ハイエンドカメラにおけるグローバルシャッターの仕組み

⚙️ローリングシャッターの問題

グローバル シャッターの利点を十分に理解するには、まずローリング シャッターに関連する問題を理解することが重要です。ローリング シャッターは、多くのデジタル カメラやスマートフォンで使用されている一般的な画像キャプチャ方法です。画像全体を同時にキャプチャするのではなく、イメージ センサーを上から下へ 1 行ずつスキャンすることで機能します。この連続スキャンにより、いくつかの望ましくない影響が生じる可能性があります。

最も顕著な問題の 1 つは歪みです。カメラまたは被写体が高速で移動している場合、ローリング シャッターの連続撮影により、オブジェクトが歪んだり、ゆがんだり、曲がったりすることがあります。これは、画像のさまざまな部分がわずかに異なる瞬間に撮影されるためです。ローリング シャッター カメラで回転するプロペラを撮影すると想像してください。ブレードはまっすぐではなく、曲がったり歪んだりして見えることがあります。

もう一つの一般的なアーティファクトは「揺れ」または「ゼリー」効果で、特にビデオで顕著です。これは、カメラが揺れたり、素早く動かされたりしたときに発生し、画像が不自然に揺れたり歪んだりします。この効果は気が散る可能性があり、ビデオの品質を大幅に低下させる可能性があります。

最後に、ローリング シャッターは、特定の照明条件下では、特に高頻度で点滅する人工光源の下で撮影する場合、ストロボ現象や縞模様の問題を引き起こす可能性があります。ローリング シャッターの連続撮影により、画像に明るい帯と暗い帯が交互に現れることがあります。

💡グローバルシャッターの仕組み

グローバル シャッターは、ローリング シャッターとは対照的に、画像全体を一度にキャプチャします。これは、イメージ センサー上のすべてのピクセルを同時に露出させることによって実現されます。プロセスの詳細は次のとおりです。

• 同時露光:イメージセンサー上のすべてのピクセルが同時に光にさらされます。つまり、各ピクセルがまったく同じ瞬間に光の収集を開始し、まったく同じ瞬間に光の収集を停止します。
• 電荷転送:露光期間後、各ピクセルに蓄積された電荷はセンサー上のストレージ領域に転送されます。この転送は非常に高速に行われるため、ぼやけや歪みが最小限に抑えられます。
• 読み出し:電荷がストレージ領域に転送されると、センサーは各ピクセルの値を読み出すことができます。この読み出しプロセスは順番に実行できますが、画像はすでに同時にキャプチャされているため、ローリング シャッター効果はありません。

主な違いは、グローバル シャッターではシーン全体のスナップショットを 1 時点で撮影するため、ローリング シャッター システムに見られる時間的な歪みがなくなることです。そのため、グローバル シャッターは、動き回るアスリート、レースカー、急速に変化するイベントなど、動きの速い被写体を撮影するのに最適です。

グローバル シャッターの実装は、ローリング シャッターの実装よりも複雑でコストがかかります。通常、より洗練されたセンサー設計とより複雑な電子機器が必要になります。そのため、グローバル シャッター技術は、ハイエンドのカメラや特殊なアプリケーションでよく使用されます。

➕グローバルシャッターの利点

グローバルシャッターの利点は数多くあり、特に画像の品質と精度が最も重要となる状況ではその利点が顕著です。

• 歪みの除去:グローバル シャッターの主な利点は、動きによって生じる歪みが除去されることです。画像全体が同時に撮影されるため、物体が歪んだり、ゆがんだり、曲がったりすることはありません。
• 画像の鮮明度の向上:グローバル シャッターを使用すると、特に動きの速い被写体を撮影する場合に、より鮮明で詳細な画像が得られます。時間的な歪みがないため、被写体はぼやけたり汚れたりすることなく、ありのままに表示されます。
• 正確な測定:マシン ビジョンや科学画像処理などのアプリケーションでは、正確な測定が重要です。グローバル シャッターにより、物体の位置と形状が歪みなく正確にキャプチャされます。
• アーティファクトの低減:グローバル シャッターにより、「揺れ」や「ゼリー」効果などのアーティファクトや、ちらつく光源下での縞模様が最小限に抑えられます。これにより、より鮮明で視覚的に魅力的な画像やビデオが得られます。

これらの利点により、グローバルシャッターは、写真撮影、ビデオ撮影、産業検査、科学研究など、さまざまな分野の専門家にとって非常に貴重なツールになります。

➖グローバルシャッターの限界

グローバルシャッターには大きな利点がありますが、その限界を認識することが重要です。

• コスト:グローバル シャッター センサーは、通常、ローリング シャッター センサーよりも製造コストが高くなります。これは、より複雑な設計と製造プロセスが必要とされるためです。
• 複雑さ:グローバルシャッターを実装するには、より高度な電子機器と信号処理が必要です。これにより、カメラ システム全体の複雑さが増す可能性があります。
• 感度:歴史的に、グローバル シャッター センサーは、ローリング シャッター センサーに比べて光感度が低いことがよくありました。これは、センサー領域の一部がグローバル シャッター メカニズムに必要なストレージ コンデンサーに使用され、光キャプチャに使用できる領域が減少するためです。ただし、センサー技術の進歩により、グローバル シャッター センサーの光感度は継続的に向上しています。
• 消費電力:グローバル シャッター センサーは、より複雑な電子機器が使用されるため、ローリング シャッター センサーよりも多くの電力を消費する場合があります。

これらの制限にもかかわらず、特に画像の品質と精度が重要となるアプリケーションでは、グローバル シャッターの利点が欠点を上回ることがよくあります。

🔬グローバルシャッターの応用

グローバルシャッター技術は、正確で歪みのない画像撮影が不可欠な幅広い分野で応用されています。

• 高速撮影: 高速撮影では、動きの速い被写体を歪みなく撮影することが重要です。グローバル シャッターを使用すると、写真家は動きを止めて、人間の目では捉えられないほど速く起こる出来事の素晴らしい画像を撮影できます。
• マシン ビジョン:産業オートメーションと品質管理において、マシン ビジョン システムは、正確な画像データを利用して製品の検査、ロボットの誘導、その他のタスクを実行します。グローバル シャッターにより、これらのシステムによってキャプチャされた画像に歪みがなくなり、正確な測定と分析が可能になります。
• 科学的画像処理:生物学、医学、物理学などの分野の研究者は、分析や実験のために高品質の画像を必要とすることがよくあります。グローバル シャッターは、これらのアプリケーションに必要な精度と正確さを提供します。
• 仮想現実と拡張現実: VR および AR システムは、動きを正確に追跡する必要があります。グローバル シャッター カメラは、モーション アーティファクトを最小限に抑え、より安定した没入感のあるエクスペリエンスを提供します。
• プロフェッショナル ビデオ撮影:ローリング シャッターは、通常のビデオ録画では許容されることが多いですが、プロのビデオ撮影者は、アクション シーンの撮影やカメラの動きを利用する場合に特に、滑らかで歪みのない映像を撮影できるため、グローバル シャッター カメラを好む傾向があります。

グローバルシャッター技術は汎用性が高いため、さまざまな用途に欠かせないツールとなっており、技術が進歩するにつれてその重要性は高まるばかりです。

🆚グローバルシャッターとローリングシャッター: まとめ

要約すると、グローバルシャッターとローリングシャッターの主な違いは、イメージセンサーが光を捉える方法にあります。

• グローバル シャッター:画像全体を同時にキャプチャし、動きによる歪みを排除します。動きの速い被写体、マシン ビジョン、科学的画像処理に最適です。より高価で複雑ですが、要求の厳しいアプリケーションで優れた画質を実現します。
• ローリング シャッター:画像を 1 行ずつ順番にキャプチャします。高速で移動する被写体をキャプチャする場合やカメラが動いている場合には、歪みが生じる可能性があります。より安価で実装も簡単ですが、高精度と最小限の歪みが求められる用途には適していません。

グローバル シャッターとローリング シャッターのどちらを選択するかは、アプリケーションの特定の要件によって異なります。 一般的な写真撮影やビデオ撮影では、ローリング シャッターで十分な場合があります。 ただし、画像の品質と精度が最も重要となるプロフェッショナル アプリケーションでは、グローバル シャッターが推奨されます。