センサー読み出し速度が高FPS録画に与える影響

センサーの読み出し速度を理解する

センサーの読み出し速度とは、画像センサーが光情報を電気信号に変換し、そのデータを処理のために転送するのにかかる時間を指します。このプロセスはデジタル画像処理の基本です。カメラが個々のフレームをキャプチャして処理する速度を決定します。読み出し速度が速いほど、フレーム レートが上がり、不要なアーティファクトが減ります。

本質的に、読み出し速度は、カメラが達成できる最大フレーム レートを決定するボトルネックです。十分に高速な読み出しがなければ、カメラはフレームを十分な速さで処理できず、高 FPS の録画を維持できません。

読み出し速度とフレームレートの関係

フレーム レートはフレーム/秒 (FPS) で測定され、カメラが 1 秒間にキャプチャする個別の画像の数を示します。フレーム レートが高いほど、スローモーション再生がスムーズになり、急速なイベントの詳細な分析が可能になります。センサーの読み取り速度は、達成可能なフレーム レートを直接制限します。

たとえば、センサーの読み取りに 1/1000 秒 (1 ミリ秒) かかる場合、理論上は達成可能な最大フレーム レートは 1000 FPS です。ただし、処理能力やデータ転送速度などの他の要因によっても制限が課されることがあります。

読み取り速度とフレーム レートに関しては、次の点を考慮してください。

• 読み出し速度が速いほど、最大フレーム レートが高くなります。
• 読み出し時間の逆数が理論上の最大 FPS となります。
• 他のシステム コンポーネントも、より高速な読み出しに関連する高いデータ レートをサポートする必要があります。

ローリングシャッターとグローバルシャッター

シャッター機構には主に 2 つの種類があります。ローリング シャッターとグローバル シャッターです。これらは、センサーの読み出しがキャプチャされた画像に与える影響に影響します。それぞれに長所と短所があり、特に高 FPS の録画シナリオではその傾向が顕著です。

ローリングシャッター

ローリング シャッター センサーは、上から下へ (またはその逆) 順に、画像を 1 行ずつ読み取ります。つまり、画像のさまざまな部分がわずかに異なるタイミングで撮影されます。これにより、高速で移動する物体を撮影するときに歪みが生じることがあります。この現象はローリング シャッター効果と呼ばれます。

ローリング シャッター効果は、読み取り速度が遅い場合や被写体の動きが速い場合に顕著になります。センサーの読み取りプロセス中に被写体が動くため、被写体が歪んだり、曲がったり、揺れたりすることがあります。ソフトウェアによる補正はいくつかありますが、必ずしも完璧ではありません。

ローリングシャッターの主な特徴:

• 行ごとの読み出し
• 動きが速いと歪みが生じやすい
• 一般的にグローバルシャッターセンサーよりも安価

グローバルシャッター

グローバル シャッター センサーは、イメージ センサー全体を同時に露光し、すべてのピクセルを一度に読み取ります。これにより、ローリング シャッター効果が排除され、画像のすべての部分が同時にキャプチャされます。これは、高速で移動する物体を正確に表現するために特に重要です。

グローバル シャッター センサーは、一般的に、より複雑で高価な設計を必要とします。ローリング シャッター センサーに比べて感度が低い場合が多く、暗い場所では不利になることがあります。ただし、動きを正確に捉えることができるため、多くの高 FPS アプリケーションには欠かせません。

グローバルシャッターの主な特徴:

• 全ピクセル同時露光
• ローリングシャッター歪みを排除
• 一般的に高価で、感度が低い可能性がある

画質への影響

センサーの読み出し速度は、特に高 FPS 録画では画質に大きな影響を与えます。読み出し速度が遅いと、最終的なビデオの品質を低下させるさまざまなアーティファクトが発生する可能性があります。

前述のように、ローリング シャッター歪みは大きな懸念事項です。正確な測定や視覚的な分析が不可能になる可能性があります。さらに、読み出し速度が遅いとセンサーのダイナミック レンジが制限され、シーンの明るい部分と暗い部分の両方で詳細をキャプチャする能力が低下します。

読み出し速度が速いほど、以下の点で画像品質が向上します。

• ローリングシャッター歪みの軽減または除去
• ダイナミックレンジの向上
• 高速移動する物体をより鮮明に撮影

高速読み出し速度のメリットを享受するアプリケーション

多くのアプリケーションでは、高速センサー読み出しによる高 FPS 録画から大きなメリットが得られます。これらのアプリケーションでは、多くの場合、正確なモーション キャプチャと分析が必要になります。

科学研究

科学研究では、高速イメージングは​​、人間の目では認識できないほど速く発生する現象を研究するために使用されます。例としては、次のようなものがあります。

• 流体力学
• 材料の変形
• 弾道学
• 燃焼プロセス

これらのイベントを歪みなく正確にキャプチャするには、高速な読み取り速度が不可欠です。

産業検査

高速カメラは、産業現場で品質管理やプロセス監視に使用されます。低速システムでは見逃されるような欠陥や異常を検出できます。用途には次のものがあります。

• 高速組立ライン監視
• 製造部品の欠陥検出
• 包装検査

高速な読み取り速度により、高速で移動する部品でも効果的に検査できます。

モーションキャプチャーとバーチャルリアリティ

モーション キャプチャ システムでは、高速カメラを使用して俳優やオブジェクトの動きを追跡します。このデータは、リアルなアニメーションや仮想環境を作成するために使用されます。微妙な動きをキャプチャし、モーション キャプチャ データの精度を損なう可能性のあるアーティファクトを回避するには、高速な読み出し速度が重要です。

スポーツ分析

高 FPS 録画は、スポーツ分析でアスリートのパフォーマンスやテクニックを研究する目的でますます使用されています。コーチやトレーナーはスローモーション映像を使用して改善すべき領域を特定できます。高速読み出しにより、キャプチャされた映像に歪みがなく、アスリートの動きを正確に反映できます。

撮影

映画撮影者は、高速カメラを使用して、驚異的なスローモーション効果を作成します。アーティファクトを最小限に抑え、これらのショットの視覚的インパクトを最大化するには、高速読み出し速度が重要です。

センサーの読み取り速度に影響を与える要因

センサーの読み出し速度には、センサー技術、ピクセル サイズ、イメージング システムの全体的なアーキテクチャなど、いくつかの要因が影響します。

センサー技術

CMOS (相補型金属酸化膜半導体) センサーは、高速カメラで使用される最も一般的なタイプの画像センサーです。CMOS 技術の進歩により、読み出し速度が大幅に向上しました。CCD (電荷結合素子) などの他のセンサー技術は、読み出し速度が遅いため、高 FPS アプリケーションではあまり一般的ではありません。

ピクセルサイズ

一般的に、ピクセルが小さいほど読み出し速度が速くなります。ただし、ピクセルが小さいと感度も低くなる傾向があり、暗い場所ではトレードオフになる可能性があります。

センサーアーキテクチャ

センサーの設計とアーキテクチャは、読み取り速度に大きな影響を与える可能性があります。一部のセンサーは、複数の読み取りチャネルを使用してデータ転送を並列化し、全体的な読み取り速度を向上させます。

処理とデータ転送

高速センサーを使用しても、カメラの処理能力とストレージ デバイスへのデータ転送速度がボトルネックになることがあります。高 FPS 録画によって生成される大量のデータを処理するには、USB 3.0、Thunderbolt、Camera Link などの高速インターフェイスが必要になることがよくあります。

センサー技術の将来動向

進行中の研究開発の取り組みは、センサーの読み取り速度をさらに向上させることに重点を置いています。有望な傾向としては、次のようなものがあります。

• 新しいセンサー材料とアーキテクチャの開発
• オンチップ処理機能の統合
• 高度なデータ圧縮技術

これらの進歩により、将来の高速画像システムではさらに高いフレーム レートと向上した画像品質が可能になります。