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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。  

desitalcamera.jpeg

「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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