レンズと像の解像度。
「解像度」とは何を指すのでしょうか？そして、なぜそれが重要なのでしょうか？
解像度は画像の鮮明さを決定づけるものであり、カメラの高度な機能を示す指標ともなります。
決議には4つの種類があります：
- 画素数・解像度
- システムの解像度
- レンズの解像度
- 角度分解能
あらゆる種類の解像度は相互に関連しており、これらが相まってコンピュータビジョンに影響を与えています。
なぜ解像度はこれほどわかりにくいのでしょうか？
あなただけではありません！専門家たちでさえ、「解像度（Resolution）」という用語を、実際には4つの異なる技術的指標を指すにもかかわらず、混同して使用しています。2018年にIEEE P2020ワーキンググループ内で行われた議論の中で、光学エンジニア、画質エンジニア、センサーエンジニア、コンピュータビジョンエンジニアの間で、このような誤解が見受けられました。
センサーの解像度は、CMOSセンサーのフォーマットタイプ（例：1/3インチ、1/2インチなど）とも密接に関連しており、これについては別の記事で解説しています。
解像度としてのメガピクセル
画素数・解像度
画素数による解像度は携帯電話業界によって広く普及しましたが、50MP以上のカメラの場合、最終的な出力画像や表示される画像の解像度が50MP以上になることはめったにないため、この指標はしばしば誤解を招きがちです。
定義：- センサー内の光受光フォトダイオードウェルの総数。
- ディスプレイおよびプロジェクター用の発光素子の総数。
- デジタル画像の総画素数。
このカメラは64メガピクセルを搭載しており、12～16メガピクセルの画像を生成します。
このカメラの画素数は64MPです。
SFRとしての解決策
「システム解像度」とは何か、そしてなぜ重要なのか？
The system resolution can characterize the quality of any digital image. It is frequently used in digital camera production lines to ensure the lens, lens-to-sensor alignment, and image processing pipeline meet a minimum quality threshold. It can also be used to benchmark different cameras and image processing/compression methods. This metric includes inputs from the Lens, the Lens-to-sensor alignment, the Sensor, the ADC, and the Analog+Digital Image Processing Pipeline.
定義：- The Spatial Frequency Response (SFR) measures contrast as a function of spatial frequency, derived from the edge-spread function of a slanted edge (ISO 12233).
ISO 12233 に準拠するか、Imatest のウェブサイトを参照してください。
How to Express System Resolution:画像の高さあたりの線幅、視野位置、および照明条件を含めてください。
SFRは、1000ルクス、5000Kの照明条件下で、視野角25°において2000 LW/PHです。
この画像のMTFは2000 LW/PHです。
SFRはコンピュータビジョンにどのような影響を与えるのか？
出典：Vasiljevic 他「畳み込みネットワークによる認識に対するぼけの影響の検討」
MTFとしての解像度
「光学分解能」は、イメージング光学エンジニアによって用いられ、システム分解能の算出に用いられる要素の一つです。
光学分解能は、光学系の「鮮明さ」を表す指標です。MTFは、顕微鏡、撮像レンズ、双眼鏡、投影光学系など、焦点型および非焦点型の光学系の両方に適用されます。
定義：- The Modulation Transfer Function (MTF): the contrast a lens preserves at a stated spatial frequency and field position.
- Two-point criteria such as the Rayleigh criterion answer a different question, the closest separation at which two point sources stay distinguishable, and they do not convert into an MTF percentage.
MTFをパーセンテージ、周波数、視野角、波長とともに記載してください。
このレンズの明所MTFは、視野角50°において200LP/mmで20%です。
このレンズのMTFは20%です。
解像度としての瞬時視野角
「角度分解能」は、航空宇宙・防衛産業やコンピュータビジョンエンジニアによって利用されています。
The Instantaneous Field of View (IFOV) is the angle one pixel covers in object space, so it is quoted per pixel. Pixels per degree is its reciprocal, a sampling density, and on a lens with distortion both figures change with field angle. Neither one is the resolving power of the optics, which is an MTF or Rayleigh question. Pixels per unit distance across an object is a related spatial-sampling figure that only follows once the object range and geometry are fixed.
定義：- IFOV: the angle in object space subtended by one pixel, in degrees, arcminutes, or milliradians per pixel.
- Pixels per degree: the reciprocal of the IFOV expressed in degrees. It is a sampling density, not an angle.
歪みプロファイルの角度分解能も考慮した、当社の高度な視野計算ツールをご利用ください。
角度分解能の表記方法：State which quantity you mean, degrees per pixel or pixels per degree, and give the field angle where it was measured.
The IFOV is 0.083° per pixel at 25° field angle, a sampling density of 12 pixels per degree.
The IFOV is 12 pixels per degree.
コンピュータビジョンにおいて、角度分解能はどのような影響を与えるのでしょうか？
Angular resolution limits the smallest object a network can reliably detect, not the largest. The impact on performance is direct. Dollar et. Al shows the direct result on average miss rate of pedestrian detectors. With less than 50 pixels, even state of the art detectors can have a 50% miss rate on detection. This increases rapidly as scale decreases.
出典：Dollár 他「歩行者検出：最先端技術の評価」
メガピクセルとMTFを組み合わせた解像度
「効果的な解決策」という表現は、レンズサプライヤーのマーケティングチームによって使用されています
The effective resolution is a quick method to filter down a lens selection when you are creating a new camera. The optical resolution (MTF) of lenses can be challenging to understand without extensive experience in camera hardware. Many experienced camera engineers do not even know the tricks which manufacturers can play with MTF charts/testing, so effective resolution can be a shortcut directly to system-level resolution.
定義：- レンズの光学解像度が適していると想定される、センサーの画素数に基づく解像度。
画素数とイメージセンサーのフォーマットサイズの両方を記載してください。
このレンズは、12MPの1/2.3インチセンサーに適しています。
The lens is rated for 12MP so its optical resolution is suitable for any 12MP sensor.
この誤解を招きやすい指標は、今後もレンズメーカーによって使い続けられ、悪用され続けるでしょう。レンズを購入される方は、ぜひこの警告を心に留めておいてください。
参考資料および関連リンク
- Dollár ほか「歩行者検出：最先端技術の評価」
- Vasiljevic ら「畳み込みネットワークによる認識に対するぼけの影響の検討」
では、Commonlandsではレンズについて話す際、解像度という言葉をどのように扱っているのでしょうか？
レンズサプライヤーとして、当社は実測によるシステム解像度の測定結果に基づき、客観的な「有効解像度」スコアを提供しています。
パフォーマンスにおいて重要なのは、最終的な画質です。
- ピクセルピッチの異なる複数のセンサーを用いて、焦点全域にわたるISO 12233:2014準拠の測定を実施しています。
- 次に、最大像円を求めます。
- センサーの最大サイズとアスペクト比を設定した後、総画素数を算出します。
- 一般的なレンズの有効解像度から、同じピクセルピッチを測定します。
- 次に、その特定のフォーマットタイプの4:3のアスペクト比を持つセンサーに収まるピクセル数を算出します。
高い有効解像度を実現するM12レンズ
Commonlandsのカタログに掲載されている4本のM12レンズ。各レンズの有効解像度は、前述のISO 12233:2014に基づく「スルーフォーカス」方式を用いて評価されている。
カメラの要件を把握しようとしていますか？
当社の無料Web版「視野角（AoV）計算ツール」を使用して、お使いのシステムに必要な視野角を算出してください。その後、「M12レンズ計算ツール」を使用して、その要件に合致するレンズをお探しください。また、当社の「被写界深度計算ツール」では、あらゆるセンサーとレンズの組み合わせについて、ハイパーフォーカル距離と被写界深度も算出できます。
他にも、多くのエンジニアの方々に興味を持っていただける計算ツールがいくつか用意されています。
