解像度、ノイズ、ダイナミックレンジ | イメージセンシング
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目次:
1.📷 イメージセンサーの主な特徴
2.📐解像度
3.💡電力消費
4.🚥ノイズ
4.1.✨光子ショットノイズ
4.2.🌌リードノイズ
4.3.➰量子化ノイズ
4.4.🌡️サーマルノイズ
4.5.🔲固定パターンノイズ
5.📊ダイナミックレンジ
📷 イメージセンサーの主な特徴
イメージセンサーには、いくつかの重要な特徴があります。まず、解像度について説明しましょう。解像度は画像内のピクセル数を示します。1990年代初頭には、解像度は非常に低く、1メガピクセル未満でした。しかし、技術の進歩により、現在では15メガピクセルや20メガピクセルの画像を容易にキャプチャできます。ただし、多くのアプリケーションにはこの解像度は不要です。
次に、電力消費に関して話しましょう。初期のイメージセンサーは電力消費が大きく、デバイスの電力を消費していました。そのため、電池の交換が頻繁に必要でした。しかし、技術の進歩により、現在のイメージセンサーはより低消費電力かつ高品質となっています。
解像度
イメージセンサーの解像度は、画像内のピクセル数を示します。1990年代初頭では、解像度は非常に低かったため、一つのデジタル画像であってもメガピクセル未満の解像度でした。当時、メガピクセルの実現は大きな進歩であり、1998年ごろに実現しました。現在では、15メガピクセルから20メガピクセルの画像を容易にキャプチャすることができます。一方で、多くのアプリケーションにはこのような高解像度は必要ありません。
長所:
- 高精細な画像をキャプチャできる
- 詳細な情報を保持できる
短所:
- 高解像度のため、ファイルサイズが大きくなる
- 高解像度を表示するためには、高性能のデバイスが必要
電力消費
イメージセンサーは、デバイスの電力を消費します。初期のイメージセンサーは消費電力が大きかったため、電池の交換が頻繁に必要でした。しかし、技術の進歩により、現在のイメージセンサーは低消費電力かつ高品質となっています。
長所:
- バッテリーの持ち時間が長くなる
- 電力消費の削減により、エネルギー効率が向上する
短所:
- 電力消費の削減により、性能の一部が犠牲になる場合がある
- 一部のアプリケーションには高電力が必要な場合がある
🚥ノイズ
イメージセンサーには、いくつかの種類のノイズが存在します。光子ショットノイズ、リードノイズ、量子化ノイズ、サーマルノイズ、固定パターンノイズの5つの主要なノイズを説明します。
✨光子ショットノイズ
光子ショットノイズは、光のランダムな性質に起因するノイズです。光はランダムに到着するため、画像内の明るさに応じてノイズが生じます。このノイズはセンサー自体とは関係なく、シーン内の点の明るさに依存します。
長所:
- 光の性質に基づくノイズであり、センサーの品質に直接影響を与えない
- 特定の明るさでのノイズの抑制が可能
短所:
- 光のランダムな性質に起因するため、常にノイズが存在する
🌌リードノイズ
リードノイズは、電子を電圧に変換する過程で導入されるノイズです。このノイズはガウシアン分布としてモデル化され、センサーの品質によってばらつきが生じます。
長所:
- ガウシアン分布としてモデル化されるため、予測可能なノイズ
- センサーの品質によってばらつきが生じるため、ハイエンドのセンサーではノイズが少ない
短所:
- 符号化情報の一部としてノイズが導入されるため、正確な測定値に影響することがある
➰量子化ノイズ
量子化ノイズは、アナログ値をデジタル値に変換する過程で導入されるノイズです。このノイズは、任意の精度で値を整数に丸めることによって発生します。量子化の段階によってノイズの分散が求まります。
長所:
- 現代のセンサーでは量子化ノイズが小さい
- ハイエンドのセンサーでは対象物の詳細な情報を保持できる
短所:
- 量子化ノイズはデジタル変換の過程で導入されるため、測定値にわずかな不確かさが生じる
🌡️サーマルノイズ
サーマルノイズまたはダークカレントノイズは、センサー自体からの光以外のノイズです。センサーには熱エネルギーがあり、暗い環境で長時間露光する場合に特に問題となります。一般的な消費者向けの写真撮影では問題になりませんが、天文学などのアプリケーションでは、冷却されたセンサーやCCDを使用してサーマルノイズを最小限に抑えるようにします。
長所:
- 長時間露光時に発生しやすいため、明るさの低い被写体の写真撮影においては注意が必要
- 冷却などの対策により、サーマルノイズを最小限に抑えることができる
短所:
- センサー自体からのノイズなので、明るさに応じて変動する可能性がある
🔲固定パターンノイズ
固定パターンノイズは、製造プロセスによるものです。センサー内のピクセルはそれぞれ異なる特性を持つため、微小なばらつきが生じます。幸いなことに、このノイズはキャリブレーションにより除去することができます。
長所:
- キャリブレーションによりノイズを除去できる
- ピクセルごとの特性のばらつきを把握することで、正確な測定値を出すことができる
短所:
- 製造プロセスに起因するため、センサーごとに微小なばらつきが生じる
📊ダイナミックレンジ
ダイナミックレンジは、センサーが測定できる最大光エネルギーと最小光エネルギーの比率を示すものです。ダイナミックレンジは、Bmax(最大光エネルギー)とBmin(最小検出可能光エネルギー)の比率として定義されます。一般的に、ダイナミックレンジが広いほど、センサーが測定できる明るさの範囲が広くなります。
長所:
- 明るさの広い範囲を測定できる
- 高いダイナミックレンジを持つセンサーでは、明るさの範囲が広がり、情報をより正確に捉えられる
短所:
- 最大光エネルギーと最小光エネルギーの比率が小さいセンサーでは、明るさの範囲が狭まり、情報の損失が生じる
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