カメラキャプチャで検出可能な光の強度

導入

A camera sensor can only detect light intensity within a limited range, called its dynamic range; light outside that range is clipped to the sensor's lowest or highest measurable value.

カメラは、光子のストリームを情報を含む画像に変換するため、私たちの目に非常に似ています。カメラの画像センサーにはピクセルのグリッドが含まれています。各ピクセルは、読み取りフェーズ（露光とも呼ばれる）中に当たる光子の数をカウントし、強度スコアを出力します。

カメラのダイナミックレンジは、黒から白までの測定可能な光強度の最小値と最大値の比率を定義し、写真撮影において不可欠な特性です。

SNRの説明

イメージングセンサーにおける光強度

1枚の画像を取得する際、カメラセンサーは特定の範囲内で各ピクセルの光強度を測定します。一般的なセンサーは256～4096段階の光強度レベルを検出でき、これは1ピクセルあたり8～12ビットのデータに相当します。

画素の輝度は、センサーの測定範囲内、つまり8ビット画像の場合は0より大きく255より小さい値でなければなりません。範囲外の値には、可能な限り低い値または高い値が割り当てられます。したがって、輝度が0または255の場合、実際の画素強度を区別することは不可能になります。たとえば、輝度が255の場合、実際の値は255、275、または10000になる可能性があります。

光測定における信号と雑音

例として、下の図は、正弦波形状で振幅が増大し、熱雑音が加わった典型的な信号を示しています。

SNRの説明

強度測定プロセスは以下のとおりです。

  • ノイズフロア（左）：測定可能な最低強度は、読み出しノイズや量子化ノイズなどのノイズによって制限されます。光を検出するには、光強度がこのノイズフロアを超える必要があります。

  • 使用可能な信号範囲（中間）：低 SNR と高 SNR の領域は、信号が十分に強く、強度レベルを正確に測定および識別できる範囲です。

  • 飽和（右）：光の強度が強すぎると、ピクセルが飽和状態になり、クリッピングが発生して情報が失われます。

検出可能な最低強度から測定可能な最高強度までの全範囲を、センサーのダイナミックレンジ（DR）と呼びます。有効信号と雑音の比率を信号対雑音比（SNR）と呼びます。

下のグラフは、信号レベル、ノイズ、光強度の関係を示しています。

信号レベル、ノイズ、光強度

クリッピングと高コントラストシーン

イメージセンサーは、シーンのダイナミックレンジ全体を捉えきれないことが多く、その結果、クリッピングと呼ばれる光学現象が発生します。クリッピングとは、特定の領域の輝度が、センサーが表現できる最小値と最大値の範囲外になる現象です。このようなディテールの損失は、非常に明るい部分と非常に暗い部分が混在する高コントラストのシーンで発生します。

値が255のピクセル（8ビット画像の場合）は飽和（白）しており、値が0に近いピクセル（黒）はノイズフロアにあります。

ハイライトとシャドウのクリッピング

露出の調整

A camera sensor's upper and lower readout limits are roughly fixed in terms of photon count. However, adjusting exposure changes the number of photons entering the camera, hitting the pixel, and getting read.

  • 露光量を増やす：より多くの光子がピクセルに到達し、暗い物体の読み出し性能が向上します。

  • 露出を減らす：ピクセルに到達する光子の数が少なくなり、明るい被写体の飽和を防ぎます。

露出を調整することで、センサーが最適な範囲で動作し、対象領域において良好な信号対雑音比（SNR）が得られます。これにより、シーンの明るい部分と暗い部分の両方でバランスの取れた輝度レベルを実現できます。

参考文献

露出についてさらに詳しく知りたい場合は、次の記事 ストップの概要 を読むことをお勧めします。