駆け出しエンジニアの気ままにブログ

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カメラの基本がわかる「体系的に学ぶデジタルカメラのしくみ」をまとめてみた。(2)  

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「体系的に学ぶデジタルカメラのしくみ」は、基本デバイスであるカメラについて、体系的にまとめられた良書です。
カメラはスマートフォンをはじめとした各種デバイスで応用されている基本的なデバイスなだけに、その基本をおさえておきたいものです。

ということで、今回も前回に続きカメラの基本について学んだ内容を備忘録的に簡単にまとめてみたいと思います。

ヒトの目で見える範囲を視野角と呼びますが、カメラではこれを「画角」と呼びます。画角は「焦点距離」と密接に関わるため、レンズでは対応する焦点距離の数値を「mm」で表し、どんなレンズかがわかるようにしています。 人間の視野に近い50mmを基本にして、それ以下は広角(広い視野で写せる)、それ以上は望遠(遠くの被写体を大きく写せる)と呼びます。35mmから75mm程度を標準ズームと呼びます。

失敗写真の大半はピンぼけと手ブレと言われています。手ブレ補正の機構(光学式)は「レンズシフト方式」と「イメージセンサーシフト方式」(センサーシフト方式)があります。
レンズシフト方式はフイルム式カメラの頃からある方式です。手ぶれを検知してレンズ内の補正レンズを制御し、光軸のぶれを相殺することで補正するしくみです。これに対して、イメージセンサーシフト方式は光軸のぶれに合わせてカメラ本体側にある撮像素子を動かすしくみです。

一眼レフで使われているAF方式は、専用のAFセンサーを本体内部に配置し、そのセンサーによって被写体までの距離とピントのズレを演算し、一気にピントを合わせる「位相差検出AF」方式です。 これに対して、一般的なミラーレスカメラでは、撮像素子で受けた画像を解析し、ピントのズレを補正して合わせる「コントラストAF」方式が採用されました。 一眼レフの位相差検出AF(位相差AF)は、2つのセパレータレンズを使って2つの画像を検出してそれを並べ、本来合焦するはずの位置から2つの像がどれだけ離れているかでピントのズレを検出、ズレている分だけレンズを一気に動かして合焦します。

F値は「開放F値」とも呼ばれ、レンズの絞りを開放したとき、すなわち最も明るい状態のときの数値が表記されています。レンズの性能を見るうえでは、F値が小さいレンズほど明るいレンズと表現します。 光を1点に集めることができずに、ボヤけたり、にじんだり、歪んだりしてしまう現象を総称して収差と言います。収差は、レンズの材質や大きさなどによって大きく変化します。 また、収差は、大きく分類すると、光の波長によって生じる色収差と、色には左右されない単色収差に分けられ、さらに、色収差は軸上色収差と倍率色収差の2つに、単色収差は球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲収差の5つに分類することができます。

DCFはDesign rule for Camera File systemの略称で、日本語に訳すと「カメラファイルシステム用に作られた設計規定」となります。デジタルカメラで撮影した画像を、メモリーメディアを介してさまざまな機器で利用するために策定したファイルシステム。 メディアのファイルシステムには「FAT」(FAT32)が採用されています。FATはFile Allocation Tableの略で、Windows 95からXPやWindows 8まで、ずっと標準のファイルシステムとして使われています(Windows 2000以降からNTFSとファイルシステムも標準として併用されています)。そのため、パソコンやその周辺機器での利用が比較的スムーズに行えるファイルシステムと言えます。

デジタルカメラやパソコンで「フラッシュメモリー」と呼ばれるものには大きく分けて2種類あります。
1つはSDRAMとともに内蔵メモリーとしてよく利用されているNOR型フラッシュメモリーです。 主にOSを含むプログラムを保存したり、演算などに使用されています。ランダムアクセスが速く1ビット単位でデータの書き込みができることが特徴です。 NOR型は富士通、米インテルや米AMD(Advanced Micro Devices)、STマイクロエレクトロニクス社グループなどが生産し、ほかに三菱電機が開発したDiNOR型フラッシュメモリー(Divided bit line NOR)もあります。
もう一方は、記録メディアとして使用されるメモリーです。NAND型は中心となるフローティングゲート方式を開発し、その基本特許を所有している東芝と、東芝から技術供与を受けた米サンディスク、韓サムスン電子のみが特許の使用権を認められています。 フローティングゲート方式の他にMNOS方式もあります。

(2015年5月8日)





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カメラの基本がわかる「体系的に学ぶデジタルカメラのしくみ」をまとめてみた。  

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「体系的に学ぶデジタルカメラのしくみ」は、基本デバイスであるカメラについて、体系的にまとめられた良書です。
カメラはスマートフォンをはじめとした各種デバイスで応用されている基本的なデバイスなだけに、その基本をおさえておきたいものです。

ということで、今回と次回はカメラの基本について学んだ内容を備忘録的に簡単にまとめてみたいと思います。

デジタルカメラでは、画質を左右する3大要素は、レンズ、撮像素子、画像エンジン

レンズを通った光を撮像素子が受けると電荷が発生する。 それを電気信号に変換したものを画像エンジンが明るさや色合い、ホワイトバランスの調整、色補正、ノイズ除去などのさまざまな処理を行ったうえでJPEGなどの写真データとして生成、メモリーカードに保存しています。

写真の画質を決める最も重要な部品の1つが撮像素子。 撮像素子の性能を測るための数値として、撮像素子のサイズ、解像度、画素ピッチが注目され、いずれの数値も高いほど高画質性能を持つとされています。

一般のデジタル一眼レフに採用されている撮像素子の大きさは一番大きいものから35mmフルサイズ、APS-C、4/3です。 コンパクトデジタルカメラなどレンズ一体型では一般に、撮像素子の大きさをインチで表します。1インチ、2.7分の1インチ、2分の1、1.7分の1、3分の2、4分の3などと表記します。 一般に撮像素子は大きいほど、白飛びや黒潰れが少なく、色合いがきれいな画像を得ることができ、ノイズも少ないとされています。
撮像素子が大きいほど生産コストがかかり、バッテリの消費量も大きく、熱を持ちやすい、カメラのボディやレンズも大きく重くなる、などの欠点もあります。 また、画素数が多いほど細かな描写は可能ですが、撮像素子のサイズが同じならば画素数が多いほど取り込む光の量が減って画質は低下します。

撮像素子の最大の目的は、光を電気信号に変えることです。これを光電変換と言います。光電変換を行うためには、光電効果という現象を利用します。 光電効果はわかりやすく言えば、特定の物体に光が照射されたときに、電子などが活発に動きだす現象を言います。撮像素子では、この光電効果を得るためにフォトダイオードと呼ばれるパーツを使います。
フォトダイオードは、光の強さに応じて電荷を電流にしたり、あるいは電荷として取り出すことができるパーツです。通常は光の強弱の変化を捉えるためのセンサーを指します。フォトダイオードは撮像素子の画素数だけ必要になります。

デジタルカメラの撮像素子にはCMOSセンサーとCCDの2種類があります。CMOSとCCDにはそれぞれメリットとデメリットがあり、最近は主にCMOSセンサーが使われています。
CCDは、Charge Coupled Devicesの略称で、日本語では電荷結合素子と訳されます。CCDは、光を電気信号に変えるまでに以下のような手順を踏んでいます。
① 光を電荷に変換し蓄積する
② 電荷を転送する
③ 電荷を電気信号に変換する

CCDの品質を比べる基準の中に、ダイナミックレンジがあり、CCDが扱うことができる最も大きな信号と最も小さな信号の比率で、dB(デシベル)という単位で表わされます。 最大信号と最小信号の差が大きければ大きいほど、識別できる色の階調は多くなるため、より自然な色が表現できるようになります。
画質は細かさ(解像度)だけで判断するものではありません。発色や階調など表現の豊かさは撮像素子のサイズが大きく左右します。 撮像素子の大きさが同じだった場合、画素数の多い方が画質は劣る可能性があります。それは、画素数が増えると撮像素子が画像情報として受光するための面積が小さくなり、ダイナミックレンジが小さくなってしまうからです。

(2015年5月3日)





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