フラットフィールドコレクション(FFC)

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  • フラットフィールドコレクションとは?

    フラットフィールドコレクション(Flat Field Correction【略: FFC】)とは、撮影した画像の輝度値を均一にする補正で、比較的高価な工業用のカメラに搭載され、主にラインセンサカメラには、このフラットフィールドコレクションの機能が搭載されています。

    そもそも、真っ白な被写体を撮影した時に、なぜ撮影した画像の輝度値が均一にならないのか?と言うと、考えられる要因として

    • レンズのシェーディングによる影響
    • 照明の明るさのムラ
    • CCD素子1つ1つの感度のばらつき

    などが挙げられます。

    フラットフィールドコレクションを行うと、これらの要因をまとめて補正する事が可能となります。

     フラットフィールドコレクション(Flat Field Correction)  フラットフィールドコレクション(Flat Field Correction)
    フラットフィールドコレクション前 フラットフィールドコレクション後

    このフラットフィールドコレクションは、カメラのアナログオフセット(足し算/引き算)、アナログゲイン(掛け算/割り算)、デジタルオフセット(足し算/引き算)、デジタルゲイン(掛け算/割り算)を駆使して輝度値が均一になるように補正されます。
    多少、実際の補正手順が面倒なので敬遠されがちですが、補正アルゴリズムを理解すると、ある程度、納得できると思います。

    補正アルゴリズム

    カメラにより実際の処理は異なる部分があると思いますが、おおむね以下の流れでフラットフィールドコレクションは行われます。

    まず、最初にフラットフィールドコレクションによる輝度値の補正により、輝度値が飽和しない(輝度値が255を超えない)ようにするため、画像の最大輝度値が、おおむね255の80%程度(204ぐらい)になるように、実際の撮影する環境(照明、露光時間など)においてアナログゲインを調整します。

    フラットフィールドコレクション(Flat Field Correction)

    上図を見ても分かるように、画素のよっては入力光量が小さい場合(暗い場合)、出力輝度値が0になってしまう画素がある可能性があります。

    これを補正するため、入力光量を0にして(レンズにキャプをする)、アナログオフセットで画像の最小輝度値が0にならないように調整します。

    フラットフィールドコレクション(Flat Field Correction)

    この状態で、カメラの黒レベル補正(FPN)の機能を実行すると、カメラ内部では、黒レベル(輝度値0)において、各画素の輝度値が0になるようデジタルオフセットの値が調整されます。

    フラットフィールドコレクション(Flat Field Correction)

    次に実際の撮影状態(照明、露光時間など)にして、できるだけ反射や汚れ、ムラの少ない白の被写体を撮影し、カメラの白レベル補正(PRNU)の機能を実行します。

    すると、上記の撮影状態で全画素が指定した目標輝度値(輝度値を指定できないカメラもある)になるように、カメラ内部では全画素のデジタルゲインの値が調整されます。

    フラットフィールドコレクション(Flat Field Correction)

    この一連の処理を行う事で、最初に紹介したように、画像全体が均一な輝度値となる画像を得る事が可能となります。

    また、上記の説明は、以下の順序でゲイン/オフセットの補正が行われる事を前提に説明しています。

    CCDの電気信号アナログオフセットアナログオゲインデジタルオフセットデジタルゲイン

    この機能は、主に二値化処理を用いた処理による画像検査などにおいては、効果を発揮します。