カラーエリアCCDセンサのしくみ(単板式、三板式)

カラーのエリアセンサのカメラでは3CCD方式(三板式)単板式というのがあります。
工業用のカラーのCCDカメラでは、単板式のカメラの方が多く採用されています。
他にも富士フィルムが採用したハニカム方式やシグマのカメラで採用されている三層方式などがあります。

 

3CCDセンサ(三板式)

ホームビデオカメラでもおなじみの3CCD方式。
ダイクロイックプリズムでR,G,Bに分光して、各色用のエリアセンサで撮影します。

 

3CCD方式

 

CCDを3つ使うので、カメラ本体が大きくなりやすく、価格も高価になってしまいますが、色の再現性の面では単板式に比べて有利となります。

 

単板式

通常のモノクロエリアCCDの各画素の上にR,G,Bそれぞれの色のみを通す光学フィルタを下図のような配置で装着し、画像を撮影後、各画素ともR,G,Bの輝度値を演算処理しカラーの画像に変換します。

 

Bayerパターン

 

Bayerパターン

 

この並びをベイヤ(Bayer)配列と言います。

 

カラー画像への変換は下図のように各R,G,Bの撮影出来ていない画素については周辺の画素の輝度値を用いで補間し、カラーへと変換します。

 

ほとんどの工業用のCCDカメラではカメラ内部でカラーに変換されますが、画素数の大きなカメラや高速のカメラでは、カラーに変換することで、データ容量が1画素8ビットから24ビットに容量が3倍となってしまうため、下図のようにモノクロのまま出力される場合もあるので、ご注意下さい。

 

Bayerパターン

 

高価なデジタルカメラなどでは、カラーの変換をカメラ任せにはしないでソフトで処理る場合もあり、変換する前の画像データをRAWデータ、変換する処理のことをRAW現像と呼びます。(たぶん、デジカメ用語)
RAW現像は他にもベイヤ演算デモザイキングなどと呼びます。

 

もっとも基本的な補間方法としては、たとえば赤の画素では上下左右の輝度値を平均し緑の輝度値を求め、斜め方向の輝度値を平均して青の輝度値を求めます。
同じ用に緑や青の画素についても処理を行うと、カラーの画像へと変換することができます。

 

比較的有名な変換方法には適応型カラープレーン補間法ACPI:Advanced Color Plane Interpolation)というのがあるので、上記キーワードで検索してみて下さい。

 

しかし実際にベイヤ演算を行ってみると、擬色と呼ばれる本来の色とは異なる色が出たり、通称ラーメンノイズと呼ばれる渦巻き状のパターンが発生したりと、なかなかうまくいきません。

 

これらのノイズを如何に防ぐかが各カメラメーカーやRAW現像ソフトメーカの腕の見せ所で、各社のノウハウとなっているため、私は実際にどうのような処理を行っているのか?よく分かっていません...

 

RAW現像については、現像ソフトで比較的有名な市川ラボラトリーのSILKPIXというソフトがあるので、下記ページを見て頂くと参考になると思います。

http://www.isl.co.jp/SILKYPIX/japanese/special/movie/

 

このように単板のカラーカメラはR,G,Bの足りない画素を補間してカラー画像を撮影しているので、画像の輪郭などが重要な場合、モノクロカメラの方が性能は良くなります。

 

以前は、カラー画像を使えば、モノクロにも変換できるし、カラーカメラはモノクロカメラを兼ねる!と思っていたのですが、モノクロカメラの方が有利な場合もあるので、特に色情報を必要としない場合はモノクロカメラを使う方がオススメです。(データ容量も少なくてすみますし...)

 

このへんの話は、少し古いですが、トランジスタ技術の2009年7月号に書いてあるので、ご興味のある方は、参照してみて下さい。

トランジスタ技術 (Transistor Gijutsu) 2009年 07月号 [雑誌]

  • 出版社:CQ出版( 2009-06-10 )
  • 雑誌: ページ
  • ISBN-10 :
  • ISBN-13 : 4910066630799


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