カメラセンサーが歪んだ光源を捉える理由

💡カメラセンサーを理解する

すべてのデジタル カメラの心臓部には、光を電気信号に変換し、カメラが処理して画像として保存する役割を果たすイメージ センサーがあります。イメージ センサーには、CCD (電荷結合素子) と CMOS (相補型金属酸化膜半導体) の 2 つの主要なタイプがあります。各タイプには、光を捉えてデジタル データに変換する独自の方法があります。これらのセンサーの動作方法は、移動する光源の記録方法に大きな影響を与えます。

CCD センサーは、従来、グローバル シャッターを使用して画像をキャプチャしていました。つまり、センサー全体が同時に光にさらされるということです。すべてのピクセルが同時に露出され、読み出されます。この方法により、高速で移動する物体の歪みを回避できます。一方、CMOS センサーでは、ローリング シャッターが使用されることが多く、光をキャプチャするときに興味深い視覚効果を生み出すことができます。

🎞️ローリングシャッター効果

ローリング シャッターは、センサーが一度に露出されない画像キャプチャ方法です。代わりに、通常は上から下へシーン全体をスキャンします。各ピクセル ラインは順番に露出されます。この順番に露出すると、移動する物体や光源をキャプチャするときに歪みが生じる可能性があります。

視界を横切って水平に移動する車を想像してください。カメラが上から下までスキャンすると、ピクセルの各ラインの露光の間に車がわずかに動きます。センサーの下部が露光される頃には、車の位置はずれています。その結果、最終画像では車がゆがんで見えます。この効果は、高速で移動する物体や急速に変化する光源で特に顕著です。物体がセンサーのスキャン速度に対して速く移動するほど、歪みは顕著になります。

ローリング シャッター効果は、より高速な読み出し速度を可能にするアーキテクチャのため、CMOS センサーでより一般的です。グローバル シャッター CMOS センサーもありますが、一般的にはより高価で、ハイエンドのカメラに搭載されています。ほとんどのスマートフォンと多くのコンシューマー グレードのカメラは、ローリング シャッター CMOS センサーを使用しています。

⏱️スキャンレートと歪み

カメラ センサーのスキャン レート、つまり読み出し速度は、センサーがフレーム全体をスキャンして記録するのにかかる時間です。スキャン レートが遅いということは、センサーの上部と下部の露出の間に長い遅延があることを意味します。この遅延の増加により、ローリング シャッター効果が悪化します。逆に、スキャン レートが速いと、遅延が短縮され、歪みが最小限に抑えられます。

高級カメラは、ローリング シャッター効果に対抗するために、センサーの読み出し速度が速いことが特徴です。速度が速いため、カメラは動いている物体をより正確に捉えることができます。ただし、センサーの設計によっては、ノイズが増えたり、ダイナミック レンジが狭くなったりするトレードオフが生じる場合があります。

プロペラの回転を撮影するシナリオを考えてみましょう。スキャン レートが遅いと、センサーのスキャン時間中にプロペラ ブレードが大きく動いたために、プロペラ ブレードが曲がったり歪んだりして見える場合があります。スキャン レートが速いほど、プロペラ ブレードの歪みが少なくなり、実際の形状をより正確に表現できます。

✨光源の特性

光源自体の特性も、知覚される歪みに影響します。ヘッドライトや LED 標識などの明るく強い光源は、エネルギーが集中しているため、歪みが顕著になりやすくなります。一部の光源、特に PWM (パルス幅変調) を使用する光源の急速なオン/オフ サイクルは、歪みの影響をさらに増幅する可能性があります。

PWM は、LED のオン/オフを高速に切り替えることで LED の明るさを制御するために使用される技術です。この切り替えの頻度がカメラのスキャン レートに近い場合、画像に縞模様やちらつきのアーティファクトが発生する可能性があります。これは、LED がオンのときにセンサーの一部のラインが露出し、LED がオフのときに他のラインが露出するため、画像全体の明るさが不均一になるからです。

さらに、光源の色温度とスペクトル分布は、センサーが光を解釈して記録する方法に影響を与える可能性があります。センサーの感度と処理アルゴリズムによっては、特定の色が歪みやアーティファクトを起こしやすくなる場合があります。

⚙️カメラの設定と緩和策

ローリング シャッター効果は特定のセンサー技術に固有のものですが、光源の歪みを軽減するのに役立つカメラ設定やテクニックがいくつかあります。

• シャッタースピード:シャッタースピードを速くすると、センサーが光にさらされる時間が短縮され、露出中の動きの影響が最小限に抑えられます。これにより、光源の動きを止めて歪みを軽減できます。
• フレーム レート:フレーム レート (ビデオ録画用) を上げると、センサーのスキャン レートが効果的に上がるため、役立ちます。フレーム レートが高いほど、各フレームがより速くキャプチャされ、歪みが発生する時間枠が短くなります。
• 同期:制御された環境では、カメラのシャッターを光源の周波数と同期させることで、PWM によって発生するちらつきや縞模様のアーティファクトを排除できます。
• ソフトウェア補正:一部のカメラと後処理ソフトウェアには、ローリング シャッター歪みを補正するための組み込みツールが用意されています。これらのツールは画像を分析し、連続露光によって生じた歪みやゆがみを補正しようとします。

さまざまなカメラ設定と後処理技術を試してみると、特に移動する光源を扱う場合に、ローリング シャッター センサーでキャプチャされた画像の品質が大幅に向上します。

📸グローバルシャッターカメラ

歪みが許容されないアプリケーションの場合、グローバル シャッター センサーを備えたカメラが解決策となります。前述のように、グローバル シャッター センサーはセンサー全体を同時に露出するため、ローリング シャッター効果は排除されます。これにより、移動する物体や光源をより正確に表現できます。

グローバル シャッター カメラは、正確なタイミングと最小限の歪みが重要となるマシン ビジョン、産業オートメーション、高速写真撮影などのアプリケーションでよく使用されます。ただし、通常はローリング シャッター センサーよりも高価であり、感度やダイナミック レンジの点で制限がある場合があります。

ローリング シャッター カメラとグローバル シャッター カメラのどちらを選択するかは、特定のアプリケーションと、コスト、パフォーマンス、画質の間のトレードオフによって決まります。

🧪センサー技術の進歩

センサー技術の継続的な進歩により、ローリング シャッター センサーとグローバル シャッター センサーの両方のパフォーマンスが常に向上しています。メーカーは、歪みを最小限に抑え、感度を高め、画質を向上させるために、新しいセンサー設計と処理アルゴリズムを開発しています。

ローリング シャッター センサーの場合、ラインごとの HDR (ハイ ダイナミック レンジ) などの技術や読み出し速度の向上により、ローリング シャッター効果を軽減し、ダイナミック レンジを向上させることができます。グローバル シャッター センサーの場合、感度を高め、ノイズを低減するために、新しい材料とアーキテクチャが研究されています。

センサー技術が進化し続けるにつれて、高速で移動する物体や急速に変化する光源がある難しいシーンを撮影する場合でも、デジタル画像の精度と忠実度がさらに向上することが期待できます。

💡結論

カメラ画像における光源の歪みは、主にローリング シャッター効果によるもので、多くの CMOS センサーで使用されている連続露光方式の結果です。センサー技術の仕組み、スキャン レート、光源の特性を理解することで、この効果を軽減し、より正確な画像を撮影することができます。グローバル シャッター カメラは歪みが許容されないアプリケーションにソリューションを提供しますが、センサー技術の進歩により、ローリング シャッター センサーのパフォーマンスは継続的に向上しています。カメラ センサーの制限と機能を理解することで、写真家は情報に基づいた判断を下し、さまざまな困難な状況で素晴らしい画像を撮影することができます。

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