ハイダイナミックレンジ（HDR）とは？車載カメラにとってなぜ重要なのか？

前回のブログ記事「屋外AMRおよび無人車両に最適な車載カメラの選び方」では、屋外自律走行車用カメラを選ぶ際に考慮すべき重要な要素についてご紹介しました。ハイダイナミックレンジは、これらの7つの重要な要素の1つです。このブログ記事では、HDRが車載カメラにとってなぜそれほど重要なのか、その仕組み、そしてoToBriteが屋外車両アプリケーション向けカメラに関連する課題にどのように対処しているかについて詳しく見ていきます。

ハイダイナミックレンジ（HDR）とは？

暗いトンネルから明るい日差しの中へ車を走らせていると想像してみてください。カメラは、前方の明るい道路とトンネル内の日陰の両方を同時に捉える必要があります。一般的なカメラでは、このような状況で苦労することがよくあります。明るい部分は真っ白になり、トンネル内の暗い部分は真っ黒になってしまうことがあります。ここでハイダイナミックレンジの出番です。

ハイダイナミックレンジ（HDR）は、車載カメラが明るい部分と暗い部分の両方のディテールを同時に捉えることができる技術で、重要な情報が失われることはありません。

ハイダイナミックレンジの仕組み 

簡単に言うと、ハイダイナミックレンジは、カメラが人間の目に近いシーンを捉えることを可能にします。例えば、夜間に車が走行中に明るいヘッドライトや街灯が突然視界に入った場合、HDR機能のない標準的なカメラでは、これらのハイライト部分が露出オーバーになり、暗い部分の重要なディテールが失われる可能性があります。その結果、システムが周囲の環境を明確に認識し、状況を正確に評価して意思決定を行うことが困難になる可能性があります。

この問題に対処するため、HDR技術は、同じシーンを異なる露出レベル（明るい部分と暗い部分）で連続して複数回撮影します。その後、高度な画像処理アルゴリズムがこれらのショットを1枚の最終画像に合成し、それぞれのショットから最適なディテールを抽出し、ハイライト部分とシャドウ部分のディテールのバランスを取ります。

その結果、車載カメラは、対向車のヘッドライト、反射する交通標識、夜間の街灯など、照明が急激に変化した場合でも、バランスの取れた正確な周囲の映像を維持できます。

従来の方法から同時露光へ

基本的なハイダイナミックレンジ（HDR）処理は、複数の露光を組み合わせることで画像のディテールを向上させますが、被写体が動いている場合には依然として課題が残ります。

従来のHDR撮影では、異なる露光時間で複数の画像を撮影し、それらを1枚の画像に合成します。これは静止したシーンには適していますが、車両や物体が常に動いている自動車用途には適していません。各露光が連続して撮影されるため、フレーム間の高速な動きはモーションアーティファクトを引き起こし、被写体がぼやけたり、ゴーストが発生したり、歪んだりすることがあります。

最新のHDRセンサーは、複数の露出を同時に捉えることでこの問題を解消します。サブピクセル（分割ピクセル）技術を採用したこのセンサーは、各ピクセルに光感度の異なる大小2つのフォトダイオードを搭載しています。デュアルコンバージョンゲイン読み出し（高ゲインと低ゲイン）と組み合わせることで、センサーは複数の露出レベルを効果的に同時に収集し、遅延や動きによる歪みのない単一のリニアHDR出力を生成します。この同時露光方式は真のリアルタイムHDRを実現し、急速に変化する照明条件においても鮮明で正確な画像撮影を可能にします。これはまさに車載カメラに求められる要件です。

SDRとHDRの違いは何ですか？

基本的に、標準ダイナミックレンジ（SDR）は限られた範囲の光を捉えるため、明るい部分は露出オーバーになり、暗い部分はディテールが失われる可能性があり、厳しい照明条件では効果が低下します。一方、ハイダイナミックレンジ（HDR）は、多くの場合、多重露光や高度なピクセル設計を用いて、はるかに広い範囲の光を捉え、明るい部分と暗い部分の両方のディテールを保持します。

ハイダイナミックレンジはどのように測定されますか？

車載カメラセンサーでは、ダイナミックレンジは通常、デシベル（dB）で測定されます。これは、センサーが捉えられる最も明るい光と最も暗い光の比率を表します。dB値が高いほど、センサーはディテールを失うことなく、より極端な照明の違いに対応できることを意味します。dB単位のダイナミックレンジは、次の式で計算できます。

ここで、Signalmaxはセンサーが露出オーバーにならずに検出できる最も強い光であり、Signalminはノイズを超えて検出できる最も弱い信号です。

ところで、カメラが「車の目」と呼ばれる理由を疑問に思ったことはありませんか？人間の目は約100dBのダイナミックレンジを認識できるため、明るい太陽光と深い影を同時に見分けることができます。車載用途では、カメラセンサーも少なくとも120dBの同等のダイナミックレンジを実現する必要があります。カメラセンサーの高ダイナミックレンジ性能は、極限状況下でも人間の目を超える性能を発揮し、車両が常に明瞭かつ安全に「見える」ことを保証します。

車載カメラにとってハイダイナミックレンジ（HDR）が重要な理由

1. 車載カメラアプリケーションにおける課題

車載カメラは屋外用途向けに設計されており、昼から夜、明るい太陽光から濃霧、日陰の道路から反射する濡れた道路など、照明条件が急激に変化するといった課題に直面するため、ハイダイナミックレンジ（HDR）は車載カメラにとって非常に重要な機能です。明るいヘッドライトや街灯といった道路上の他の要因も、鮮明な画像を撮影するカメラの能力に影響を与える可能性があります。

こうした状況を安全に対処するために、車載カメラは明るい部分と暗い部分の両方の詳細を同時に捉え、車両の認識システムに鮮明な視覚情報を提供する必要があります。これにより、ADAS搭載車でも完全自動運転車でも、システムは処理と意思決定に必要な正確で信頼性の高いデータを受け取ることができます。

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2. 車載カメラにおけるハイダイナミックレンジの主なメリット

• 正確な物体検出：極端な照明下や急激に変化する照明下でも、歩行者、車両、交通標識、障害物を鮮明に検出します。
• 車線と道路の視認性向上：日陰や直射日光下でも、車線と道路の細部を鮮明に捉えます。
• 厳しい照明条件下における安全性向上：暗いトンネルから明るい道路への急激な変化にも対応し、重要な視覚情報を失うことなく対応します。
• ADASおよび自律システムへの信頼性の高い入力：認識アルゴリズムに一貫性のある高品質の画像を提供することで、エラーを削減し、意思決定を向上させます。

oToBriteが信頼性の高い画像性能を実現する方法

oToBriteの車載カメラは、現実世界の運転環境において最高の画質を提供するよう設計されています。当社のカメラは主に、優れた低照度性能と広いダイナミックレンジで知られるソニー製とオンセミコンダクター製のセンサーを採用しています。すべてのカメラモデルは120dBのハイダイナミックレンジをサポートし、AR0823センサーを搭載したモデルは最大150dBを実現し、極端な照明条件下においても鮮明な画像を撮影できます。

センサー性能に加え、oToBriteは様々な自社技術によって画質をさらに向上させています。

• 画質調整：ISP（画像信号プロセッサ）パラメータを微調整し、車載認識システムのカラーバランス、コントラスト、ノイズ低減、HDRトーンマッピングを最適化します。
• アクティブアライメント装置：レンズとセンサーの完璧な位置合わせを実現し、光学歪みを最小限に抑え、鮮明度を向上させる精密組み立て装置です。
• イントリンシックキャリブレーションサービス：カメラパラメータをキャリブレーションし、正確な幾何学的形状と色の一貫性を確保することは、センサーフュージョンや3D認識などのアプリケーションにとって不可欠です。

これらの機能を組み合わせることで、oToBriteカメラは、自動運転車、自律走行トラック、配送ロボット、シャトルバスなどの屋外車両アプリケーションの厳しい要件を満たす、信頼性の高い高品質の画像を提供できます。

真のハイダイナミックレンジ性能を体験してみませんか？今すぐoToBriteカメラシステムの全ラインナップをご覧ください → oToBriteカメラセレクター。社内サービスに関するご相談も承っておりますので、お気軽にお問い合わせください。

よくある質問

1. ダイナミックレンジとは何ですか？
ダイナミックレンジとは、カメラセンサーが同時に捉えることができる画像内の最も明るい部分と最も暗い部分の比率を指します。

2. ハイダイナミックレンジとは何ですか？
ハイダイナミックレンジ（HDR）は、カメラのダイナミックレンジを拡大し、非常に暗い部分と非常に明るい部分の両方のディテールを同時に記録できるようにする技術です。

3. ハイダイナミックレンジは目に良いですか？
ハイダイナミックレンジ自体は、人間の視力に直接影響を与えるものではありません。より広い明るさの範囲で画像を撮影または表示することで、より自然で精細な映像を実現する技術です。

4. ハイダイナミックレンジ（HDR）は、カメラ、テレビ、スマートフォンで同じですか？
HDRはすべてのデバイスで同じように機能するのかと疑問に思う人が多いですが、答えは「いいえ」です。原理は似ています（より広い明るさの範囲を撮影または表示すること）が、実装はセンサー、ディスプレイ、処理パイプラインによって異なります。

5. HDRだけで高画質を実現できますか？
いいえ。HDRは明るい部分と暗い部分のディテールを保持することで、極端な光量のシーンでも視認性を大幅に向上させますが、画質全体を構成する要素の一つに過ぎません。センサー解像度、低照度性能、レンズ品質、画像信号処理能力といった他の要素も、鮮明でシャープ、かつ正確な画像を生成する上で重要な役割を果たします。