信号対雑音比(SNR)とは?組み込みカメラでSNRが重要なのはなぜですか?

信号対雑音比(SNR)は、20年前に比べて、おそらく現在はあまり議論されていません。かつて困難な作業と見なされていた高SNRの達成は、今日の多くのアプリケーション、特にカメラや画像ベースのデバイスにおいて、特別な機能ではなく標準なものになっています。

しかし、この専門用語はまだ多くの人にとって謎のままです。多くの人が耳にしたことがあっても、それが何を意味するのか、どのように測定されるのか、カメラや組み込みビジョンアプリケーションでなぜ重要なのかを理解している人は多くありません。

このブログでは、信号対雑音比の概念、その計算方法、およびスマート監視カメラ、遠隔患者監視システム、自動チェックアウトカメラ、スマートサイネージカメラなどの新しい時代の組み込みビジョンアプリケーションにおけるその重要性について、わかりやすく説明します。

信号対雑音比とは?

信号対雑音比(SNR)は、望ましくない信号であるバックグラウンドノイズに対する、望ましい信号の強度を測定します。SNRは、様々な出力信号を区別して効率的な出力を実現するために不可欠です。

信号対雑音比は通常、デシベルで表されます。SNR値が高いほど、出力が向上します。その理由は、SNRの高い出力には、不要なデータ(ノイズ)よりも有用な情報(信号)の方が多いためです。例えば、100dBのSNRは70dBよりも優れています。

信号対雑音比の計算方法

SNRの計算は、デバイスによって異なります。ただし、信号値がデシベル形式の場合、SNRは目的の信号からノイズ量を差し引いて計算されます。

したがって、SNR=S-N、ここでSは信号量、Nはノイズレベルです。

例を通してこれを説明するために、デバイスが-50dBm(ミリワットあたりのデシベル)の信号を受信し、ノイズレベルが-70dBmであると想像してください。次に、信号対雑音比は次のように計算できます。

SNR=-50-(-70)=20dB

SNRを計算するもう1つの方法は、次の式に示すように、記録された信号と全二乗平均平方根ノイズの線形比を取ることです。この場合、線形SNRと呼ばれます。

組み込みカメラの信号対雑音比

カメラのSNRは、画像内の信号品質を示します。多くの組み込みビジョンアプリケーション、特にAI/MLアルゴリズムが処理された画像を分析してインテリジェントな決定を下す必要があるエッジベースの処理を含むアプリケーションでは、高いSNRが求められます。これは、このようなスマートAIカメラの画像出力が、人数カウント(監視システム)、人口統計分析(スマートサイネージ)、作物検出(農業用ロボット、車両、ドローン)、物体認識（自動ショッピングシステム、ロボット）、サンプル分析（医療用顕微鏡、診断装置）などの機能に必要な詳細画像情報を提供する必要があるためです。

高SNRは、通常の照度条件で動作するカメラと比較して、ノイズレベルが画質にはるかに重大かつ明白な影響を与える可能性がある低照度カメラモジュールでも必要になります。

組み込みビジョンデバイスの信号対雑音比を向上するための実践的な手順

高いSNRを達成するために、ゲインを最大化して信号強度を改善する傾向がある場合があります。しかし、これはノイズだけでなく信号のスパイクにもつながります。また、SNR値に大きな変化がないことに気付きます。つまり、画像出力のコントラストは向上する可能性がありますが、同じ品質の問題に直面し続けることになります。

そのため、SNRの高いアプリケーション(顕微鏡など)に組み込みカメラを導入する場合は、(ノイズの少ない)より高品質の出力を確保するために、特定の実用的な手順に従う必要があります。したがって、適切なアーキテクチャ設計でカメラを構築/カスタマイズ/展開し、高品質のセンサーを使用する必要があります。さらに、熱を適切に放散してセンサーの温度を下げることも役立ちます。

低ノイズカメラには、低読み取りノイズのイメージセンサーが付属しています。しかし、ほとんどの場合、アクティブな冷却も確保する必要があります。これは、イメージセンサーの他のノイズ源を管理するのに役立ちます。ただし、これにより、ソリューションの全体的なコストが増加する可能性があります。

当社の低ノイズカメラ

当社は、過去20年間にわたり、さまざまな組み込みビジョンアプリケーションに適した低ノイズカメラの手堅い製品ラインナップを構築してきました。それらの中で最も人気のある製品の1つがSee3CAM_CU55です。

See3CAM_CU55は5MP低ノイズUSBカメラで、onsemiの1/2.5インチAR0521イメージセンサーを採用したカメラセンサーボードで構成される2ボードソリューションです。これはUSB3.1Gen1カメラで、オンボードのイメージシグナルプロセッサ(ISP)が付属しており、暗い場所でも最高の画質を保証します。2.2ミクロンピクセルの5MP AR0521 CMOSイメージセンサーにより、このカメラは、監視、生物医学機器、生体認証およびアクセス制御システムなどの次世代アプリケーションに最適です。

以下は、当社の低ノイズカメラ全製品一覧です。

• See3CAM_CU27 – Sony Starvis IMX462 超低照度 USB 3.1 Gen 1 カメラ
• e-CAM82_USB – Sony STARVIS IMX415 4K Ultra-HD USB カメラ
• See3CAM_CU22 – フル HD AR0233 LFM 付き HDR USB カメラ
• See3CAM_CU20 – フル HD WDR HDR USB 3.1 カメラ
• See3CAM_CU30 – 3.4 MP 低照度 USB カメラ
• See3CAM_30 – 液体レンズ付き 3.4 MP オートフォーカス USB カメラ
• Conversa – マイク付き低照度 USB カメラ

この記事で信号対雑音比の概念を読者の方々にご理解頂けたと思っております。 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。迅速に対応させていただきます。

低ノイズ カメラのカスタマイズと製品への統合に関するサポートをお探しの場合は、camerasolutions@e-consystems.com までお問い合わせください。 また、カメラセレクターにアクセスして、当社のカメララインナップの全般をご覧いただくこともできます。