デジタルカメラセンサー

デジタル カメラは、何百万もの小さな光キャビティまたは「フォトサイト」の配列を使用して画像を記録します。カメラのシャッター ボタンを押して露出が始まると、これらのそれぞれが露出して光子を収集し、電気信号として保存します。露出が完了すると、カメラはこれらの各フォトサイトを閉じ、電気信号の強度を測定することで、各キャビティに落ちた光子の数を評価しようとします。信号は、ビット深度によって決定される精度で、デジタル値として定量化されます。結果として得られる精度は、記録されているファイル形式に応じて再び減少する場合があります (8 ビット JPEG ファイルの場合は 0 ～ 255)。

キャビティ アレイ 軽い空洞

ただし、これらの空洞は各色の量を区別できないため、上の図ではグレースケールの画像しか作成されません。カラー画像をキャプチャするには、特定の色の光のみを許可するフィルターを各キャビティに配置する必要があります。現在のほとんどすべてのデジタル カメラは、各キャビティで 3 原色のうちの 1 つしかキャプチャできないため、入射光の約 2/3 を破棄します。その結果、カメラはすべてのピクセルでフルカラーを表示するために、他の 2 つの原色を近似する必要があります。最も一般的なタイプのカラー フィルター配列は、以下に示す「ベイヤー配列」と呼ばれます。

カラー フィルター配列 カラー フィルターを使用したフォトサイト

ベイヤー配列は、赤緑フィルターと緑青フィルターの交互の行で構成されます。 Bayer 配列には、赤または青のセンサーの 2 倍の緑が含まれていることに注意してください。人間の目は、赤と青の両方の光よりも緑の光に敏感であるため、各原色は全面積の等しい割合を受け取りません。緑のピクセルの冗長性により、各色が同等に処理された場合よりもノイズが少なく、より細かいディテールを持つ画像が生成されます。これは、緑チャネルのノイズが他の 2 つの原色よりもはるかに少ない理由も説明しています (例については、「画像ノイズについて」を参照してください)。

元のシーン
(200% で表示) カメラが見ているもの
(ベイヤー配列を介して)

注:すべてのデジタル カメラがベイヤー配列を使用しているわけではありませんが、これは最も一般的な設定です。たとえば、Foveon センサーは各ピクセル位置で 3 つの色すべてをキャプチャしますが、他のセンサーは同様の配列で 4 つの色 (赤、緑、青、エメラルド グリーン) をキャプチャする場合があります。

ベイヤー デモザイク

ベイヤー「デモザイキング」は、原色のこのベイヤー配列を、各ピクセルにフルカラー情報を含む最終画像に変換するプロセスです。カメラがフルカラーを直接測定できない場合、これはどのように可能ですか?これを理解する 1 つの方法は、赤、緑、青の各 2x2 配列を 1 つのフル カラー キャビティと考えることです。

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これは問題なく機能しますが、ほとんどのカメラは、このカラー配列からさらに多くの画像情報を抽出するために追加の手順を実行します。カメラが各 2x2 配列のすべての色を同じ場所に着陸したものとして処理した場合、水平方向と垂直方向の両方で半分の解像度しか達成できません。一方、カメラがいくつかの重複する 2x2 配列を使用して色を計算した場合、2x2 配列の単一セットで可能になるよりも高い解像度を達成できます。次の重複する 2x2 配列の組み合わせを使用して、より多くの画像情報を抽出できます。

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画像が各方向に連続していると仮定したため、アレイの端で画像情報を計算しなかったことに注意してください。これらが実際にキャビティ アレイのエッジである場合、すべての側面にピクセルが存在しないため、ここでの計算の精度は低くなります。ただし、数百万ピクセルのカメラでは、画像の端にある情報が簡単に切り取られる可能性があるため、これは通常は無視できます。

わずかに高い解像度を抽出したり、ノイズの少ない画像を生成したり、各位置で画像を最適に近似するように適応したりできる他のデモザイキング アルゴリズムが存在します。

アーティファクトのデモザイク

デジタル センサーの解像度限界に近い小さなディテールを持つ画像は、デモザイク アルゴリズムをだまして、非現実的な結果を生成することがあります。最も一般的なアーティファクトはモアレ (「more-ay」と発音) であり、非現実的な迷路のようなパターンで配置されたパターン、色のアーティファクト、またはピクセルの繰り返しとして表示される場合があります。

2 番目の写真 ↓ 上記のサイズの 65%

上の 2 枚の写真は、それぞれ倍率が異なります。最初の写真の 3 番目の四角に加えて、下の 4 つの四角すべてにモアレが発生していることに注意してください (微妙)。縮小版の 3 番目の正方形には、迷路のようなアーティファクトと色のアーティファクトの両方が見られます。これらのアーティファクトは、テクスチャのタイプと、デジタル カメラの RAW ファイルの現像に使用されるソフトウェアの両方に依存します。

ただし、各フォトサイトですべての色をキャプチャして区別できる理論的に完全なセンサーを使用しても、モアレやその他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、離散的な間隔または位置で連続信号をサンプリングするシステムの避けられない結果です。このため、ほぼすべての写真デジタル センサーには、光学ローパス フィルター (OLPF) またはアンチエイリアシング (AA) フィルターと呼ばれるものが組み込まれています。これは通常、センサーのすぐ前にある薄い層であり、センサーの解像度よりも細かい、潜在的に問題となる詳細を効果的にぼかすことによって機能します。

マイクロレンズアレイ

このチュートリアルの最初の図で、各キャビティが直接隣り合って配置されていない理由を不思議に思うかもしれません。実際のカメラ センサーには、センサーの表面全体をカバーするフォトサイトは実際にはありません。実際、他の電子機器を収容するために、それらは全面積の半分しかカバーしない場合があります。各空洞は、光子を一方の空洞または他方の空洞に向けるために、それらの間に小さなピークが表示されています。デジタル カメラには、集光能力を高めるために、各フォトサイトの上に「マイクロレンズ」が含まれています。これらのレンズは、光子が使用されていないフォトサイトに光子を向けるじょうごに似ています。

適切に設計されたマイクロレンズは、各フォトサイトでの光子信号を改善し、その後、同じ露出時間でノイズの少ない画像を作成できます。カメラ メーカーは、マイクロレンズ設計の改良を利用して、最新の高解像度カメラのノイズを低減または維持することができました。これは、同じセンサー領域により多くのメガピクセルを絞り込むことにより、フォトサイトが小さいにもかかわらずです。

デジタル カメラ センサーの詳細については、以下をご覧ください。
デジタル カメラ センサー サイズ:これらは写真にどのように影響しますか?