ピクセルビニングとは何ですか？どのように機能し、どのような利点がありますか？

ピクセルビニング（画像ビニング）は、カメラベースのアプリケーションで、すでに一般的になりつつある機能です。しかし、それが本当に必要かどうかについても多くの議論が巻き起こっています。「ピクセルビニング」という用語は、最近のスマートフォンの多くに搭載されている機能として、近年気軽に使われるようになりました。エンドユーザーにとっては聞きなれない言葉かもしれませんが、実はピクセルビニングは画質に大きな違いをもたらすのです。

ピクセルビニングはスマートフォンのカメラでよく議論されますが、マシンビジョンや組み込みビジョンにも応用され始めています。たとえば、当社のSee3CAM_CU135M（13MPモノクロUSBカメラ）には、感度を高めるのに役立つ2×2および4×4ピクセルのビニング機能が付属しています。

このブログでは、ピクセルビニングとは何か、そして、どのようにして優れた画質を実現するのかについてご紹介します。

ピクセルは、組み込みビジョンとカメラでどのように役割を果たしますか？

ピクセルビニングの概念を理解するには、まずピクセルとは何かを理解することが重要です。 ピクセル（フォトサイトとも呼ばれます）は、写真を作成するために光を捕らえるカメラセンサー上の物理的なビットです。ミクロン（100万分の1メートル）はピクセルサイズを定量化するために使用され、1ミクロン未満のものはすべて小さいと見なされます。

大きなピクセルは、小さなピクセルよりも多くの光を集めることができます。そのため、薄暗いバーや 夕暮れ時など、光が不足している場合は、通常、より多くの光を捕らえて目的の画質を実現できるように、大きなピクセルサイズのセンサーを使用する必要があります。 一方、小さいピクセルは、小さなオブジェクトや詳細をキャプチャするのに役立ちます。例えば、当社のSee3CAM_130（13MPオートフォーカスUSBカメラ）のピクセルサイズは1.1μm（小さいと見なされます）ですが、See3CAM_CU81（4K HDR USBカメラ）のピクセルサイズは3μm（大きいと見なされます）です。

ここでの課題は、高解像度カメラ（See3CAM_130など）が必要な場合は、ピクセルサイズが小さくなる可能性が高いということです。これにより、カメラの感度が制限されます。 一方、ピクセルサイズが大きいカメラを使用すると、センサーサイズが大きくなります。小型のカメラが求められるアプリケーションでは、ここがネックになります。また、小さなものを写せるという小画素のメリットと感度を両立させたい場合にも、従来のやり方ではうまくいきません。

ここで、画像のビニングが役に立ちます。画像ビニングカメラは、より大きなセンサーを使用することなく、より大きなピクセルサイズを模倣することができます。この概念については、次のセクションで詳しくご紹介します。

画像ビニングとは？

ピクセルビニングは、小さなピクセルサイズのカメラの感度を向上させるための独自のソリューションです。多くのピクセルの電流を互いに近づけることで、センサーのピクセルサイズを効果的に大きくすることができます。言い換えると、4対1のピクセルビニング（または2×2ピクセルのビニング）を行うと、1.1μmx1.1μmのピクセルサイズのセンサーは2.2μmx2.2μmになるのです。そのため、ピクセルビニングを使用すると、センサー上のピクセルのサイズを大きくすることで、低照度下でもカメラがより高品質の画像を生成できます。

画像ビニングはどのように機能しますか？

ピクセルビニングでは、デモザイク方式により、4つのピクセルからの情報が1つにまとめられ（4対1のビニングの場合）、実質的に画像信号プロセッサレベルの実装技術になります。ピクセルビニングを説明すると、以下のようになります。2×2グリッド、2×1グリッド、3×3グリッド、または4×4グリッドのピクセルを1つに結合します。 これで、各ピクセルの情報が1つの大きなスーパーピクセル情報として統合されます。

ピクセルビニングは、隣接する4つのピクセルからのデータを1つの「スーパーピクセル」に結合するプロセスであり、カメラメーカーが既存のセンサー設計から最後の性能を引き出すのに役立っています。その副作用として、画像の有効解像度はセンサーの解像度の1/4になります（4対1または2×2ピクセルのビニングの場合）。ただし、暗い環境で画像をキャプチャしているカメラは通常、解像度に妥協する可能性があるため、これは大多数の組み込みビジョンアプリケーションで問題を引き起こしません。

画像またはピクセルビニングのメリットは

画像ビニングの最も重要なメリットについてはすでに触れました。ここでそれらを包括的に見てみましょう。

• ピクセルビニングを使用すると、センサーの感度が大幅に向上し、暗視アプリケーションや暗い環境で非常に役立ちます。
• 様々なタイプのピクセルビニング（2×2、3×3、4×4など）により、適切な解像度とピクセルサイズの組み合わせを柔軟に見つけることができます。これは、アプリケーションの要件に合わせてカスタマイズされたカメラソリューションを利用したい場合に役立ちます。
• 組み込みシステムの小型化が進む中、画像ビニングを備えたカメラは、カメラのサイズを制限すると同時に、必要な感度を実現するのに役立ちます。 これにより、製品開発者は、デバイスで使用される他のハードウェアコンポーネントに、より多くの設計空間を提供できる柔軟性も得られます。

ピクセルビニングのメリットは、明るい光の下では、解像度の妥協に見合うほど大きくないかもしれません。したがって、アプリケーションで必要な場合にのみピクセルビニングを選択することをお勧めします。カメラの選択プロセスのガイダンスについては、当社のような組み込みカメラメーカーにご相談ください。

結論

ピクセルビニングは、画像をさらによくするための優れた手法です。しかし、ほとんどの場合、効果的な組み込みカメラソリューションの目的は、オートフォーカス、高ダイナミックレンジ、フレームレート、露出時間などの他のイメージング目標を達成することです。そのため、ほとんどのカメラベースのアプリケーションでは、ピクセルビニングは必要ないかもしれません。また、これは低照度の問題に対する優れた一時的な解決策ですが、それでも大きなピクセルサイズのカメラに匹敵する結果を達成することはできません。

ピクセルビニングについての疑問がいくつか解明されたと思います。このトピックについてさらに質問がある場合は、お気軽にコメントをお寄せください。折り返しご連絡いたします。

当社の画像ビニングを備えたカメラ

当社は、この分野で20年近くの経験を持つ組み込みカメラメーカーです。 カメラの幅広いラインナップの中でも、See3CAM_CU135M（13MPモノクロUSBカメラ）には、感度を大幅に向上させる2×2および4×4ピクセルのビニング機能が付属しています。これに加えて、高解像度、カラーフィルターアレイがないこと、小さなピクセルサイズなどの機能により、このカメラはデジタル顕微鏡、自動ナンバープレート認識、品質検査などのアプリケーションに最適です。

See3CAM_CU135Mやその他のカメラモジュール、USB 3.0カメラ、GMSLカメラ、MIPIカメラを製品への組み込みについてお困りの場合は、camerasolutions@e-consystems.comまでご連絡ください。また、カメラセレクターにアクセスして、当社カメララインナップの全てをご確認いただけます。