カメラ感度の評価方法

Comparing camera performance using the EMVA1288 imaging performance standard

内容:
• EMVA1288に基づく撮像性能測定基準の紹介
• 様々な測定基準の定義と測定法
• 様々な露光回数でのカメラの低光性能の比較
• 従来型の CCDと最新型のCMOSセンサーの比較
• 結論

フレームレート、解像度、インターフェイス等の基本のカメラ仕様の比較は容易です。 量子効率、ダークノイズ、飽和容量などのカメラの撮像性能の比較はそうではありません。 最初に、こうした様々な測定基準の正しい意味を把握する必要があります。

量子効率とは何ですか、また、ピークまたは特定の波長で測定されますか? シグナルとノイズの比率はどのようにダイナミックレンジとは異なるのでしょうか? 本白書では、こうした疑問に対処するため、EMVA1288標準に準じる撮像性能データに基づくカメラの比較と選択の方法が説明されています。

EMVA1288という標準は、測定するカメラ性能、測定方法および統合された手法で結果を提示する仕組みを定義します。 白書の第1節は撮像センサーの撮像性能の多様な側面を把握するのを助けます。 そして、画像センサーが光をデジタル画像に変換し、最終的にセンサーの性能を定義する仕組みを勘案する際に理解すべき重要な基本概念を概略します。 図1はシングルピクセルを示し、こうした概念を強調します。

まず、光そのものに固有のノイズを理解する必要があります。 光は光子と呼ばれる、光源によって生成される離散粒子から成ります。 光源は無作為の回数で光子を生成することから、光の知覚強度にノイズが存在することになります。 光の物理学が指摘するのは、光の強度にて観察されるノイズは光源によって生成される光子の数の平方根に等しいことです。 このタイプのノイズはショットノイズ(Shot Noise)と呼ばれます。

1つのピクセルにて観察される光子の数は露光時間と光の強度に左右されることを留意しておくべきです。 本章は露光時間と光の強度の組み合わせとしての光子の数を検証します。 同様に、ピクセルのサイズはセンサーの集光能力に非線形の効果を及ぼしますが、なぜなら、感光領域を判定するうえで2乗化が必要だからです。 これについては、2つのカメラの性能比較という点で次章で詳しく取り上げられます。

光をデジタル化する第1歩が光子の電子への変換です。 本章はセンサーがどのようにこうしたことを行うのかを探るのではなく、むしろ、変換の効率性の測定基準を提示します。 デジタル化のプロセス中に精製される電子の比率は 量子効率(QE)と呼ばれます。 図1に例示されているセンサーですが、6つの光子がセンサーに「落下」する際に3つの電子が精製されるため、QEは50%です。

電子がデジタル化される前にピクセル内に保管され、 ウェル(Well)と呼ばれます。 ウェル内に保管可能な電子の数は 飽和容量 または ウェルの深さ(Well Depth)と呼ばれます。 ウェルが飽和容量を超える電子を受領する場合、超える部分の電子は保管されません。

集光がピクセルによって完了すると、ウェル内の変化が測定されますが、こうした測定を シグナル(Signal)と呼びます。 図1のシグナルの測定は矢印ゲージで表されています。 この測定に付随する誤差は ダークノイズ または 読み出しノイズ(Read Noise)と呼ばれます。

最後に、 グレースケール(Grey Scale) は信号値を16ビットのアナログデジタル・ユニット(ADU)ピクセル値に変換することで導かれ、電子で表されます。 アナログ信号値とデジタル・グレースケール値の比率は ゲイン(Gain) と呼ばれ、電子/ADUとして測定されます。 EMVA1288標準によって定義されるゲインパラメーターを「アナログデジタル」変換プロセスのゲインと混同しないでください。

カメラ性能の評価に際し、非常に一般的なのは、 信号とノイズの比率(Signal to Noise Ratio) および ダイナミックレンジ(Dynamic Range)が言及されることです。 こうした2つのカメラ性能測定基準はカメラ対信号によって確認されるノイズ比率を勘案しています。 違いというのは、ダイナミックレンジがダークノイズのみを勘案するのに対し、信号とノイズの比率はショットノイズ(Shot Noise)の二乗平均平方根(RMS)総和も加味する点です。

絶対感度閾値(Absolute sensitivity threshold) はセンサーによって観察されるノイズに匹敵する信号を取得するのに必要な光子の数です。 これは重要なメトリックですが、なぜなら、有意な信号を完全に観測するのに必要な理論上の光の最小量を指すからです。 この測定基準の詳細は以降の章で詳しく取り上げられます。

EMVA1288標準に基づいてセンサーとカメラを比較しやすくする目的上、FLIRは70以上のカメラモデルの撮像性能についての業界初の包括研究を実施しました。 

測定基準 定義 次による影響: ユニット
ショットノイズ 信号の平方根 光の性質が原因 e-
ピクセルのサイズ ウェル(Well)、ピクセルのサイズ… センサーの設計 µm
量子効率 特定の波長で電子に変換される光子のパーセンテージ Sensor design %
ダークノイズ(読み出しノイズ) 信号がない時のセンサー内のノイズ。 センサーとカメラの設計 e-
飽和容量(ウェルの深さ) 1つのピクセルが保持できる電荷量。 Sensor and camera design e-
最大の信号とノイズの比率 信号に包含されている全てのノイズと1つの信号の考えられる最大比率(ショットノイズとダークノイズ含む」。 センサーとカメラの設計 dB、bits
ダイナミックレンジ 信号とノイズの比率(ダークノイズのみ含む )Sensor and camera design dB、bits
絶対感度の閾値 信号がノイズに等しくなるために必要な光子の数。 Sensor and camera design Ƴ
ゲイン このパラメータは、16ビットADU(一般的にはグレースケール)で変化を観察するためにどれくらい大きな電子の変化が必要かを示しています。 Sensor and camera design e-/ADU

カメラの低光性能の比較

本白書の目的上、モノクロの撮像が一般的に用いられ、カメラが集光可能な光量が短い露光時間を理由に制限されるようなナンバープレート認識(LPR)や光学文字認識(OCR)等の用途を考察します。 撮像の問題解決に必要な解像度、フレームレート、画角を判定するのは極めて単純ですが、カメラが十分な撮像性能を備えているかどうかを判断するのはより困難だと考えられます。

この課題は一般的に、試行錯誤を繰り返して解決されます。 VGAカメラ(30FPSでの¼インチのCCD作動)が所定の用途において十分であるとビジョンシステムの設計者によって判断される場合を考えてみましょう。 初期の試験が示すと思われるのは、被写体が静止している場合、カメラが10msの露光時間で十分な感度を持つことです。 図2を参照する ビジョンのアルゴリズムと混同されがちな文字B、8、Dおよび0が事例として紹介されています。 一番左上の画像は¼インチのCCDカメラで撮影されたものですが、画像処理に適した画像を再現します。

図2:異なる露光時間での1/4インチおよび1/2インチのCCDカメラで得られる結果

 

しかし、被写体が動き始めると、露光時間を縮減する必要があり、「B」と「D」の文字が「8」と「0」と識別できないことから、カメラは有用な情報を供与できなくなります。 図2の中央および左下の画像は 画像品質の劣化を示します。 特に、¼インチのCCD(2.5 msの露光時間)は画像処理に不適切な画像を再現します。

この事例の目的上、大きな被写界深度は不要で最小F数のレンズが受容可能だとします。 つまり、レンズのシャッターを開いてより多くの光を集光するのは不可能です。

よって、設計者は別のカメラを勘案する必要があります。 問題は、別のカメラがシステムの性能を向上させる可能性があるかどうかということです。 より大きなセンサーを使用するのは、一般として、低光性能の問題を解決する推奨される方法として受け入れられており、したがって、½インチのセンサーは望ましい選択肢と考えられます。 ただし、試行錯誤を繰り返す代わりに、カメラのEMVA 1288撮像性能を勘案するのは有益と考えられます。

カメラ センサー ピクセルのサイズ(μm) 量子効率(%) ダークノイズ(e-) 飽和電荷量(e-)
1/4インチのカメラ
(FL3-GE-03S1M-C)
ICX618 56 70 11.73 14508
1/2インチのカメラ
(BFLY-PGE-03S3M-C)
ICX414 9.9 39 19.43 25949

EMVA 1288データに着目すると、¼インチのセンサーがよりすぐれた量子効率と低ノイズを伴うことが観察できるものの、½インチのCCDの方がピクセルは大きく、飽和容量が高いことが分かります。 1/2インチのカメラの性能がより優れているかどうかの見極め方法を紹介します。

図3 は対光密度(光子/ µm2)で信号値をプロットしてカメラを比較しています。 光密度の関数としての信号は以下のように導かれます:

本章での重要な仮説とは、レンズの画角、F値、カメラ設定が同じということです。

 

図3:1/4インチおよび1/2インチのCCDカメラによって生成される、光のレベルの関数としての信号

 

図が表すのは光密度が同じ場合、½インチのセンサーの方がより高い信号を生み出すことです。 さらに、飽和が700 photons/µm2という似たような光密度で生じることも観察可能ですが、½インチのセンサーの方が飽和容量は著しく高くなります。

本白書にて考察される用途では、カメラの比較は低光レベルで実施する必要があります。 従って、ノイズのレベルを勘案するのはとりわけ大切となります。

図4 は低光レベルでの信号とノイズを表します。 図で示されているノイズはダークノイズとショットノイズのRMS総和で、次の式で算出されています:

 

図4:低光レベルでの1/4インチおよび1/2インチのCCDカメラの信号とノイズ

 

グラフが示すのは、絶対感度閾値(信号がノイズと同等である光レベル)は、½インチのセンサーの場合、1/4インチに比べ、少し低いレベルで到達されることです。 どのカメラが低光用途でより優れた性能を発揮するのかを判断するのに必要なもっと重要な測定基準が信号とノイズの比率(SNR)です。

図5 は、照射レベルの関数として2つのカメラのSNRを表します。

図5:低光レベルでの1/4インチおよび1/2インチのCCDカメラの信号とノイズの比率

 

1/2インチのセンサーの信号とノイズの比率がより高いことに立脚して、理論上、1/2インチのカメラは、低光レベルでは、1/4インチのカメラよりも性能が優れていることが指摘されます。

図2の画像から、2.5 msの露光時間では、½インチのセンサーは全露光時間において文字の形状を保全するのに対し、¼インチのセンサーは文字を識別するのが困難であることが確認できます。 よって、½インチのセンサーは性能がより優れていて、実際の結果は理論と適合します。

FLIRは広範なカメラ試験を実施し、EMVA 1288撮像性能結果を発表しました。 この情報を用いて様々なカメラモデルの性能を比較することができます。 カメラの実装は撮像性能に対し、確かに影響を及ぼしますが、本試験は、一般として、本書で取り上げられている2つのセンサー搭載カメラの比較に際し、有用と考えられます。

FLIRは特定のカメラ比較文書を用意しています。 FLIRのカメラモデルの比較をご希望の場合、 mv-info@flir.com にご連絡ください。

本白書にて概略されている手法は、特定のカメラが他のカメラと比べどのような性能を発揮するのかについて全般的なイメージをつかむのに有用であることに留意してください。 この手法は必須の性能を向上する可能性のないカメラの判定を後押しし得ますが、カメラの性能についての最終試験は実際の用途の中で実施されることとなります。

従来型のCCDと最新型のCMOSセンサーの比較

では、低撮像条件、ならびに幅広い照明条件で従来型のCCDセンサーと最新型のCMOSセンサーを比較してみましょう。

前節では、Sony ICX414(½インチのVGA CCD)カメラが、低光条件下では、Sony ICX618(¼インチのVGA CCD)より優れた性能を発揮することが紹介されました。 それでは、½インチのVGA CCDと新しいSony Pregius IMX249(1/1.2インチの2.3Mpixグローバル・シャッターCMOSセンサー)を比較してみましょう。

一見すると、このことは「リンゴとオレンジ」の比較のような印象を受けますが、こうした2つのセンサーを備えたカメラのコストは約€400に相当し、CMOSカメラに対するVGA注目画像領域は、実際、1/4インチのカメラの光学サイズに近似し、フレームレートもまた、VGA解像度に近いです。

カメラのEMVA 1288データが示すのは、IMX249 CMOSセンサーが量子効率の面で著しく優れていて、低ノイズで飽和容量が高いことです。 一方ICX414 CCDセンサーは、前章で紹介した例では重要なパラメータであった大きなピクセルを備えています。

Camera Sensor Pixel Size (μm) Quantum Efficiency (%) Temporal Dark Noise (e-) 飽和電荷量(e-)
1/2インチCCDカメラ
(BFLY-PGE-03S3M-C)
ICX414 9.9 39 19.43 25,949
1/1.2" CMOSカメラ
(BFLY-PGE-23S6M-C)
IMX249 5.86 80 7.11* 33,105

図6:ICX414 CCDおよびIMX249 CMOSセンサーの低光レベルでの信号とノイズの比率

 

 

図7:ICX414 CCDおよびIMX249 CMOSセンサーの様々な露光時間で取得された結果

 

さらに興味深い比較は2つのセンサー間の飽和容量を原因とする光量増です。 図8 はあらゆる光量にわたる光量の関数として信号を表しています。 グラフから、ICX414 CCDセンサーが約700 photons/µm2で飽和容量に達することが分かり、IMX249 CMOSセンサーが1200 photons/µm2超で飽和するのが観察できます。

 

図8:光量の関数として、ICX414 CCDおよびIMX249 CMOSセンサーによって生成される信号

 

導き出される最初の結論は、ICX414 CCDセンサーによって生成される画像がIMX249 CMOSセンサーのもの以上に明るいということです。 このことがグラフから明らかでない場合、約700 photons/µm2で生成される画像を勘案します。 ICX414 CCDセンサーの場合、画像は最大のグレースケールレベルで飽和する可能性が最も高く、IMX249 CMOSセンサーは最大輝度の50%を上回る程度の画像を生成するに過ぎません。 この観察に意義があるのは、カメラ感度の評価に対する単純なアプローチと画像の輝度を観察することによるからです。 言い換えれば、明るい画像ほど性能の優れたカメラによって産出されるという仮定です。 ただしこのことは真実ではなく、この事例では実際に逆で、暗い画像を生成しているカメラほど性能が優れているのです。

 

図9:困難な照明条件下でのICX414 CCDおよびIMX249 CMOSセンサーにて得られた結果

 

2つ目の観察事項は、IMX249 CMOSセンサーが幅広い照明条件での画像処理に有益な画像を生成することです。 図9 は2つのカメラにて撮影された同一の風景です。 表示目的から、画像の暗い部分ほど表示目的から解像度が強化されているものの、基本的なデータが修正されていないことに留意すべきです。 画像から観察できるのは、ICX414 CCDが明るい光景の領域で飽和し、同時に、暗い領域ではノイズが多すぎて文字が判別できないことです。 逆に、IMX249 CMOSセンサーは光景の明るい部位および暗い部位に関係なく、判読可能な文字を再現します。

そして、最近のグローバル・シャッターCMOS技術がマシンビジョン用途においてCCDの実行可能な代替となりつつあると結論付けることができます。 センサーは安価で、同等の解像度でフレームレートは高く、スミアやブルーミング等のアーチファクトとは無縁であるのみならず、CCDの撮像性能を凌駕し始めつつあります。

結論

本白書では、カメラ性能の評価にあたって用いられる主要な概念を学習しました。 EMVA1288標準を導入し、結果を適用して多様な照明条件下でのカメラ性能比較を行いました。 依然、カメラ評価に際し、勘案することのできる数多くのカメラ要素が存在します。 例えば、量子効率は様々な波長で劇的に変化するため、525nmで優れた性能を発揮するカメラでも、 光源が近赤外(NIR)周波では、同様に機能しない場合があります。 同様に、蛍光および天文画像に共通する長い露光時間においては、極めて低光のレベルで重要な種類のノイズである暗電流の影響を勘案する必要があります。

撮像性能特徴に基づいて正しいカメラを選択するのは容易ではないものの、本白書がこうした魅力的で複雑なトピックの理解に少しでも役立つことを願っております。 

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