今日のおじさん、なに食べました? (仮)

妻の料理と、おじさんの毎日の記録です。ほんのり工学テイスト。

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デジカメ実験~ノイズによるISO感度の限界
【今日の夕食】
 今日は、妻と娘(2歳6ヶ月)と、大和市(神奈川県)の「引地川公園ゆとりの森」[1]に行きました。車を使えば、家からそう遠くなく、遊具が充実した良い公園でした。ただ、すぐ隣が海上自衛隊の基地のために、飛行機がすぐ上を飛んで、ひどい爆音がありました(おちおち、遊んでいられないほどの騒音です)。もう一度行く気にはなれず、残念でした。
[1]日産クリエイティブサービス;引地川公園ゆとりの森
http://www.nissan-nics.co.jp/yutori/
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★ピザ
 妻の手作りです。ゴーヤが乗っています。ゴーヤは、ピザに乗せてみるとピーマンに似た苦味と触感で、違和感はありませんでした。手作りピザソースの味もよく、おいしく頂きました。

★ポテト
 じゃがいもを刻んで、炒め焼きしたものです。

★冷奴

★きゅうり浅漬け、ミニトマト


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【今日のおじさん】 デジカメ実験~ノイズによるISO感度の限界
 4月に新しいデジタルカメラ(オリンパスTG-630、防水コンデジ)を買ってから、レンズやカメラに興味を持つようになりました。少し前から、レンズやカメラの実験を記事にしています。 (→一覧はこちら

 今回は、デジカメのISO感度とノイズの関係を調べました。


★ISO感度とノイズ
 デジカメでは、「ISO感度」を自由に設定できます。ISO感度は、簡単に言えば、撮像素子への入力光量と、記録画像の明るさとの関係性を決める係数のひとつです。撮像素子への入力光量(エネルギ)が同じならば、ISO感度が高いほど、明るい画像が記録されます。反対に、ISO感度が高い場合には、同じ明るさ(露出)の画像を記録するときに、撮像素子への入力光量が少なくて済みます。すなわち、ISO感度を高めることで、シャッタースピードを速めたり、絞りを絞ったりすることができます。これによって、撮影条件の自由度が増します。
 ISO感度は、電気的なゲインと考えられます。ISO感度を高めても、撮像素子への入力光量が増すわけではありません。このために、過度にISO感度を高めると、ノイズが大きくなって、見栄えの悪い写真になってしまいます。下の写真は、ノイズの多い写真の一例です。クリックして拡大すると、水面など黒っぽい部分でのノイズ(ザラザラ)が目立ちます。
 オリンパスTG-630;ISO6400、シャッタースピード1/20、F値3.9
05ISO6400.jpg
 ノイズの大きさについては、以前の記事(→こちら)で書きました。このときの考察によると、記録画像のノイズには、次の性質があります。
・撮像素子のエネルギ→電圧の変換係数[V/J](ゲイン)に比例する。
・ISO感度に比例する。
 同じ明るさの画像を記録する場合、エネルギ→電圧の変換係数は、素子の受けるエネルギが大きいほど、小さくてすみます。撮像素子ピッチが2倍(1素子あたりの幅が2倍、面積が4倍)になると、同じ被写体・同じ露出条件(絞り・シャッタースピード)でも、撮像素子の得るエネルギは4倍になります。したがって、変換係数は1/4になります。これが、「大きい撮像素子ほどノイズが小さい」といわれる理由と考えられます。
 変換係数はカメラ内部の係数ですが、ISO感度は撮影者が調整可能です。ISO感度は、電圧→画像の輝度の変換係数と考えることができます。使用カメラが決まっている場合、ノイズを小さくするには、ISO感度を小さくすることで対処するしかなさそうです。


★ISO感度とノイズの関係を調べる
 ノイズを避けるためには、適正なISO感度の設定が必要です。そこで、当方所有のデジカメについて、ISO感度とノイズの関係を調べました。
 実験装置を、下の写真に示します。
 ・デジカメ オリンパスTG-630(撮像素子:1/2.3型≒幅6.2mm)
 ・グレーカード(18%グレー反射板)
 ・はんごう
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 実験手順は、以下の通りです。
1)デジカメの設定はプログラムオート。
2)グレーカードを使って、ピント・露出を合わせる。
 このとき、ISO感度とシャッタースピードを、所定値に合わせる。
3)セルフタイマー(12s)でシャッターを切る。
4)デジカメをはんごうの中に入れて、光を遮断する。
5)撮影完了を待つ。

 撮影条件は、次の通りです。ISO感度のみ変化させて、シャッタースピードと絞り(F値)は一定です。すなわち、撮像素子に入る光量(エネルギー)は、すべて一定です。
a)ISO400 、シャッタースピード1/80、絞りF3.9
b)ISO800 、シャッタースピード1/80、絞りF3.9
c)ISO1600、シャッタースピード1/80、絞りF3.9
d)ISO3200、シャッタースピード1/80、絞りF3.9
e)ISO6400、シャッタースピード1/80、絞りF3.9

 なお、このデジカメには、絞りやシャッタースピードをマニュアルで設定する機能がありません。ISO感度はマニュアル選択可能です。そこで、ISO感度を変化させて、露出補正を調整して、所望のシャッタースピードを選ぶことにしました。絞りは2段絞りのため、開放側(F3.9)になっていることを確認しました。

 また、エネルギーでなく、露出(ISO値×シャッタースピード)を一定にする条件でも、実験を行いました。しかし、上の条件と結果がほとんど変わらなかったため、今回は割愛します。


★各条件でのノイズ比較
 結果です。まず、撮影画像を示します。画面ではすべて真っ暗に見えます。クリックして拡大すると、高感度(ISOが大きい)では赤やグレーのノイズが、ぼんやりと見えます。

a)ISO400、シャッタースピード1/80
I6400S80.jpg

b)ISO800、シャッタースピード1/80
I800S80.jpg

c)ISO1600、シャッタースピード1/80
I1600S80.jpg

d)ISO3200、シャッタースピード1/80
I3200S80.jpg

e)ISO6400、シャッタースピード1/80
I6400S80.jpg

 このノイズの確認結果から、当方のデジカメでは、ISO3200でも、それほどノイズは見えないように思えます。ISO6400では、ちょっとノイズが気になります。


★ノイズの定量的な評価
 定量的な評価のために、画像閲覧ソフト「Irfanview」で「ヒストグラム」を確認しました。結果を下図にまとめます。横軸が輝度、縦軸がそれぞれの輝度を持つピクセル数です。画像サイズは1920×1280=2457000画素です。
20130825z2.jpg
 真っ暗闇を撮影しているはずですが、ヒストグラムはゼロではありません。これは、ノイズが原因と推定されます。次のことが分かりました。
・ISO感度が大ほど、輝度の最頻値が大きい。すなわち、ノイズの平均値が大きくなる。
・ISO感度が大ほど、輝度のバラツキが大きい。すなわち、ノイズの最大値が大きくなる。

 ISO感度ごとの、ノイズのピーク輝度(最頻値)と、ノイズ最大値を調べました。ここでノイズ最大値は、最頻値から輝度が大きくなるほうに頻度を調べていって、最初に頻度<1000となるところの輝度としました。
20130825z3.jpg
 上のグラフから、次のことが確認できます。
・ISO感度大ほど、輝度のピーク、最大値とも大きくなる。すなわち、ノイズが大きい。
・ISO1600→3200では、ノイズがあまり増さない。

 ISO1600→3200でノイズが増さない理由として、高感度では、低感度と異なるノイズ低減アルゴリズムがとられている可能性があります。最近のデジカメでは、ソフト的に高度なノイズ低減処置がなされているので、高いISO感度での撮影が実現できているのだと思われます。
 ただ、ソフトウェアでのノイズ低減は、画像を歪める可能性があります(たとえば、「塗り絵画質」になるなど)。このため、このデジカメでは、ISO3200以上の撮影は、なるべく避けたほうが良さそうです。


★まとめ
 ISO感度を変化させて、暗闇での撮影を行いました。この結果、次のことを確認できました。
・ISO感度を上げるほど、ノイズが大きくなる。
・ISO感度が低い(~1600)と高い(3200~)場合で、ノイズの不連続な変化があった。

 当デジカメでは、ISO3200までならば、暗闇画像のノイズは気になりませんでした。
 しかし、ISO3200以上では、ソフト上で強力なノイズ削減が行われている可能性があり、画像を歪めるおそれがあります。このため、実際の撮影は、ISO1600までに抑えたほうがよさそうです。

 なお、ISO感度の限界は、カメラによって違います。撮像素子サイズが大きいカメラならば、内部ゲイン(光量→電圧)が小さくなって、ノイズを大幅に低減できるはずです(面積2倍でノイズ1/2)。


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