モノクロカメラがカラーカメラより優れている理由を簡単にご説明します

長年にわたり、カラーカメラは画像処理のための最も現実的な選択肢として支持されてきました。しかし、実際には、特定の組み込み型ビジョンアプリケーションにおいては、信頼性の高いセンサーを搭載したモノクロカメラの方が、より実用的で効果的なソリューションとなります。なぜなら、モノクロカメラはカラーカメラと比較して、細部まで鮮明に、かつ高感度に画像を撮影することができるからです。とはいえ、もちろん、それはあくまでも端的に言ってのこと。それは、全体のトピックを簡略化してまとめたものです。

モノクロカメラがカラーカメラよりも優れている理由を理解するには、センサー技術を詳しく見る必要があります。この記事では、モノクロカメラとカラーカメラの主な違いの概要を説明いたします。 また、なぜモノクロカメラがカラーカメラよりも優れているのか、その理由もご紹介します。

まず、カラーカメラとモノクロカメラの仕組みを理解しましょう。

カラーカメラはどのように機能しますか?

カラーカメラは、各フォトサイトごとに複数の原色を交互に並べて、そのうちの1色だけを撮影します。最も一般的なパターンは、赤-緑、緑-青のフィルターを交互に並べた「ベイヤーパターン」です。各画素は、ベイヤーパターンの入射光の1/3だけを取り込み、パターンに合わない色は自動的にフィルターで除去されます。つまり、緑の画素に赤や青の光が当たっても、記録されないのです。

どのフォトサイトでも１つの色のみが直接測定され、他の2つの色は推測されます。 フォトサイトを組み合わせてフルカラーピクセルを生成するこのプロセスは、「デモザイク」と呼ばれます。

モノクロカメラはどのように機能しますか?

カラーカメラとは異なり、モノクロカメラは、色に関係なく、入ってきた光をすべて各画素に取り込みます。 赤、緑、青はすべて同時に吸収されるため、各ピクセルは最大 3 倍の量の光を受け取ることができます。また、モノクロセンサーは、カラーセンサーとは異なり、最終的な画像を作成するためにデモザイキングを必要としないことを知っておくことが重要です。 

また、ISP が不要なため、複雑な問題が発生する可能性が大幅に減少されます。

カラーカメラに対するモノクロカメラの3つの大きな利点

低照度性能の向上

モノクロ カメラとカラー カメラの主な違いは、カラー フィルター アレイ (CFA) がないことです。 モノクロカメラでは、この光学バンドパスフィルターを取り除くことで、より多くの光子がセンサーの感光面に到達できるようになります。これにより、光に対する感度が高くなり、量子効率が向上します。

これが役立つ組み込みビジョンアプリケーションの例として、医療用顕微鏡があります。 例えば、当社の13MPモノクロ USBカメラである See3CAM_CU135Mは、医療用顕微鏡に最適な高感度を備えています。このカメラが医療用顕微鏡に最適な理由の詳細については、当社の13MPモノクロUSBカメラが医療用顕微鏡のパフォーマンスを向上させる方法の記事をご覧ください。

モノクロ カメラが推奨されるもう 1 つの例は、虹彩認識です。 当社 の See3CAM_CU55M – 5MP モノクロ USB カメラ – は、虹彩認識システムのすべての画像処理ニーズに適合するように設計されています。この製品が生体認証および虹彩認識システムに最適な理由の詳細については、記事 See3CAM_CU55M – 虹彩認識システムに最適なカメラをご覧ください。

一方、カラーカメラには通常、赤外光による色収差の発生を抑えるIRカットフィルターが搭載されています。 これらのフィルターがないと、赤、緑、青の画素がNIRバンドのさまざまな波長に反応する傾向があり、その結果、不自然な色が生成されます。

モノクロ カメラには CFA と IR カット フィルターがないため、センサーの各画素はより広いスペクトルの光を検出できます。 これは、低照度条件下でのカメラの全体的なパフォーマンスが大幅に向上することを意味します。

より高いフレームレート

モノクロセンサーの場合、各画素、最小8ビット、最大12ビットとなりますが、カラーセンサーには最小16ビットとなります。そのため、カラー カメラでは、最小帯域幅で処理すべきデータの量が多くなります。 これにより、処理時間が長くなり、結果的にフレーム レートが遅くなります。

また、カラーセンサーとは異なり、モノクロセンサーは帯域幅が広いため、フレームレートが高くても処理時間は短くなります。

よく調整されたアルゴリズム

カラーカメラの最近の進歩は、業界全体で非常に役立っているのかもしれません。 しかし、カラー画像のアルゴリズムモデルの構築は複雑なことが多いため、カラーカメラはエッジAIベースの組み込みビジョンアプリケーションには適さない場合があります。

モノクロ カメラの場合、AI と ML を搭載したビジョン モデルを活用するためのアルゴリズムは沢山あります。 それらは、最先端のアプリケーションがオブジェクトを検出し、その形状を決定し、オブジェクトが進む方向を予測することを可能にします。

当社のモノクロカメラ

OEM カメラ ソリューション プロバイダーとして 19 年以上の経験を持つ 当社は、さまざまな業界の一連のアプリケーション向けにモノクロ カメラのポートフォリオを開発してきました。 ここでは、最も人気のあるベストセラーのモノクロ カメラをいくつかご紹介いたします。

• See3CAM_CU135M – 4K モノクロ USB 3.1 Gen 1 カメラ
• See3CAM_CU55M – 5MP モノクロ USB NIR カメラ
• See3CAM_20CUG – 2MP モノクロ グローバル シャッター カメラ
• STEEReoCAM – NVIDIA Jetson Nano/Jetson AGX Xavier/Jetson TX2 用 2MP ステレオ カメラ
• e-CAM24_CUXVR – NVIDIA Jetson AGX Xavier 用の 2MP グローバル シャッター モノクロ カメラ

この記事で、カラー カメラに対するモノクロ カメラの利点を十分に理解していただければ幸いです。しかし、すべての用途でモノクロカメラを使う必要があるわけではありません。アプリケーションがカラー出力を必要とせず、感度と低照度性能が最も重要な基準である場合は、モノクロカメラを使用する必要があるということです。

そのような決定をする前に、常に画像処理パートナーのアドバイスを受けることをお勧めします。適切なカメラの選択とビジョンベースシステムへの統合についてサポートが必要な場合は、camerasolutions@e-consystems.com までご連絡ください。