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「ダイナミックレンジ」「階調」「コントラスト」の違い

発行：エスオーエル株式会社
https://www.sol-j.co.jp/

連載「測定の新常識！？SOLがお伝えするノウハウ！」
2022年5月25日号　VOL.123

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皆さん、こんにちは。
営業技術の張です。

今回は画像処理に使う言葉
「ダイナミックレンジ」「階調」「コントラスト」
の違いについてお話します。


画像処理の経験がある人は、
ある程度その違いを理解していることと思います。

三次元測定機の場合、どう考えるかを説明します。


Werth社のX線CTであるTomoScopeや
三次元測定機のVideoCheckとScopeCheckには、
全てイメージセンサーが搭載されています。

サンプルを測定する場合、
イメージセンサーの信号を画像処理することが殆どです。

より良い測定データを得る為には、
それぞれの言葉の概念から理解した方が良いです。


イメージセンサーは普通のカメラにも内蔵されているため、
考え方が基本的に同じです。

但し、殆どのカメラにはカラーのセンサーが付いていますが、
寸法測定機の場合、モノクロセンサーが基本になっています。

そのセンサーで撮った画像は
ピクセル毎にグレースケール値で表されます。

グレースケール値の処理は、
画像中の対象の輪郭や領域などを決定する時に用いられます。
白は明るい信号で、黒は暗い信号を表しています。


ダイナミックレンジは
イメージセンサーが検出できる最も明るい信号に対する
最も暗い信号に対する比です。

ダイナミックレンジが広い場合、
検出できる明るい信号が増える為、測定には有利です。
こちらは装置出荷時に調整済の為、基本的に後の調整はしません。


階調は
イメージセンサーで撮った画像の
明るさ（グレースケール値）の変化のステップを表しています。
例えば、黒白のみの場合は階調が2です。

階調は多いほど、画像が滑らかに表現できます。
少なければ、色の変化部分が不自然な段差になります。
画像処理上でも階調が多い方が
輪郭の位置決め精度がより高くなります。

イメージセンサーによって、
階調数は 14bit ～ 32bit がありますが、
人間の目では、そこまで区別できないです。
ソフトウェア上で直感的に分かりやすくする為、
0～255の数値（8bit）で表しています。
真黒が0で、真白が255で表示しています。。

理論上は全部の階調 0～255 を使用することが可能ですが、
暗すぎると、センサーがノイズを拾いやすく、
測定データに影響を与える可能性があります。

また、明るすぎると、センサーの出力が飽和してしまい、
正確な輪郭が検出できなくなる可能性があります。
その為、寸法測定の場合、
階調は 20～200 の範囲以内で使った方が望ましいです。


コントラストは
イメージセンサーで撮った画像の明暗の差を表しています。

よく知られているのは、コントラストが
大きいほど クッキリした写真になり、
小さいほど ぼんやりとした写真になります。

寸法測定の場合もクッキリした画像データの方が良い為、
コントラストをできるだけ大きく取る必要があります。

　　三次元測定機（VideoCheckやScopeCheck）の
　　Autofocus 機能は、このコントラストの原理を利用して、
　　焦点を合わせています。


コントラストは式で表すと、次の式になります。

　　コントラスト = (Imax - Imin) / (Imax + Imin)

Imax は最大強度（明るさ）、
Imin は最低強度（暗さ）を表しています。


コントラストの最適化について、少し考えます。

階調が撮像に適した範囲で最大の場合、
コントラストは、(200-20)/(200+20) = 82% になります。

測定条件などにより、
階調が狭くなった場合、どうなるか考えます。

例えば、光強度の差が 100 の場合、
幾つパターンが考えられます。

　　Imin = 20, Imax = 120  ⇒  100/140 = 71.43%
　　Imin = 60, Imax = 160  ⇒  100/220 = 45.45%
　　Imin =100, Imax = 200  ⇒  100/300 = 33.33%

上記結果により、2つのことが分かります。

　　1. 階調が20～200の場合、コントラストが一番大きいです。
　　　 寸法測定の場合、できるだけ全部の階調を使った方が良いです。

　　2. 階調が一定の場合、コントラストは Imin で決まっています。
　　　 つまり、Imin が小さい方がコントラストが大きく、
　　　 良いデータが取れます。


それでは、今日はこの辺で。
最後までお付き合い頂き、有難う御座いました。


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張