ワイドダイナミック レンジ

非常に明るい部分と非常に暗い部分が混在するシーンは、カメラにとって難しい条件です。セキュリティにおける、このようなワイドダイナミックレンジ (WDR) シーンの典型的な例としては、屋外からの光と暗い屋内のコントラストが大きいエントランスのドア、パーキングガレージ、トンネルなどがあります。直射日光が当たり、影ができる屋外シーンも困難が伴います。

カメラがシーン全体をより明確に再現できるよう、複数の手法が開発されています。あらゆるシーンと状況に最適な技術はありません。すべての手法にはアーティファクトと呼ばれる視覚的な画像の乱れを含め、難点があります。

Axisはコントラストの強い困難なシーンの画像処理において画期的な改善を実現する、2つのフォレンジックソリューションを含むさまざまなWDRソリューションを提供しています。明るい部分を過度に露出させることなく、シーンの暗い部分で詳細を表示するという他にはない能力を発揮し、卓越した検証上の価値を有する画像を生成します。

AxisのWDRソリューションには、Forensic WDR、WDR Forensic Capture、WDR Dynamic Capture、WDR Dynamic Contrastがあります。Axisのカメラのほとんどは、デュアル露出方式であるForensic WDRを採用しています。この機能がオフになっている場合、カメラは自動的にWDR Dynamic Contrastに切り替わります。

一部のAxisカメラは、ダイナミックレンジを拡張するために、これらのさまざまな方法の不特定な組み合わせを使用します。これらのカメラでは、WDRソリューションは各カメラに合わせて調整されており、データシートなどの製品情報には「WDR」と表記されています。

カメラのダイナミックレンジ性能は通常dB値で表されますが、実際のWDR性能は測定が難しく、シーンの複雑さ、シーン内の動きの量、カメラの画像処理能力などの要因によっても異なります。

Axisはカメラの開発において、高いdB値を測定して表記することより、フォレンジックにおける有用性と画質を優先しています。この優先化により、Axisのカメラはダイナミックレンジが指定されており、高いdB値を持つ競合のカメラよりはるかに優れています。

監視カメラには従来、ダイナミックレンジが広いシーン、すなわち光源レベルの差が大きいシーンに対応するのが難しいという問題があります。このホワイトペーパーでは、カメラのダイナミックレンジの限界の背景にあるテクノロジーや、優れたWDR性能を実現するための一般的な方法について説明するとともに、検証用途における最大限の価値と有用性を備える映像を提供するAxis WDRソリューションを紹介します。

ダイナミックレンジとは、シーンまたは画像における最も暗い領域と最も明るい領域の光源レベルの差を表します。そのため、ダイナミックレンジが広いシーンには、非常に明るい部分と非常に暗い部分が同時に混在しています。監視における典型的な例には以下のようなシーンがあります。

• 日光の差す屋外と暗い屋内の間のエントランスのドア

• 屋外に日光が差し、屋内の光源レベルが低いパーキングガレージやトンネル

• 直射日光が当たり、影ができる屋外のシーン

• 窓から多くの反射光が当たっているオフィスビルやショッピングモール

下の画像は、WDRシーンを処理する技術を搭載していない監視カメラを使用してとらえたダイナミックレンジが広いシーンの例です。

カメラはどちらの露出時間を使用するかに応じて、照度が高いエントランスと屋外、もしくは照度が低いガレージの屋内のいずれかを可視化することができます。WDR機能非搭載のカメラでは、1つの画像でシーンの全詳細をとらえることはできません。

以下の画像では、露出時間の長い画像に露出時間の短い画像が、露出時間の短い画像に露出時間の長い画像が挿入されています。WDR機能非搭載のカメラでは、シーン内の重要な被写体がとらえられていないことがわかります。

シーンの全詳細をとらえるためには、WDR機能を持つ監視カメラが必要です。1つの画像で2つの極端な領域、つまり光のよく当たるエントランスとパーキングガレージ内の暗い領域両方の詳細を鮮明にとらえることができるカメラです。WDR機能がない場合、カメラが適切に撮影できるのはシーンの暗い部分と明るい部分のどちらか一方のみになり、それ以外の部分は露出アンダーか露出オーバーになります。

カメラのダイナミックレンジが限られている主な理由は、光がカメラのセンサーにどのように取り込まれるか、画像がどのように処理されるか、また光自体の性質に関連しています。より専門的な用語で説明すると、ダイナミックレンジは、ピクセルサイズ、露出時間、ノイズ、そしてビット深度に依存します。

光は、光子と呼ばれるエネルギーのかたまりで構成されています。シーン内の光の強度が高まると、より多くの光子がカメラに向かって移動します。しかし、カメラのイメージセンサーが露出間隔ごとに検出できる光子の数は限られています。

イメージセンサーは、入射した光子を電子に変換することのできる、ピクセルと呼ばれる何百万もの感光性の点で構成されています。カメラが画像を形成する際、各ピクセルの電子数を測定し、キャプチャーしたシーンの異なる部分における光源レベルに関する情報を提供します。

各ピクセルは一定の大きさを有し、飽和するまで特定の数の電子のみを保持することができます。ピクセル数を最大限に高められればよいのですが、最新のカメラではコスト上の理由から、センサーの合計サイズを抑えて、ピクセルの大きさを効果的に制限しています。

ダイナミックレンジが広いシーンでは、露出時間が長いと画像の明るい部分でピクセルが飽和状態になります。露出時間を短縮し、より短い時間で光子を収集することにより、明るい部分に光子が集まりすぎるのを防ぐことができます。しかし、露光時間を短くすると、暗い領域で収集される光子がごくわずかになってしまう場合があります。光の粒子特性、および光子ショットノイズと呼ばれる現象により、画像のこういった領域は目に見えてノイズが大きくなります。ピクセルの正しい露光時間は、信号対雑音比 (SNR)が最大化される時間です。そのため、画像の明るい部分に位置するピクセルでは、暗い領域のピクセルよりも露出時間が短くなります。

ピクセルレベルでは、ダイナミックレンジは最大信号をノイズフロアで割った数値と定義されます。ノイズフロアは、すべてのノイズ源の合計強度以上で識別可能な最小信号強度を決定します。一部のノイズは、電子を数えてピクセル当たりの測定値を生成するアナログ-デジタル変換器の不完全性に起因します。もう1つのタイプのノイズは光子ショットノイズで、どんなに優れた機器でも回避することは不可能です。すべてのノイズは、実際のシーンの真の明暗度を反映しないピクセル値をもたらします。

ビット深度は、1つのピクセル内の情報をキャプチャーするために使用されるビット数を表し、検出可能な光源レベルの数値を決定します。セキュリティカメラは、一般的に10ビットのビット深度を有しています。理論的には、ビット深度が大きいほど検出できる光源レベルが増加しますが、実際にはセンサーのピクセルの大きさが十分にあり、ノイズが少ない場合にのみ画質が向上します。センサーデータのノイズが大きい場合は、ビット数を増やしてもあまり効果はありません。

ビット深度については、セキュリティ担当者が監視映像を見る典型的なモニターのビット深度は、カラーチャネル当たりわずか8ビットであることに留意することも重要です。これは、優れたWDR性能を実現する上で、センサーの10ビットからモニターの8ビットに変換するアルゴリズムが極めて重要であることを意味します。

カメラのダイナミックレンジの限界を回避し、適切にWDR画像処理を実現するためのさまざまな方法が開発されています。これらの方法は、より良い結果を引き出すために組み合わされることがあります。どの方法も異なる視覚的な画像の乱れ、いわゆるアーティファクトを引き起こすため、あらゆるアプリケーションに最適な方法はありません。あるアプリケーションでは目に見えないアーティファクトが、別のアプリケーションにとって致命的な問題となる場合があります。発生頻度の高いアーティファクトの説明については、第7章を参照してください。

合成アルゴリズムを使用することにより、異なる露光時間でキャプチャーされた複数の画像を組み合わせて1つの単一画像を形成することができます。これは、ダイナミックレンジを拡張する最も一般的な方法です。しかしこの方法では、連続的なキャプチャーにより、シーン内の動きに起因するアーティファクトが発生します。通常、動きが速いと、2回の撮影で物体が同じ位置にとどまらず、2つの露出を合成できないため問題が生じることがあります。

二重露出には、非常に短い時間と長い時間の2つの露出時間が必要です。短い露出時間では、現代の各種人工照明 (LED) のあらゆる種類と同期できないため、画像の明るい部分でちらつきが顕著に現れることがあります。

二重露出によって生じるよくある画像の乱れには、次のようなものがあります。

• ちらつき

• 動きによる画像のブレおよびゴースト

• シーンの暗い部分のノイズ

• シーンの中間グレー部分の直感に反するノイズ

この手法では、カメラは異なる光感度を有する2種類以上のピクセルを含むイメージセンサーを使用します。これにより、1回の露出で、基本的に各ピクセルの組み合わせに対して暗い画像と明るい画像、2つの画像を作成できます。これらの画像を結合アルゴリズムとトーンマッピングを使用して合成することで、最終的な画像がリアルタイムで作成されます。通常は、隣接するピクセル間で許容される感度の差について固定感度比などの制限があり、この方法で達成できるダイナミックレンジは制限されます。同時露出により、動きやちらつきに関連する画像の乱れは回避されますが、代わりにその他のタイプのアーティファクトが発生する可能性があります。例えば、この方法によって生じる解像度の低下 (画像形成に使用できるピクセルが少ないため) は、画像にモアレやジャギーを発生させる場合があります。また、2組のピクセルを組み合わせる処理が複雑になり、場合によっては他の問題を引き起こすこともあります。以下は、典型的なアーティファクトです。

• モアレおよびジャギー

• 騒音

• ぼやけ

露出不足の画像を使用し、デジタル的に最も暗い領域を明るくするデジタル方式の手段です。この方法は、キャプチャーされたダイナミックレンジを実際に拡張するものではありませんが、特に露出過度の領域において、最終画像の検証用途における有用性を向上させます。ダイナミックレンジが狭く、動きが多いシーンで非常に役立ちます。発生する典型的なアーティファクトには以下のような例があります。

• 暗い部分の直感に反するノイズ

• 一部の領域でグレイレベルが非常に小さくなる

• 不自然な色

カメラは従来、包括的な方法でトーンカーブを調整します。つまり、画像内のすべてのピクセルに同じ変換が使用されます。ローカル方法を使用して、センサーの異なる領域でトーンカーブを個別に調整することもできます。これはキャプチャーされたダイナミックレンジを実際に拡張するものではありませんが、コントラストを抑えることでダイナミックレンジの狭い画面でより質の高いルックをもたらすパワフルな視覚化ツールを提供します。典型的なアーティファクトは、この方法をどの程度の強さで使用するかにより異なりますが、以下のような例があります。

• ゴースト

• カートゥーン二ング

• コントラスト不足

• 過剰な色

Axisは、前の章で説明した一般的な方法のいくつかをアーティファクトを低減する最先端の画像処理や手順と組み合わせ、複数のWDR画像処理用ソリューションを提供しています。

アクシスでは、アクシスのWDRソリューションの評価にいくつかの重要な項目を選択しました。特定の監視ケースに適したソリューションを判断するには、ケースの状況に応じてこれらの項目を個々に重み付けする必要があります。項目の評価は、実際の使用状況と主観的判断に基づきます。

動きの項目の評価は、サンプリング技術に関連するアーティファクトを発生させず、動きのあるシーンをとらえる能力を表します。この項目で重要な要素はちらつきの補正と、もう1つはアーティファクトの合成を回避することです。

リーチの項目の評価は、監視における画像の有用性を維持しながら、最も明るい部分と最も暗い部分との明るさの差にどの程度対応できるかを表します。

表示の項目の評価は、複雑な外光条件を再現しながら、セキュリティスタッフによるコンピュータモニター上での監視に利用可能な画像をレンダリングする能力を表します。忠実度が高すぎるとモニター監視者が詳細を確認できなくなるため、可能な限り高い忠実度でシーンを再現することは目的ではありません。

通常、カメラのダイナミックレンジは、前の項で説明したリーチ項目に関連し、dB値で表されます。しかし、Axis WDRソリューションでは、典型的な監視シーンで有用性と詳細部分を提供するため、リーチよりも動きと表示の側面を優先します。この優先度は、アクシスのカメラがdB値が示すよりも優れたダイナミックレンジ画像処理を提供する場合があることを意味します。アーティファクトの低減と有用性の向上を考慮すると、dB値の低いアクシスカメラが、他社のdB値が高いカメラよりも大幅に優れた性能を発揮する場合があります。dB値に関する詳細については、第6章をご覧ください。

以下はAxis WDRソリューションの一覧です。

• Forensic WDRは、2つの露出レベルとローカルコントラスト補正手段を組み合わせたソリューションです。検証用途における有用性を最大限に引き出すよう調整された画像を提供します。最新世代の画像処理アルゴリズムを採用したこのテクノロジーは、目に見えるノイズや画像の乱れを効果的に低減します。Forensic WDRはまた、動きのあるシーン、そして超高解像度カメラでの使用にも適しています。

• WDR - Forensic Captureは、2つの露出レベルとローカルコントラスト補正手段を組み合わせたソリューションです。検証用途における有用性を最大限に引き出すよう調整された画像を提供します。

• WDR - Dynamic Captureは、露出時間の異なる画像を合成するデュアルエクスポージャーという手法を使用します。

• WDR - Dynamic Contrastは、ダイナミックレンジはかなり制限されているものの、アーティファクトがほとんどないコントラスト補正手法を使用します。単一の露出レベルのみを使用するため、このソリューションは動きの多いシーンで優れたパフォーマンスを発揮します。

一部のAxisカメラは、ダイナミックレンジを拡張するために、これらのさまざまな方法の不特定な組み合わせを使用します。これらのカメラでは、WDRソリューションは各カメラに合わせて調整されており、製品情報のドキュメントには「WDR」と表記されています。

AXIS WDRソリューションはあらかじめ設定されていますが、二重露出のオン/オフは選択可能です。Forensic WDR搭載カメラを購入し、シーン内の動きが多いため二重露出機能をオフにして、ローカルコントラスト強調機能のみを使用しているいうユーザーもいます。一部のセンサーやシステムオンチップ (SoC) は、性能上の理由から、高解像度と二重露出を同時に処理することができません。これらのカメラでは、ローカルコントラスト強調機能のみ使用できます。

一部のカメラでは、二重露出機能をオフにすると、フレームレートが向上する (場合によっては2倍になる) 場合があります 。

以下の表は、パフォーマンス項目に従ったAxis WDRソリューションの評価を示しています。

この評価によると、全般的に最も優れたWDRソリューションはForensic WDRであり、WDR - Forensic Captureと比べて動きと表示の項目が共に改善されます。ただし、どちらのフォレンジックソリューションも、複雑なシーンの画像処理において画期的な改善を実現します。明るい部分を過度に露出させることなく、シーンの暗い部分で詳細を表示するという他にはない能力を発揮し、卓越した検証上の価値を有する画像を生成します。

フォレンジックソリューションの目的は検証用途上の有用性を優先させることであるため、影になったすべての部分を明るくし細部を強調することにより、ブロードキャストビデオなどの私たちが見慣れている画像とはまったく異なるルック＆フィールになります。Forensic WDRカメラでは、シーンのダイナミックレンジは、詳細部分を失うことなく、大幅に狭いダイナミックレンジに圧縮されます。これにより、セキュリティセンターで担当スタッフが目に負担をかけずライブ映像や録画を見ることができるよう、映像を最適化します。

以下の画像は、2台の異なるカメラ (左側: WDR機能非搭載カメラ、右側: AxisのForensic WDR搭載カメラ) で撮影されたシーンを比較しています。Forensic WDRを使用した画像では、詳細部分が鮮明で、逆光の屋内と屋外両方を確認することができます。

通常、カメラのダイナミックレンジ性能は、第5章に記載されたリーチの側面に関連するdB値として表されます。

dB値は、最も明るい被写体の明るさと、カメラでキャプチャーできる最も暗い被写体の明るさとの比率の単位です。比率が1000:1の場合、比率の対数 (この場合は3) に20を掛け、dB値は60 dBになります。

検証可能な最も暗いレベルは、センサーのピクセルのノイズフロアとして定義することができます。これは、このレベル以下の信号はすべてノイズにかき消されるためです。この定義で言うと、高品質のイメージセンサーは、通常、約70 dBのダイナミックレンジにリーチすることができます。WDRテクニックを使用すると、カメラの実際のdB値を変更することなく、実質的なダイナミックレンジまたはリーチを増加させることができます。

ただし、dB値もリーチも、カメラのダイナミックレンジの完全な能力を表現するものではありません。WDR画像の質は、どのWDR手法が使用されたか、目に見えるアーティファクトが残っているかどうか、そして画像処理の質にも依存します。これらの要素の一部は、第5章に記載された表示と動きの項目で要約されています。

下の右側の画像は、左側の画像よりも指定dB値が低いカメラで撮影されています。このダイナミックレンジが広いシーンでは、予測されるであろう結果に反し、低いdB値を持つカメラが明らかに映像監視により適した画像を生成しました。このdB値が低いカメラに、より優れた画像処理機能など、WDR性能を高めるその他の機能が搭載されていることは言うまでもありません。

この章では、最も一般的な目に見える画像の乱れとその原因について説明します。

• 動きによる画像のブレ: 動きによる画像のブレは、シーン内の急激な動きにより、または単に露出時間が長すぎることにより、録画中の画像が単一のフレーム内で変化したときに発生する場合があります。多重露出を使用するWDRカメラでは、輝度に応じて画像の各部分で異なるレベルの画像のブレが生じます。

• ゴースト: 複数の露出を使用して1つの画像を作成する場合、動く被写体が異なる場所にキャプチャーされる場合があります。これにより、動いている物体や人物の周りに幽霊のような現象が生じることがあります。

• ちらつきによる画像の乱れ: ちらつきによる画像の乱れは、あらゆるタイプのカメラで発生し得ます。連続的な照明が通常想定されるため、蛍光灯やLED照明のような変調光源は課題をもたらします。カメラのタイプにより、発生する画像の乱れは縞模様のように見えたり脈を打ったように見えたりします。多重露出を使用するWDRカメラでは、この現象は短い露出時間で最も強く出ます。そのため、異なる露出時間で撮影された部分の間で急な変化が生じ、画像のちらつきが特に目立つことがあります。

• 直感に反するノイズ: 2つ以上の画像を合成して、より広いダイナミックレンジを持つ新しい1つの画像を作成した場合、新しい画像のノイズ特性は実際にダイナミックレンジの広い画像と同じにはなりません。合成した画像は理想の画像よりノイズが多くなるということにおいて妥協が必要になります。このノイズはすべての輝度レベルに均一に分散するのではなく、2つの画像がブレンドされた部分で特に強くなります。カメラのノイズフィルターがこの現象を補正できない場合、本来ノイズがないはずの部分に予期せぬノイズが生じることがあります。

• カートゥーンニングと不自然さ: ダイナミックレンジが非常に広いシーンは、標準的なモニターに表示することが難しい場合があります。高度な画像処理技術によって、カラーやコントラストを可能な限り維持するよう試みることはできますが、画像を自然な形で再現するには十分ではない場合もあります。結果として、カラーが不自然になったり、全体的な印象が不自然になることがあります。

• パープルフリンジ: パープルフリンジ (場合によってはブルーフリンジ) は、レンズの色収差によって、画像内のシャープでコントラストの高いエッジに紫色の色のにじみが生じる現象です。色収差は、異なる光の波長がレンズ内で等しく屈折せず、センサーでわずかに位置がずれるか、または焦点がずれてしまったときに発生します。この現象は、センサーの端付近でより顕著になる場合があります。WDRカメラは、カラーやコントラストを忠実に再現する能力が高いため、他のカメラに比べて色収差の影響を受けやすい傾向があります。WDR機能がないカメラでは、明るい光源に最も近い部分の彩度が飽和したり、露出オーバーになったりしますが、WDRカメラはたいてい色の情報を維持できるため、この場合にはそれが光学系の弱点につながり、より顕著になることがあります。

• レンズのフレアおよびヘイズ: 光学レンズに光が入射すると、一部の光は正しく受光されず、レンズシステムに散乱が発生します。この光の一部は、跳ね返る光を低減するよう設計された内部の遮光環によって集められますが、一部はイメージセンサーの間違った場所に到達し、さまざまなタイプのアーティファクトを引き起こします。最も一般的なアーティファクトは、太陽のような強い光源に向いているほとんどのカメラで見られるレンズフレアです。もう1つの現象はヘイズと呼ばれるもので、画像の広い領域におけるコントラストや彩度を減少させます。どちらの現象も、画像内の強い光源、ダイナミックレンジの広いシーン、汚れたフロントガラス、レンズシステム内の埃などによって特に問題となります。カメラにウェザーシールドを取り付けることで、フレアとヘイズの両方を軽減できます。それでも、WDRカメラの性能 (ダイナミックレンジが非常に広いシーンをキャプチャーして再現する能力) は、光学系における散乱光によって制限されます。