カメラ感度の評価方法

EMVA1288 撮像性能標準を用いてのカメラ性能比較

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
• 異なる露光時間での低照度性能の比較
• 従来型 CCD センサーと最新型 CMOS センサーの比較
• ソニー Pregius センサーの各世代の比較
• 結論

フレームレートや解像度、インターフェイスといった基本的なカメラ仕様を比較することは、それほど難しいことではありません。フリアーシステムズの最新版カメラ選択ツールを利用すれば、14 項目を超える EMVA 規格の仕様条件から絞り込み検索を行い、プロジェクトの要件にぴったり合うモデルを見つけることができます。ですが、量子効率やテンポラルダークノイズ、飽和容量など、撮像性能の比較となるともう少し複雑です。まずは、様々な測定基準の意味を正確に理解する必要があります。

量子効率とは何でしょうか? また、どの波長時に測定されるのでしょうか? 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? 本文書では、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 は、カメラ性能のどの部分をどう測定し、またその結果をどのように統一された方法で表示するかを定めた規格です。本文書の第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。

図 1: イメージセンサーが光をデジタルイメージに変換する仕組み

まず初めに、光そのものに含まれるノイズについて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 ピクセルで観測される光子の数は露光時間と光の強度に左右されるということを留意してください。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ための最初のステップは、光子を電子に変換することです。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。デジタル化の過程で光子から変換される電子の比率を「量子効率 （QE）」といいます。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。

デジタル化される前の電子は画素内に蓄えられ、それを「ウェル」といいます。ウェル内に蓄えることが可能な電子の数を、「飽和容量」あるいは「ウェルの深さ」といいます。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。

画素での集光が完了した際に測定されるウェル内の電荷量を「信号」と呼びます。図 1 では、矢印の針が信号の測定値を示しています。この測定で生じるノイズを「テンポラルダークノイズ」または「読み出しノイズ」といいます。

最後に、「グレースケール」は電荷量で表された信号値を 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定義されます。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」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。

カメラ性能を評価する際によく言及されるのが「信号対雑音比 （SN 比）」と「ダイナミックレンジ」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。

「絶対感度の閾値」とは、センサーで観測されるノイズと同等の信号を得るために必要な光子の数を意味します。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。

フリアーシステムズは、EMVA1288 規格に準じてセンサーやカメラの比較を行えるように、70 を超えるカメラモデルの撮像性能に関する業界初の包括的な調査を実施しました。 

カメラの低照度性能の比較

本文書の目的上、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。

こうした課題は通常、試行錯誤を繰り返しながら解決されるものです。例えばビジョンシステムの設計者が、このアプリケーションには 30 フレーム / 秒で動作する 1/4 インチ CCD の VGA カメラで十分だ、と判断したとしましょう。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 1/4 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生成しています。

図 2: 異なる露光時間で撮影した 1/4 インチおよび 1/2 インチ CCD カメラの画像

しかしながら、被写体が動き始めると露光時間は短くなり、アルファベットの「B」と「D」は数字の「8」「0」と区別できなくなるため、カメラの画像情報は有用ではなくなります。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、2.5 ミリ秒の露光時間で撮影した 1/4 インチ CCD の画像は画像処理に適していません。

この例では、大きな被写界深度は必要としないためレンズの F 値は最小でよいと仮定しています。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考慮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。一般的に、低照度性能の問題を解決するにはより大きなセンサーを使用するのが良いとされているので、1/2 インチセンサーのカメラを選ぶのが好ましいでしょう。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。

EMVA 1288 のデータを見ると、1/4 インチのセンサーの方が量子効率が良くノイズが少ないものの、1/2 インチ CCD の方が画素サイズも飽和容量も大きいことがわかります。ここでは、本当に 1/2 インチカメラの方が性能的に優れているかを見極める方法をご紹介します。

図 3 は、信号値と光密度 （光子/µm2） をグラフにしてカメラを比較したものです。信号値は光密度の関数として、以下の数式で算出されています。

ここでは、レンズは実視野 (FOV)、F 値、カメラ設定がすべて同じであることが前提です。

図 3: 1/4 インチおよび 1/2 インチ CCD カメラで生成された信号を光密度の関数として表したグラフ

図 3 は、光密度が同一である場合、1/2 インチのセンサーの方がより高い信号を生成することを示しています。また、どちらも 700 光子/µm2　あたりで飽和しますが、1/2 インチセンサーの方が飽和能力が著しく高いことがわかります。

本文書で検討しているアプリケーションに向けたカメラ選びでは、低照度環境でカメラを比較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、低光量での信号とノイズの値を示しています。この図が示すノイズの値はテンポラルダークノイズとショットノイズの総和の RMS (二乗平均平方根) であり、次の式で算出されています。

図 4: 低光量での 1/4 インチおよび 1/2 インチ CCD カメラの信号とノイズ

このグラフから、1/2 インチセンサーは、1/4 インチセンサーよりもわずかに低いレベルで絶対感度の閾値 （信号がノイズと等しくなる光量） に達することがわかります。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、2 つのカメラの SN 比を光密度の関数として表したものです。

図 5: 低光量での 1/4 インチおよび 1/2 インチ CCD カメラの SN 比

1/2 インチセンサーの SN 比の方がより高い数値を示していることから、低照度環境下では 1/4 インチより 1/2 インチのカメラの方が画像精度が良いことがわかります。

図 2 の画像を見ると、1/2 インチのセンサーはどの露光時間でも文字の形状を維持しているのに対し、1/4 インチのセンサーは露光時間 2.5 ミリ秒で文字の識別が難しくなっています。したがって、1/2 インチセンサーの方が性能が良く、実際の結果も理論と一致しているということがいえます。

フリアーシステムズは広範囲にわたる調査を実施し、EMVA 1288 規格に準拠する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。

弊社では、詳細なカメラ比較文書を提供しております。弊社製品の比較結果をご希望の方は、[email protected] までご連絡ください。

なお、本文書でご紹介している比較方法は、特定のカメラの性能を他のカメラと比較した際にどの程度優れているのかを大まかに把握するために有効なものです。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 CCD センサーと最新型 CMOS センサーの比較

今度は、低照度環境および幅広いレベルの照度環境下における従来型 CCD センサーと最新型 CMOS センサーの性能を比較してみましょう。

前のセクションでは、ソニー ICX414（1/2''VGA CCD） を搭載したカメラがソニー ICX618（1/4''VGA CCD） を搭載したカメラよりも低照度環境で優れた性能を発揮することを説明しました。ここからは、1/2 インチ VGA CCD センサーと、ソニーの新製品である 1/1.2 インチ、2.3 メガピクセルのグローバルシャッター搭載 CMOS センサー「Pregius IMX249」を比較します。

一見すると「リンゴとオレンジ」を比較するかのようですが、これら 2 つのセンサーを備えたカメラの価格はどちらも約 400 ユーロ (約5万2000円) と同程度です。CMOS カメラの VGA 関心領域 (ROI) も実際は 1/4 インチカメラの光学サイズと近く、またフレームレートも VGA 解像度とさほど変わりません。

両カメラの EMVA 1288 データを比較すると、IMX249 CMOS センサーの方が量子効率が遥かに良く、低ノイズで飽和容量も高いことがわかります。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。

図 6: 低光量での JCX414 CCD および JMX249 CMOS センサーの SN 比

図 7: 異なる露光時間で撮影した JCX414 CCD および JMX249 CMOS センサーの画像

さらに興味深いのは、2 つのセンサーの飽和容量の違いによる、より高い光強度での比較です。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。このグラフからは、JCX414 CCD センサーが 700 光子/µm あたりで飽和容量に達するのに対し、2IMX249 CMOS センサーは 1200 光子/µm を超えたあたりで飽和していることがわかります。2に対応しています。

図 8: JCX414 CCD および JMX249 CMOS センサーで生成された信号を光密度の関数で表したグラフ

ここからまず言えるのは、JCX414 CCD センサーで撮影した画像は JMX249 CMOS センサーで撮影したものよりも明るく写るということです。グラフからそれがわかりにくい場合は、700 光子/µm で生成される画像を考えてみてください。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。よく、画像の明度が高いほどカメラの感度が良いと考えられがちですが、もしそうであるならこの観測結果は衝撃でしょう。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: 厳しい照明条件下で撮影した JCX414 CCD および JMX249 CMOS センサーの画像

次に明らかなのは、JMX249 CMOS センサーの方がより幅広い照明条件でも処理しやすい画像を生成するということです。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。

最後に、最近のグローバルシャッター CMOS 技術は、マシンビジョンアプリケーションにおいて CCD に代わる有力な選択肢になったと結論づけることができます。CMOS センサーは CCD センサーに比べて価格が低く、同等の解像度でより高いフレームレートを実現し、またスミアやブルーミングといったアーチファクトが発生しないというだけでなく、撮像性能でも上回っているのです。

ソニー Pregius の各世代の比較

初めのほうでも説明した通り、センサーのサイズはセンサーの性能に大きく影響します。これは、画素が大きいほど集められる光子の最大数が多くなり、同じ照明条件下でもより多くの光子を集めることができるためです。一方で、画素サイズが大きいということは、一定の解像度を得るために必要なセンサーのサイズが大きくなることを意味し、その分センサーのコストが高くなるという欠点もあります。下の図は、ソニー Pregius センサーの各世代における画素サイズの違いを表しています。

図 10: ソニー Pregius センサーの各世代の画素サイズの違い

画素サイズは (第 3 世代を除き) 縮小傾向にありますが、センサー容量以外の撮像性能は世代ごとに向上しています。その主な理由は、第 2 世代以降のテンポラルダークノイズが減少したことにあります。下の図は、Pregius のテンポラルダークノイズが各世代でどう変化したかを表しています。

図 11: Pregius S の読み出しノイズは低レベルに維持されている
センサーの全体的な撮像性能を把握するには、Pregius の各世代の代表的なセンサー仕様を示す下の表を参照してください。

この表から、Pregeus S の画素サイズは 4 世代の中で最も小さいにも関わらず、撮像性能は第 2 世代、第 3 世代と同等であることがわかります。これは、裏面照射型構造を採用したことで光子の入射角が広くなり、画素内により多くの光を取り込むことができるようになったためです。

図 12. 従来の前面照射型センサーの構造を逆転させた BSI (裏面照射型) センサーは、各画素の受光素子 （フォトダイオード） に光が入射しやすい。

この新しいセンサー構造により、Pregeus S シリーズは前世代の撮像性能を維持したまま画素サイズは最小に、そして前世代よりも高い解像度を比較的低価格で実現しています。

結論

今回は、カメラの性能を評価する際のキーポイントについて学びました。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。

撮像性能の特性を基に適切なカメラを選択することは容易ではありません。ですが、本文書がこの興味深くも複雑な課題を理解するのに少しでもお役に立てれば幸いです。

14 項目を超える EMVA 規格の仕様条件から絞り込んで検索できるので、あなたのプロジェクト要件にぴったり合うモデルが見つかります。最新版マシンビジョンカメラ選択ツールを是非お試しください。