第 3 回 - 情報メディア学科演習室

画像の性質と撮影パラメータ
画像処理

画像の性質を表す諸量
 画像の統計量
 画像の主観的特性に関わる量
2015年度（第3回）

撮影パラメータ
 撮影画角
 明るさに影響を及ぼす撮影パラメータ
 色彩に影響を及ぼす要因
 時系列画像
中島克人
情報メディア学科
[email protected]
2
画像の性質を表す諸量

画像の性質を表す諸量
画像の統計量

 ヒストグラム（histogram）
 ヒストグラム（histogram）
 平均，最頻値，中央値，最小値/最大値，分散，平均

画像の統計量


画像の主観的特性に関わる量

 階調性
画素値の分布を調べるために用いる
横軸＝画素値，縦軸＝度数（頻度）＝画素数
画素値の空間的分布は分からない（位置情報は失われる）
 濃淡ヒストグラム
 コントラスト

横軸＝モノクロ画像の画素値の場合
 ノイズ
 鮮鋭度
 解像力
図4.1
3
画像の統計量

画像の統計量
カラー画像のヒストグラム

カラー画像のヒストグラム
 多次元（2～3次元）ヒストグラム
 表色系の各軸ごとにヒストグラム
を作成することが多い

4

どの色の画素が幾つあるかは分か
らない



どの色の画素が幾つあるかを直接調べたい場合に用いる
横軸に全ての色を並べると横軸が長大となり，解析しにくいため，
表色系の各チャネルを軸とする
ただし，各チャネルの量子レベルは粗め（ビン数）は少なめにする
3次元ヒストグラムの表示は困難
25
 2次元ヒストグラム
20


図4.2
3チャネルの内の1つは無視
（もしくは固定）し，2チャンネル
間の分布を見る
例：HSVのVを無視した
→ HSヒストグラムで色目を
調べる
15
10
5
S5
S4
0
1
S3
2
3
4
S2
5
6
7
S1
8
9
2次元ヒストグラム
カラー画像とRGBチャネル別のヒストグラム
5
6
画像処理 1
画像の統計量

画像の統計量
平均（mean）

分散（variance）
 M×N：画像サイズ（画素数）
 データ
 f（i,
 f（i,
j）：画素位置（i, j）の画素値
f（i, j）と平均μとの距離（差）の2乗を平均したもの
j）：画素位置（i, j）の画素値
度数
平均μ


最頻値（mode）
図4.3
 ヒストグラムの最も度数の高い位置の画素値

標準偏差σ
1パス
での
求め方
中央値（median）
標準偏差大
度数
 全画素を値の大小で並べ替えて，丁度中央の画素の画素値
 （画素数が偶数の場合は，中央の2つのどちらでも良い）


最小値（minimum）／最大値（maximum）
 分散と共に，分布の広がり具合の代
 画像のコントラストを調べる手がかりの1つ
下記の表からヒストグラムを完成させよ

画素値
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
度数
0
2
4
9
5
2
4
3
1
0
8
先の表から平均値，最頻値，中央値，最大値，分散を求めよ
 平均値
 最頻値
 中央値
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
 最大値
9
10
画像の主観的特性に関わる量
先の表から平均値，最頻値，中央値，最大値，分散を求めよ

 分散

画素値
演習（ヒストグラムと統計量）
演習（ヒストグラムと統計量）

標準偏差小
表的指標
7
演習（ヒストグラムと統計量）
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
標準偏差（standard deviation）
 分散の平方根＝σ（シグマ）
 最小もしくは最大の画素値

画素値
平均μ
標準偏差σ
階調性
 濃淡表現の滑らかさ
（1－）2×2＋（2－）2× ＋（3－）2× ＋（4－）2×
＋（5－）2× ＋（6－）2× ＋（7－）2× ＋（8－）2×
＝
∴分散＝
 画像の量子化レベル数に最も多く影響を受ける
 階調性が低いと滑らかに変化すべき部分に階段状の線が
見える
 プリンタ出力時などでは階調再現性と称する

11
図4.4
12
画像処理 2
画像の主観的特性に関わる量

コントラスト調整
 コントラスト調整
コントラスト（contrast）
 (a)から(b)にしたい
 画像の濃淡情報の分布
の広さに関する性質
 右図2～4番目の画像は
分布を1番目のように拡
げる事により，
コントラストが改善される

コントラスト
調整
画素値の最大値Imax，
最小値Iminとした時，
コントラストＣを
Ｃ＝ Imax － Imin
Imax ＋ Imin
と表す事もあるが，
ノイズの影響が大きい
(a)

(b)
(a)の中間輝度値を明暗方向に引き伸ばす
図4.5
Introduction to Image Processing and Analysis （CRC Press）
13
コントラスト調整
14
画像の主観的特性に関わる量

 コントラスト調整
ノイズ（雑音）（noise）
 原因
ヒストグラム解析し，ある範囲を最小・最大に引き伸ばす

画素数
原因CCDの暗電流ノイズ（熱雑音），標本化の際のノイズ（ジッタ），
量子化の際の丸め誤差（量子化ノイズ），
画像処理系の有効桁数による影響（計算誤差）など
 種類
輝度値
0（暗）
255（明）


画素数

不規則性ノイズ（random noise）
周期性ノイズ（cyclic noise）
図4.6 不規則ノイズの例
ガウス性不規則ノイズ（Gaussian random noise）
 信号対雑音比（SN比：signal
輝度値
0（暗）

255（明）
to noise ratio）
雑音の大きさ（N）に対する信号の大きさ（S）の比の常用対数
（10を底とする対数）で，単位はデシベル（dB）
 「ある範囲」をどうやって決めるか？
 明暗の両側に裾野が広がっていたり，ノイズが有るかも知れない
Introduction to Image Processing and Analysis （CRC Press）
15
画像の主観的特性に関わる量

16
画像の主観的特性に関わる量
ノイズ（雑音）（noise）

 画素値でSN比を計算する際の信号やノイズの大きさ
鮮鋭度（sharpness）
 画像を見たときの鮮鋭感を表す尺度
 鮮鋭度が高い

表4.1
エッジ付近の画素値変化が急激で，画像の細かい部分まで鮮明に
観察できる
 鮮鋭度が低い

ピントが合っていないような
印象で，画像の細かい部分
は読み取り難い
図4.7
17
理想エッジと実際の
エッジのプロファイル比較
18
画像処理 3
画像の主観的特性に関わる量

画像の主観的特性に関わる量
鮮鋭度の計測法

解像力（resolving power）
 エッジ部分の画素値変化を計測する方法
 画像上にどの程度の細かなものまで再現されるかを示す
 画像の空間周波数成分を調べる方法
 解像力テストチャートを撮影し，チャート画像上の線が識別


できる限界線密度で定義
pares/mm
振幅（変調）伝達関数
（MTF：modulation transfer
function）を測定する
 line

即ち，
濃度が正弦波状に変化する
濃度パターン（正弦波チャート）
を撮影し，正弦波周期が短く
なるにつれてコントラストが
低下する様子を計測する
白・黒を1対の線とし，
1mm当りに存在する
線対の数
 lines/mm

1対を2本の線と
数える
 位置や方向により
図4.8
異なる解像力と
なる場合も有る
正弦波チャートとMTF
図4.9
解像力テストチャートの例
19
撮影パラメータ

20
撮影画角

撮影画角
 CCDカメラ等に内蔵されるCCDのサイズ
 イメージャサイズ

 レンズ焦点距離と画角

イメージャサイズ（imager size）
光学系のサイズもこれに比例する
 1型の「1」は歴史的には撮像管の外形寸法（単位：インチ）
明るさに影響を及ぼすパラメータ
 レンズ絞り，シャッタ速度
 ガンマ補正とゲイン

色彩に影響を及ぼす要因
 照明光源の分光分布
 ホワイトバランス

時系列画像
図4.10
 フレームレート，照明の明滅とそれによるフリッカ
イメージャサイズ（単位：mm）
21
撮影画角

撮影画角
レンズ焦点距離と画角
 画角（field


焦点距離が長いほど，イメージャサイズが小さいほど，画角は狭い


画角の計算
 画角θ[rad],
of view）
画面内に撮影することのできる範囲を角度で表したもの
イメージャサイズとレンズ焦点距離で画角が決定
水平（horizontal）画角と垂直（vertical）画角がある

22
 例：レンズ：f

焦点距離f [mm], イメージャサイズD [mm]
＝6mm, 1/3型CCDイメージャ：D＝4.8mm
35mm換算焦点距離
 35mmフィルムカメラ時代はイメージャサイズが固定のため，
図4.11
レンズ焦点距離とイメージャサイズと画角
23
レンズ焦点距離だけで画角が求まったが，CCDイメージャの
サイズは種々あるため，「35mm換算焦点距離」という言い
方で画角を表すことが多い
24
画像処理 4
撮影画角

撮影画角

画角の異なるレンズ
演習
 焦点距離50mm（35mmフィルム
35mm換算
焦点距離
 標準レンズ
焦点距離50mm前後
（35mmフィルム換算）
 広角レンズ
 標準レンズよりも焦点距離
が短い
 遠近感が強調，深い被写界
深度
 望遠レンズ
 標準レンズよりも焦点距離
が長い
 遠くの物を拡大，浅い被写
界深度
換算）の標準レンズの水平画角
θs（度）を計算せよ

解答：θs＝2 tan－1｛（36/2）／50｝
＝2 tan－1｛0.36｝＝39.6（度）

arctangent

演習
 焦点距離100mm（35mmフィルム
換算）の望遠レンズの水平画角
θt （度）を計算せよ
図4.12
25
逆三角関数表と角度例

図4.12
解答：θs＝2 tan－1｛0.18｝＝20.4（度）
26
撮影画角

角度例
表4.2 レンズ焦点距離と水平画角（赤字は標準レンズ相当の画角）
 tan－1｛0.10｝＝
5.71度
7.97度
 tan－1｛0.18｝＝10.20度
 tan－1｛0.22｝＝12.41度
 tan－1｛0.26｝＝14.57度
 tan－1｛0.30｝＝16.70度
 tan－1｛0.36｝＝19.80度
 tan－1｛0.42｝＝22.78度
 tan－1｛0.48｝＝25.64度
 tan－1｛0.54｝＝28.37度
 tan－1｛0.60｝＝30.96度
 tan－1｛0.14｝＝
45度
22.5度
30度
30度
15度
27
28
明るさに影響を及ぼす撮影パラメータ
明るさに影響を及ぼす撮影パラメータ


レンズ絞り（iris＝虹彩）

絞り調整
 撮影レンズを通してCCDに入射する光量を調整
 撮影レンズの絞りリングを回して調整
 入射瞳径（レンズ開口径）
 目盛に
… レンズに入射可能な光束径
F値（F-number） … 画像の明るさの尺度
1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11,16, 22 などとある
（ 2 の等比級数 → ひと目盛り小で光量が2倍）
 開放F値


撮影レンズで設定できる最小値＝撮影レンズの集光性能を表す
小さいほど，暗い場所でも明るい画像を撮影できる
29
図4.14
30
画像処理 5
明るさに影響を及ぼす撮影パラメータ

明るさに影響を及ぼす撮影パラメータ

F値と被写界深度
 銀塩フィルムが露光する時間
 被写界深度は


シャッタ速度（shutter speed）
レンズ焦点距離小 → 深い
F値小（入射瞳径大）→浅い
 CCDが光学的なエネルギーを蓄積する時間
図3.6
 1/1000,
被写界深度
 絞りの違いによる被写界深度の変化の例

1/500, 1/250, 1/125, 1/60[sec] などが有る
モーションブラー（motion blur）
 シャッタが開いている間に撮影対象が移動する，もしくは，
カメラが移動することによる画像のボケ
図4.15
被写界深度が浅い画像（左）と深い画像（右）
図4.17
31
明るさに影響を及ぼす撮影パラメータ

モーションブラーを起こさない条件

ガンマ補正（gamma correction）
 CRT（Cathode
計算例：

D
[m]：対象までの距離
[m/sec]：対象の水平移動速度
 f [mm]：レンズ焦点距離
 1/3型CCD（幅4.8mm）で横720画素の
画像を撮影する
 a [sec]：移動できる時間＝シャッタ速度

v
Ray Tube：ブランウン管）
出力特性が非線形（ガンマ特性）
（発光輝度）＝（入力電圧）γ （γ≒2.2）
 線形な出力とするために，CRTに入力する画素値を予め補
正する
図4.16
図4.18
33
明るさに影響を及ぼす撮影パラメータ

ゲイン（gain）

CCDから読み出したアナログ信号を電気的に増幅する処理

ノイズも同時に増幅することに注意
照明光源の分光分布
 太陽光：
連続スペクトル光源
各波長の光を連続的に含む
 水銀灯，ナトリウム灯：限られた輝線スペクトルで構成
 白熱灯：
 ISO感度

34
色彩に影響を及ぼす要因

 ゲインを上げる（＝高感度の銀塩写真フィルムを使用する）

32
明るさに影響を及ぼす撮影パラメータ
 撮像画像上で移動量が1画素幅以内
 シャッタ速度a＝0.000556≒1/1798＞1/2000
シャッタ速度によるモーションブラーの差
元々は写真フィルムの感度を表すが，デジカメでもこの尺度を流用
ISO50, ISO100, ISO200, ISO400, ISO800, … , ISO51200
図4.20
図4.19
ゲイン設定と画像のノイズ
35
各種光源の分光分布
36
画像処理 6
色彩に影響を及ぼす要因

色彩に影響を及ぼす要因
演色性

 太陽光下に似た色の見え方をすること
照明光による演色性の違い
 D50蛍光灯
vs. 昼白色蛍光灯 vs. LEDランプ
 白熱灯はナトリウムランプよりも演色性が高い（良い）
 演色性が高い＝食卓上の食事が美味しく見える
D50蛍光灯，昼白色蛍光灯，
LED電球の発光特性
（スペクトル分布）
図4.21
各種光源下で撮影したカラーチャート画像
色彩に影響を及ぼす要因


 白熱灯：2,856K（標準光A）
完全に吸収し全てのエネルギー
を100%放射する理想
的な物体
 黒体を熱していくと，色が変化
 紫外線を含む昼光：6,500K（標準光D65）
 昼間の平均光：6,770K（標準光C）

 白い物体を白く撮影できるようにカメラ側で補正すること

 市販デジカメ：自動，もしくは，想定シーン（光源）下の補正量
から選ぶ

なるようにホワイトバランスを調整
39
40
時系列画像

 動画は時間軸方向の標本化
 標本化周波数＝フレームレート（fps：frames
照明の明滅
 放電光源（蛍光灯，水銀灯，ナトリウム灯等）は明滅
per second）

30fpsのCCDカメラが多い（自由に変更できない事が多い）

 モーションブラーを抑える

自動ホワイトバランス（auto white balance）
 被写体から白いと思われる部分を見つけ，その部分が白く
図4.22
フレームレート（frame rate）

ホワイトバランスの調整
 産業用カメラ：赤（R）ゲインと青（B）を調節
時系列画像

ホワイトバランス（white balance）
 光源の色温度により，撮影対象の色彩が異なる
赤→黄→白→青白
色温度
（color temperature）
 光源を黒体輻射と考えた時の黒

光源の色温度
 外部からの光エネルギーを
体の絶対温度（K：ケルビン）に
よって表したもの
 一般的に白色（赤っぽい白，黄
色っぽい白，白，青白）の範囲に
て色を表す指標として使用
38
色彩に影響を及ぼす要因
黒体


http://www.konicaminolta.jp/instruments/knowledge/light_bulb/color_rendition/
37
100Hz（50Hz電源値域）または 120Hz（60Hz電源値域）
フリッカ（flicker）
 高速な電子シャッタを用いて時系列画像を撮影した時に，フ
シャッタ速度（露光時間）は標本化間隔以下
撮像対象の動きの最大周波数の2倍以上のフレームレート
レームごとに明るさが異なる

フリッカ対策
 高周波点灯蛍光灯を
光源に
 露光時間を照明の明
滅周期と一致させる
図4.23
露光時間とフレームレート
41
図4.24
フリッカの発生過程
42
画像処理 7

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