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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ISO感度比較実験!ミラーレスとコンデジのノイズ
【今日の夕食】
 朝晩が涼しくなりました。今朝は少し冷たい風が吹き、半袖では寒いくらいでした。妻と娘(2歳7ヶ月)は母子分離の育児サークル、今日はお宅訪問の日だったそうです。(サークルの全員の家を、順繰りに回るとのことです。)
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★しらすご飯
 しらすがスーパーで安売り、山盛り500円だったそうです。

★4点盛りプレート
・おくら
・もやし
・枝豆
・れんこんきんぴら

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【今日のおじさん】ISO感度比較実験!ミラーレスとコンデジのノイズ
 先日、ミラーレス一眼を買いました。オリンパスの「PEN mini」、形式E-PM2です。いわゆる、「ミラーレス一眼(マイクロ一眼)」です。

 ミラーレスと、コンデジとの性能の違いが気になり、これまで、いろいろと試しています。
 ・私のおすすめ!~オリンパス、ミラーレス一眼の魅力 →こちら
 ・ミラーレス一眼「PEN mini」を買いました。  →こちら
 ・オリンパス45mm単焦点レンズのボケ味と作例   →こちら
 ・比較実験!ミラーレスはコンデジよりも高画質か?   →こちら
 ・比較実験!ミラーレスはコンデジよりボケ味がある?   →こちら

 今回は、ISO感度とノイズの関係を、実験でコンデジと比較します。


★撮像素子サイズが大きいほどノイズが小さくできる理由
 ミラーレス一眼は、一眼レフ同様、コンパクトカメラ(コンパクトデジタルカメラ、コンデジ)に比べて、大きな撮像素子(撮像センサー、CMOSセンサーやCCDセンサーなど)を積んでいます。このため、ノイズの少ない、精細な画像を得られます。また、ISO感度を高くしても、ノイズの発生が少ない傾向があるはずです。
 同じ被写体を同じ距離から写す場合を考えます。露出(F値とシャッタースピード)を固定値とすると、被写体から、レンズを通して撮像素子に入ってくる光のエネルギーの総量は、撮像素子の面積に比例します。撮像素子の出力は、撮像素子に入力する光エネルギーに比例します。よって、撮像素子サイズが大きいほど、撮像素子出力を増せます。
 撮像素子の出力信号は、そのままでは微弱です。このため、電気的に増幅する必要があります。増幅された信号は、AD回路でデジタル信号に変換され(いわゆる「RAWデータ」)、次いで画像処理エンジンなどで輝度データ(8bit=255段階×3色のビット情報)に変換されているはずです。この変換を、仮に線形変換とします。そうすると、おおむね次のような式が成り立っていると思われます。
 ・輝度データ[bit]=ゲイン[bit/V]×撮像素子出力[V]

 デジカメの場合は、ゲインは次のように分解されます。
 ・ゲイン[bit/V]=ISO感度×内部ゲイン[bit/V]

 撮像素子サイズが異なるカメラを用いても、同じISO感度の設定ならば、記録される画像の輝度は同じにならなければなりません。したがって、撮像素子出力が小さい(=撮像素子サイズが小さい)デジカメでは、内部ゲインを大きくする必要があります。元の出力信号にノイズが乗っていれば、ノイズも増幅されます。撮像素子サイズが小さい場合には、増幅率が大きいため、ノイズの影響が大きくなってしまいます(SN比が小さい)。反対に、撮像素子サイズが大きいデジカメでは、内部ゲインが小さいので、ノイズは増幅されず、きれいな信号を取り出せます。
 
 なお、画像のノイズについては、ミラーレス一眼の説明書[1]に、次のような記述がありました。
「長秒時の撮影では、画面にノイズが多く発生する場合があります。撮像素子の温度上昇や、撮像素子内部の駆動回路が熱源となり、本来撮像素子に光のあたっていない部分にも電流を発生させてしまうためです。この現象は、高温の環境でISO感度を上げたり、長秒時の露出で顕著に表れます。」
[1]オリンパス;デジタルカメラE-PM2 取扱説明書,VM651501,2012


★一眼レフとコンデジの撮像素子サイズの比較
 一眼レフ(ミラー付き、ミラーレス)に使われる撮像素子と、コンデジに使われる撮像素子のサイズを、下表に比較します。
カメラ種別撮像素子
サイズ
撮像素子
寸法 mm
撮像素子
面積 mm^2
比率
(1/2.3基準)
ミラー付き一眼フルサイズ36X2486430
 APS-C23.5X15.636713
ミラーレス一眼APS-C23.5X15.636713
4/3型17.3X13.02257.9
 1型(CX)13.2X8.81164.1
コンデジ(高級)1/1.7型7.6X5.7431.5
 コンデジ(汎用)1/2.3型6.2X4.6291.0
※APS-Cサイズの寸法はメーカーにより多少異なる。上の表はソニーの場合。

 ミラーレスのAPS-Cサイズであれば、コンデジ(1/2.3型)の約13倍、光を取り込めることが分かります。まさに、「ケタ違い」の差です。光エネルギの量が13倍になれば、内部ゲインは1/13で済みます。したがって、ノイズの大きさも、ケタ違いに違う(約1/13になる)と推察されます。(もちろん、ノイズの程度は撮像素子サイズだけでなく、撮像素子の変換効率や、画像処理エンジンの違いも大きく効くはずです。ここでは、あくまで「ざっくり」の話をしています。)


★ISO感度とノイズの関係を調べる実験
 信号の増幅率(ゲイン)=ISO感度×内部ゲインです。したがって、ISO感度を高くするほど、ノイズの大きさが大きくなると想像できます。以前に、コンデジの場合について、ISO感度とノイズの関係を調べました(→こちらの記事)。今回は、ミラーレス一眼を使って、同じ実験を行いました。
 実験装置を、下の写真に示します。
 ・デジカメ オリンパスPEN mini、E-PM2(撮像素子:4/3型、17.3X13.0mm)
 ・はんごう
20130927z12.jpg
 実験手順は、以下の通りです。
1)デジカメの設定はマニュアル。シャッタースピード1/80、絞りF4で固定。
2)セルフタイマー(12s)でシャッターを切る。
3)デジカメをはんごうの中に入れて、光を遮断する。
4)撮影完了を待つ。
20130927z11.jpg 
 ISO感度を変えながら、この手順を繰り返しました。ISO感度の範囲は次の通りです。
 ISO400,800,1600,3200,6400,12800,25600

 以前のコンデジ(1/2.3型)に比べて、今回のミラーレスの撮像素子面積は、約8倍です。したがって、同じISO感度ならば、ノイズは約1/8になると予想されます。実際にはどうか、結果が楽しみです。


★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。すべて、ほとんど真っ暗な画像なので、代表例のみ示しました。クリックでオリジナルのサイズ(1920X1280ピクセル)に拡大します。

a)ISO400、F値4、シャッタースピード1/80
20130927_ISO400.jpg

b)ISO1600、F値4、シャッタースピード1/80
20130927_ISO1600.jpg

c)ISO12800、F値4、シャッタースピード1/80
20130927_ISO12800.jpg

d)ISO25600、F値4、シャッタースピード1/80
20130927_ISO25600.jpg

 ISO値25600は、顕著に赤や青のブツブツが見えます。このカメラはISO25600まで設定できるのですが、少々無理をしすぎに感じます。


★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。
20130927z1.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以外にも分布を持っています。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。これは、コンデジのときと同じ結果です。
・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。

 そして、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。結果を下に示します。
20130927z2.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。

 このデジカメでは、ISO6400以上になると、ノイズが目立ってきます。実用上のISO感度は、3200くらいが限界かなあ、と思います。
 なお、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ためと思われます。このカメラでは、「高感度ノイズ低減」という機能が設定できます。低減の度合いを選べるようになっており、今回の実験では「弱」を用いています(他に、強・標準・オフがある)。ソフト的に高度なノイズ低減処置を行うことで、高いISO感度でもノイズの目立ちにくい撮影ができるようになっているのでしょう。

 ちなみに、以前の記事で示した、コンデジでの結果は、下の通りです。こちらは、最大ISO3200までです。
20130927z3.jpg
 ミラーレスとコンデジの結果を比べると、ノイズが顕著に増すのが、コンデジでは800~1600程度から。ミラーレスでは6400程度から目立ってきます。ノイズが目立つISO感度の差は、4~8倍です。これは、撮像素子サイズの比率8倍と、おおむね一致しています。(カメラの最大設定感度も、8倍になっています。)


★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、ISO感度を上げるほどノイズが増すことを確認できました。

 また、結果をコンデジ(撮像素子1/2.3型)とミラーレス(マイクロフォーサーズ)で比較しました。この結果、
 ・コンデジではISO800~1600程度から、ノイズが目立つ。
 ・ミラーレスではISO6400程度から、ノイズが目立つ。
 すなわち、ノイズが目立ち始めるISO感度は、両者で約4~8倍違いました。この差は、撮像素子面積の差(約8倍)と、よく一致しました。

 以上のように、ノイズの大きさは、撮像素子面積にほぼ比例することを確認できました。実用できるISO感度の限界値も、撮像素子面積にほぼ比例します。


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