いを見分けることができます。つまり、今回、ご案内しました通り、どのような分光方式を採用するかなど、仕様ごとのメリット・デメリットを理解していれば、非常に幅広い分野で活用が可能となります。
医療分野においては、がんの診断へ活用することができ、医師の方々の経験やスキルに依存していた診断精度の均質化を図ることができます。
また、品質検査や保守点検においても同様に、人間の目視検査による精度のバラツキを解消するとともに、業務効率化による人手不足解消の課題解決も可能です。
さらには、食品分野においては、人間の目では外見上はとらえられない色の変化を識別することで、腐敗の検査にとどまらず、「腐敗の予測」までも可能となります。このように物体の将来的な変性を予測することにも、今後の活用が見込まれます。
７．欠点を踏まえた選び方｜価格・サポート・サイズで絞り込む
方式の弱点を理解したら、次は「自社で運用できるか」という視点で絞り込みます。ハイパースペクトルカメラで導入がつまずきやすいのは、性能そのものよりも、価格が問い合わせないと分からない、装置が大きく現場に持ち込めない、不具合時の連絡先が海外で時間がかかる、といった運用面の欠点です。
当社の国産ハイパースペクトルカメラ「irodori」は、この3点に的を絞って設計しています。価格は製品ページで公開しており、本体は98,000円（税抜）／107,800円（税込）の買い切り、解析ソフト「ANSWER Lite」は月額2,980円（税抜）です。手のひらサイズで持ち運べ、3原色（RGB）に対して18原色の波長を識別します。開発・製造・サポートを国内で行うため、導入時のトレーニングから運用中の技術サポートまで同じ窓口で対応できます。詳しい仕様は国産ハイパースペクトルカメラ irodori の製品ページでご確認ください。
なお、irodoriは万能ではありません。数百バンドの精密分光や、大型ラインでの高解像度検査が必要な場合は、当社が個別に開発するカメラシステム側が適します。現場条件から逆算した判断の目安は次のとおりです。
現場の状況 | まず検討したい選択肢 | 注意しておく欠点 |
|---|---|---|
使えるかどうかをまず小さく試したい／予算が読めない | 価格が公開された小型機（irodori）で試す | バンド数は絞られる。細かい分光が要る用途には向かない |
屋外・高所など、現場へ持ち込んで撮りたい | 小型・軽量な機体、またはドローン搭載を前提にした構成 | 日射の変動に弱い。撮影時刻や参照板の運用を決めておく必要がある |
ラインを止めずに全数検査したい | 搬送速度と同期させるラインスキャン構成 | 速度ムラが画像の歪みになる。搬送側の設計まで含めた検討が要る |
微細な差を高精度に見分けたい（医療・研究用途など） | 用途に合わせた個別開発のカメラシステム＋解析ソフト | 装置は大きくなり、費用と期間もかかる。PoCで見極めてから進める |
不具合時にすぐ対応してほしい／社内に専門家がいない | 国内で開発・製造・サポートまで完結する体制のメーカー | 選択肢は限られる。サポート範囲を契約前に確認しておく |
８．Milk.のハイパースペクトルカメラが選ばれる理由
ハイパースペクトルカメラはこれまで述べてきたように、用途・目的に沿った仕様を選択して、開発・製造することが重要となります。この点、Milk.のハイパースぺクトルカメラは、本体の開発・製造を子会社であるIrisで行っており、画像解析のソフトウェア開発をMilk.が行っています。そのため、PoCからカメラの開発・製造、さらにコンサルまで行うため、お客様のニーズに合わせて導入に向けたカスタマイズができます。そして、国内 製造であるため、カメラシステムの保守メンテナンスにおける柔軟性もあります。これらの点をお客様に評価いただき、Milk.のハイパースペクトルカメラを選んでいただいています。
９．まとめ
当社はハイパースペクトルカメラのプロフェッショナルとして、欠点を理解した上で、お客様のニーズに合わせた導入を実現しています。ハイパースペクトルカメラの導入を検討されている方は是非、ご連絡をいただければと存じます。
Milk.株式会社
古川
