画像処理ソリューション
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Akira

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カラーエリアCCDセンサのしくみ(単板式、三板式)


カラーのエリアセンサのカメラでは3CCD方式(三板式)単板式というのがあります。
工業用のカラーのCCDカメラでは、単板式のカメラの方が
多く採用されています。
他にも富士フィルムが採用したハニカム方式やシグマのカメラで採用されている三層方式などがあります。

 3CCD方式(三板式)
ホームビデオカメラでもおなじみの3CCD方式。
ダイクロイックプリズムでR,G,Bに分光して、各色用のラインセンサで撮影します。
 
  3CCDセンサ(三板式)
CCDを3つ使うので、カメラ本体が大きくなりやすく、価格も高価になってしまいますが、色の再現性の面では単板式に比べて有利となります。


 単板式

通常のモノクロエリアCCDの各画素の上にR,G,Bそれぞれの色のみを通す光学フィルタを下図のような配置で装着し、画像を撮影後、各画素ともR,G,Bの輝度値を演算処理しカラーの画像に変換します。

   Bayerパターン

     Bayer(ベイヤ)配列

この並びをベイヤ(Bayer)配列と言います。

カラー画像への変換は下図のように各R,G,Bの撮影出来ていない画素については周辺の画素の輝度値を用いで補間し、カラーへと変換します。

ほとんどの工業用のCCDカメラではカメラ内部でカラーに変換されますが、画素数の大きなカメラや高速のカメラでは、カラーに変換することで、データ容量が1画素8ビットから24ビットに容量が3倍となってしまうため、下図のようにモノクロのまま出力される場合もあるので、ご注意下さい。

      ベイヤ演算

高価なデジタルカメラなどでは、カラーの変換をカメラ任せにはしないでソフトで処理る場合もあり、変換する前の画像データをRAWデータ、変換する処理のことをRAW現像と呼びます。(たぶん、デジカメ用語)
RAW現像は他にもベイヤ演算デモザイキングなどと呼びます。
  
もっとも基本的な補間方法としては、たとえば赤の画素では上下左右の輝度値を平均し緑の輝度値を求め、斜め方向の輝度値を平均して青の輝度値を求めます。
同じ用に緑や青の画素についても処理を行うと、カラーの画像へと変換することができます。

比較的有名な変換方法には適応型カラープレーン補間法ACPI:Advanced Color Plane Interpolation)というのがあるので、上記キーワードで検索してみて下さい。

実際にはこの処理は、そうは簡単にきれいに補間することができなく、色がにじんだようになってしまう偽色の発生や渦巻き状の模様が出てしまう通称ラーメンノイズなどが発生してしまいます。
このようなノイズが発生しないように各カメラメーカやRAW現像ソフトメーカは工夫しており、実際にどのような処理をしているのか?は各社のノウハウになっており、なかなか調べることができません...  
  Bayer演算

ただし、デジカメのRAWデータをフォーマットは各カメラメーカで異なるらしく、私は良くわかっていません。
また、RAWデータのR,G,Bの位置関係は、どのメーカでも同じようになっていると思いますが、カメラの種類や画像のサイズなどで、CCDの開始位置(左上の画素)がR,G,Bのどの色の画素なのかは、まちまちになってしまいます。
  
  
より詳細な説明がトランジスタ技術の2009年7月号に書いてありました。参考まで↓



 
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