ハイスピードカメラの選び方

ハイスピードカメラは、どのようなカメラか?

ハイスピードカメラで撮影_鳥が羽ばたく瞬間

ハイスピードカメラは、高速現象に対してフレーム間の移動量を抑えてより細かく滑らかに観察することができます。一般的なビデオカメラやテレビ放送は、1秒間に30コマ、または60コマで撮影されるのに対し、ハイスピードカメラは数百~数万コマもの高速撮影ができます。

選ぶ基準はたくさんある

ハイスピードカメラは計測市場だけでも50種類を超えるモデルが流通しており、

  • モノクロまたはカラー
  • 画像サイズ(pixel)
  • 撮影速度(fps)
  • 感度
  • 筐体のサイズ
  • 価格

など選ぶ基準がたくさん存在します。
撮影したい現象ごとに、適切にカメラを選ばないと不明瞭な画像しか取得できなくなってしまいます。そこで当ページでは、ハイスピードカメラを選ぶ特に考慮するべきポイントと、現象を分析するのに必要な撮影速度の目安をご紹介いたします。

ハイスピードカメラ製品ラインナップ製品写真

ハイスピードカメラ-製品ラインナップ

ハイスピードカメラの製品ラインナップ一覧です。人間の目では捉えきれない高速現象を克明に可視化し、解析ソフトウェアを組み合わせることで、様々な物理現象を数値化。ハイスピードカメラは研究開発・生産分野の発展...「ハイスピードカメラ製品ラインナップ」詳細ページ

ハイスピードカメラを選ぶ際の要素

フレームレート(fps:frame per second)

フレームレートとは、カメラが1秒間に撮影できる画像の枚数を表す単位です(1秒あたりの静止画の枚数)フレームレートが高いほど、撮影される画像は滑らかで高速な動作を正確に捉えることができます。

ハイスピードカメラは、通常のビデオカメラ(30fpsや60fps)よりもはるかに高速なフレームレートで撮影できます。一般的には数千~数百万fpsの範囲で撮影が可能です。高いフレームレートで撮影できるカメラは、衝撃試験、流体力学、航空宇宙分野、スポーツの運動解析など、高速の現象を捉える必要がある研究で活用されます。

解像度(pixel, 画素)

水泳選手の低解像度画像_ハイスピードカメラで撮影

低解像度の画像

水泳選手の高解像度画像_ハイスピードカメラで撮影

高解像度の画像

解像度が高いほど鮮明に

解像度は、カメラが撮影する画像の細かさや精細さを示す数値のことです。一般的に、解像度は水平方向の画素数と垂直方向の画素数の組み合わせで表現されます。例えば、1920×1080の解像度は水平方向に1920画素、垂直方向に1080画素の撮影ができることを意味します。解像度が高いほど撮影される画像は、より鮮明でディテールが豊富になります。

解像度の例

ハイスピードカメラの解像度は、用途や性能に応じて様々なレベルがあります。

  • VGA(640×480)
  • HD(1280×720)
  • FullHD(1920×1080)
  • 4K(3840×2160)など

高解像度のカメラは、研究や開発、映像制作など細かいディテールが重要な用途で求められます。

フレームレートと解像度はトレードオフの関係

解像度とフレームレートは、トレードオフの関係にあることが多く、高解像度の撮影ではフレームレートが低くなることが一般的です。解像度が高いほど画像はより鮮明で、フレームレートが高いほど動画は滑らかで高速な動作を正確に捉えます。

しかし、これらの性能を同時に向上させることは、技術的・リソースの制約から困難です。高解像度の撮影では、一枚の画像に含まれる画素数が多く、その分データ量が大きくなります。ハイスピードカメラは大量のデータを高速で処理する必要があるため、カメラのセンサーやプロセッサのスペックが要求されます。

一方で、高いフレームレートで撮影するためには、短時間で大量の画像データを記録する必要があります。こちらは、記録メディア(内蔵メモリやSDカードなど)やデータ転送速度に限界があるため、解像度を犠牲にしてフレームレートを向上させることが一般的です。

このように、解像度とフレームレートは互いに影響し合い、トレードオフの関係にあることがほとんどです。ハイスピードカメラを選ぶ際には、用途に応じた適切な解像度とフレームレートのバランスを見極めることが重要になります。

イメージセンサー

ハイスピードカメラのイメージセンサー

イメージセンサーとは?

カメラのイメージセンサーは、光を電子信号に変換する役割を持っています。対象物からの光をレンズが集め、その集められた光をイメージセンサーが受け取ります。センサー上には多くのピクセルが配置されており、各ピクセルは受け取った光の量に応じて電子信号を発生します。この信号が集積回路を経由して、デジタルデータとして画像がつくられます。

センサーには種類がある

CMOSセンサー(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)
CMOSセンサーは、低消費電力で高速なデータ読み出しが可能なため、ハイスピードカメラによく用いられます。また、製造コストが比較的低く、近年の技術進歩により高画質化が進んでいます。

CCDセンサー(Charge-Coupled Device)
CCDセンサーは、高画質でノイズが少ない画像が得られる特徴がありますが、消費電力が多く、データ読み出し速度が遅いため、ハイスピードカメラにはあまり用いられません。一部の高精細な用途や低速撮影を目的としたカメラでは使用されることがあります。

センサーサイズとは?

センサーサイズは、イメージセンサーの寸法を示し、撮影される画像の品質に大きく影響します。センサーサイズが大きいほど、画素が大きくなり、より多くの光を集めることができます。その結果、画質が向上し、ダイナミックレンジや低照度の性能が良くなります。

また、センサーサイズによって適合するレンズの種類が異なります。センサーサイズによっては、レンズのイメージサークルよりも寸法が大きく”ケラレ(画面の周辺に黒い影が出る)”が発生することがあります。レンズを交換する場合、センサーサイズに合わせた適切なレンズを選ぶ必要があります。

照明(光源の選択と光量の調整)

ハイスピードカメラ用の光源

フリッカーの無い光源が望ましい

ハイスピードカメラでの撮影では、通常のカメラと比べて明るい撮影が難しいため十分な光量が必要です。一般的に、LEDやハロゲンランプ、メタルハライドランプなどの高出力な光源が使用されます。また、フリッカー(点滅)の無い安定した光源を選ぶことが重要です。流体を計測する"PIV(粒子画像流速測定法)"ではシート状のレーザー光を照射する「レーザーシート光源」が必要になります。

光量の調整も重要

ハイスピードカメラは、高速でシャッターを切るため画像が暗くなります。明るく現象を捉えるために過剰な光量で撮影を行うと、過度な露出や反射の原因となり、うまく観測できないことがあります。適切な光量を確保するために、照明の位置や角度、出力を調整することが重要です。

レンズ

ハイスピードカメラ撮影用のレンズ

ハイスピードカメラのレンズ選定

ハイスピードカメラのレンズ選定は、カメラを使用する目的や環境に依存します。開放F値、焦点距離、最短撮影距離、撮影範囲、そしてレンズのマウントタイプを考慮して選定します。レンズの明るさを示す開放F値は、高速でシャッターを切る(暗くなる)ハイスピードカメラには特に重要になります。

  • 開放F値:数値が低いほど明るい
  • 焦点距離:レンズ中心からイメージセンサーまでの距離、撮影範囲に関連
  • 最短撮影距離:レンズがピントを合わせられる限界距離
  • レンズマウント:カメラによって選定(例:Fマウント、Cマウント、EFマウントなど)

レンズの種類にも注目

レンズの種類にも注目が必要です。標準レンズ、マクロレンズ、望遠レンズなど撮影したい被写体やシーンに応じて適切なレンズを選ぶことが重要です。

被写体に近づく(接写)撮影が多い場合はマクロレンズ、遠くの被写体を撮影したい場合は望遠レンズが適しています。レンズの解像力や光学性能も画像のクオリティに直結するため、目的にあった性能を持つレンズを選びます。

ハイスピードカメラの潜在能力を最大限に引き出すために

ハイスピードカメラのスペックには、解像度や記録時間、モノクロかカラーなど撮影したい現象に対応しているかどうかが重要です。こういった要素を総合して、最適なレンズを選ぶことがハイスピードカメラの能力を最大限に引き出し、高品質な撮影を実現できます。

撮影する環境

ハイスピードカメラで撮影する室内の環境

被写体の背景を黒く

ハイスピードカメラの撮影では、被写体をはっきりと捉えるために、背景の色や素材を選ぶことが重要です。一般的には、被写体とのコントラストが高くなるような無地の背景が推奨されます。また、PIVでは粒子像(トレーサー粒子)をはっきりと捉えるために背景を黒くするなど工夫が必要になります。

カメラが動いてしまうと計測できない

ハイスピードカメラで高速な現象を撮影するには、カメラの安定性も重要です。カメラが動いてしまうと、映像がブレてしまい、現象を正確に観測することができません。三脚や固定治具を使用して、カメラをしっかりと固定する必要があります。

ハイスピードカメラの三脚の選び方の画像

ハイスピードカメラ向け三脚の選び方【技術コラム】

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温度と湿度も注意

ハイスピードカメラは、カメラ本体や照明が発する熱によって映像の品質が低下(ノイズが増える)することがあります。また、高湿度の環境ではレンズの曇りやカメラ内部の結露が発生する場合があります。適切な温度と湿度を維持することで、高品質な映像を得ることができます。

ハイスピードカメラの計測で必要な撮影速度

ハイスピードカメラで撮影を行い、人の眼で挙動を確認するだけならば、撮影速度をそこまで考慮する必要はありません。
モーションキャプチャーPIVなど”画像計測”を行う場合には、フレーム間の動き(変位)を抑えて撮影する必要があります。現象に応じた十分な時間分解能が必要となり、適切にハイスピードカメラの撮影速度(fps)を設定していきます。

こちらでは、画像計測に最適なハイスピードカメラの撮影速度の目安を事例とあわせてご紹介いたします。
※数値はあくまで目安です。詳しくはお問い合わせください。

スポーツ(運動解析)

スポーツにおけるハイスピードカメラの撮影は、画像計測を行うか?計測は行わず、現象を目視で確認するのみか?によって選び方が変わります。例えば、プロ野球放送で流れるスイングリプレイの映像では、200~300fps程度で撮影されています。一方で、画像計測(モーションキャプチャー)を行うためには、より細かく高いフレームレートで撮影をする必要があります。

野球のスイングをハイスピードカメラで撮影

野球のスイング
フレームレートの目安:2000fps
撮影範囲:1.8m  スイングスピード:約130m/hの場合

ゴルフのインパクトをハイスピードカメラで撮影

ゴルフのインパクト
フレームレートの目安:30000fps
撮影範囲:30cm  スイングスピード:約50m/sの場合

運動解析(モーションキャプチャー)とは_イメージ画像

運動解析(モーションキャプチャー)とは【技術コラム】

運動解析とは、人や物の特徴点ごとの座標値を算出し、動きが加わった時の変化量を算出する画像処理技術です。モーションキャプチャー、動作解析とも言われています。人の関節やロボットのノズルなど...「運動解析(モーションキャプチャー)とは」続きを読む

流れの可視化・PIV(流体解析)

PIVにおける粒子画像は、前フレームの粒子パターンを比較して、移動量を算出します。粒子パターンの1画面ごとの移動量は、画像上で10pixel以下に抑えることが適切とされているので、流体の速度に合わせてハイスピードカメラの撮影速度を設定します。

レーザーシートによる流れの可視化_ハイスピードカメラで撮影

風洞実験  ※撮影協力:東京理科大学 石川 仁 先生 青野 光 先生
フレームレートの目安:2000fps
撮影範囲:500mm  流速:10m/sの場合

レーザーシートで液相を可視化

水路実験
フレームレートの目安:6000fps
撮影範囲:50mm  スイングスピード:3m/sの場合

PIVとは【技術コラム】

PIV(粒子画像流速測定法,Particle Image Velocimetry)は、流れ場における多点の瞬時速度を非接触で得ることができる流体計測法です。流体に追従する粒子にレーザシートを照射し可視化、これをカメラで撮影しフレ...「PIVとは」続きを読む

衝撃波の可視化

衝撃波は、大気中で約340m/s、水中では約1500m/sで伝播します。シュリーレン法で観測しようとする場合、限られた観測空間内で衝撃波の輪郭を捉える必要があります。非常に高速で伝播する衝撃波を鮮明に捉えるには、高いフレームレートで撮影する必要があります。

ノズルからの衝撃波を可視化_ハイスピードカメラで撮影

大気中の衝撃波

フレームレートの目安:400000fps
撮影範囲:100mm
伝播速度:340m/sの場合

ろうそくの熱流体を可視化_シュリーレン法とは

シュリーレン法とは【技術コラム】

シュリーレン法とは、透明体の中に屈折率の異なる部分があるとき、光の進行方向の変化を利用してその部分が明確に見えるようにする光学的手法です。媒質中を伝播する衝撃波や超音波の進行状況、炎による気流の上昇...「シュリーレン法とは」続きを読む

カラーシュリーレンで衝撃波を可視化_衝撃波とは

衝撃波とは【技術コラム】

運動解析とは、人や物の特徴点ごとの座標値を算出し、動きが加わった時の変化量を算出する画像処理技術です。モーションキャプチャー、動作解析とも言われています。人の関節やロボットのノズルなど、計測したい対...「衝撃波とは」続きを読む

溶接の可視化

溶接の画像計測は、現象によって必要なフレームレートが大きく変わってきます。局所的な撮影が多いため、現象をはっきりと捉えるには、拡大して撮影しなければなりません。拡大撮影を行うと、画面内で被写体の速度が相対的に速くなります。そのため、画像計測を行うためには、ハイスピードカメラのフレームレートを高く設定する必要があります。

レーザー溶接のクリーニング_ハイスピードカメラで撮影

レーザー溶接の溶融池を可視化
フレームレートの目安:20000fps
撮影範囲:20mm 

CO2溶接のシールドガスを可視化

炭酸ガス溶接のシールドガス流れ
フレームレートの目安:5000fps
撮影範囲:100mm

溶接中の画像_溶接中のシールドガスを見える化

溶接中のシールドガス見える化【目的・用途別の可視化技術】

カトウ光研が提案するシールドガスの可視化技術は、強烈なアーク光を取り除き、シールドガスの効果を実際に観察することができます。これにより、ブローホールやスパッタの発生を最小限にする検証が可能です。シールドガスの可視化によって、ガスの最適な流量をダイレクトに確認できます...「溶接中のシールドガス見える化」詳細ページ

レーザー溶接中の画像_レーザー溶接の可視化

レーザー溶接の可視化【目的・用途別の可視化技術】

レーザー溶接の可視化とは、プラズマの発光を抑えて溶接中の状況を観察することを指します。レーザー溶接自体、クラス4の危険な作業エリアに区分され、立ち入ることができないため、溶接中のプロセスを目視で検証することは一般的に困難です。カトウ光研が提案するレーザー溶接の可視化では、溶接中のプロセスを...「レーザー溶接の可視化」詳細ページ

ハイスピードカメラ機種別の撮影事例

ハイスピードカメラ機種別に撮影事例とフレームレートの目安を紹介します。
※数値はあくまで目安です。事例に合わせてデモをお受けしております。お気軽にご相談ください。

ハイスピードカメラflux k-240

ハイスピードカメラflux_k-240_製品画像

1,000コマ:1,000fps~

ハイスピードカメラk9

ハイスピードカメララインk9本体

5,000コマ:5,000fps~

  • 自動車衝突試験
  • 落下試験
  • 昆虫の挙動
  • 切削加工
  • 着火・発火現象
  • PIV(秒速10m以下の現象) など

ハイスピードカメラk5

ハイスピードカメララインk5本体

1万コマ:10,000fps~

  • 燃焼・爆発
  • スポーツ(局所的な速い動き)
  • 溶接
  • レーザー加工
  • 金属加工
  • PIV(秒速20m以下の現象) など

ハイスピードカメラPhantom VEO series

ハイスピードカメラPhantomVEO_series

10万コマ:100,000fps~

  • 燃焼・爆発
  • 衝撃波
  • キャビテーション
  • 金属の破断(引張試験)
  • PIV(秒速100m以下の現象) など

ハイスピードカメラPhantom TMX series

ハイスピードカメラPhantom_TMX_sereis

100万コマ:1,000,000fps~

  • 放電現象
  • 金属破壊試験
  • デトネーション
  • 超音波
  • PIV(秒速200m以下の現象) など

ハイスピードカメラの感度(ISO感度)

ISO感度が高いと明るく撮影できる

カメラには”高感度”という言葉を耳にしますが、これはイメージセンサーがどのくらい光を受光しやすいかを示しています。一般的に「ISO感度」と評され、

  • ISO感度が高い = 明るい
  • ISO感度が低い = 暗い

という目安になります。

ISO感度が高ければ、その分明るく撮影ができます。ISO感度が高く、光を受光しやすいカメラは、シャッタースピードやフレームレートを高く設定することができて撮影の可能性が広がります。画像計測における感度は、ハイスピードカメラを選ぶ上で非常に重要な要素となります。

一方で感度が高すぎるとノイズが多くなる可能性も

ハイスピードカメラで撮影したPIVの粒子画像_ISO感度が高い

ISO感度が高い(明るい粒子画像)

※上図はPIVの粒子画像です

ハイスピードカメラで撮影したPIVの粒子画像_ISO感度が低い

ISO感度が低い(暗い粒子画像)

ISO感度が高いと画像にノイズが多くなる可能性があります。画像計測の場合、ノイズが増えることで計測の精度が悪くなり、正しい結果を算出できないことがあります。上図の場合では、右の暗い画像の方が正しく計測できる場合もあります。

ISO感度の種類

ISO感度には、種類があり大きく3種類に分類できます。

  • 基準感度:イメージセンサーが持つ固有のISO感度(ベース感度)
  • 常用感度:ノイズの量が許容できる範囲内のISO感度
  • 拡張感度:常用感度の範囲を超えたISO感度(無理やり明るさを引き上げた感度)

上記3種類のISO感度とは別に、デジタルカメラ用の定義として”推奨露光指数(REI)”と標準出力感度(SOS)”があります。標準出力感度(SOS)は、所定の条件で静止画を撮影した際、デジタル出力値を取得するために必要な入力露光量を求めて換算したものです。

※狭義的な定義として、タングステン光をセンサーに照らし、飽和状態に達するまでの時間から算出する”ISOsat”と呼ばれる手法もあります。

実際にはISO感度の数値だけでは明るさは比較できない

各メーカーが、ハイスピードカメラのスペックとしてHPに記載するISO感度は、それぞれ異なる基準・表記方法を採用しており、適正露出に対する考え方に違いがあります。そのため、一概に異なるメーカーでISO感度を比較することはできません。

  • A社 ISO感度 32000
  • B社 ISO感度 16000

一般的にISO感度32000のA社の方が、優れた受光感度を持っているハイスピードカメラと想像できますが、ISO感度16000表記のB社の方がノイズが少なく画像計測に適した撮影ができる場合があります。

画素数の違いによる感度への影響

画像計測における解像度(画素数)は、とても重要な要素となります。一般的に画素数が多ければ多いほど、空間分解能が高くなり、高精細な計測ができます。しかし、高解像度(画素数が多い)のカメラは画像計測にとって、ウィークポイントになる要素も備えています。

ハイスピードカメラの低画素素子のイラスト

低画素の素子(光を受ける面積が大きい)

ハイスピードカメラの高画素素子のイラスト

高画素の素子(光を受ける面積が小さい)

センサーサイズの大きさが同等で、画素数が違うカメラの場合、高解像度モデルの方が感度は低くなります。高画素カメラのイメージセンサーは一つ一つの受光素子が小さく、受け取る光の量も小さくなります。暗いところでの撮影に弱くなるため、ノイズが乗りやすく、かえって画質が悪くなる場合があります。

画素数にこだわり過ぎて、被写体が暗くて写らなければ画像計測どころではありません。加えて、画像計測はハイスピード撮影を行うことも多く、fps(フレームレート)を上げることでさらに画像が暗くなります。(一方で、建造物や風景、美術品など細部表現が重要な画像を撮影する時は、高画素カメラのメリットが発揮されます)

カトウ光研では、カメラの感度・適切な解像度などデモで確認をすることができます。どうすれば画像計測に最適な映像を得ることができるか?ノウハウまでしっかりとご案内いたします。ユーザーの方々には、事業所圏内やリモートであれば無償で常時ご案内させていただいております。

ハイスピードカメラのカラーとモノクロの違い

モノクロの方が明るく撮影できる

ハイスピードカメラは、カラーとモノクロの2種類のイメージセンサーがあります。カラーのカメラは、色情報の表現が多彩なため、人に情報を伝えやすく、現象を観察することを主目的とした映像資料・広告映像に適しています。また、色情報から画像解析を行う手法もあり、計測用途での使用も多く事例があります。

しかし、画像計測の分野ではモノクロのカメラが使用の大半を占めています。カラーカメラに比べて、受光感度が高く、低照度下(暗い環境)での撮影や、光量が必要な高速撮影に適しているためです。

カラー化されたデータは容量が3倍に

ハイスピードカメラのベイヤーフィルタのイラスト

一般的にカラータイプのイメージセンサーには、ベイヤーフィルタという三原色(RGB)のフィルタが受光素子の前に搭載されています。ベイヤーフィルタを通して受光したRGB情報を基に、ベイヤー変換処理をすることで1pixelでRGBが表現でき、画像をカラー化することができます(カラー化されたデータは、モノクロに比べてデータ容量は3倍になる

モノクロは光のロスが極めて少ない

カラー画像の画素は、RGB補完によって作られる画素です。フィルタを通すことから、直接的に素子に受光できるモノクロセンサーと比べて受光感度低く(暗くなる)なります。また、偽色を防ぐためにアンチエイリアシングによって詳細をぼかす処理がされていることが一般的で、結果的に空間分解能が低くなります。

一方、モノクロセンサーの場合、上記のようなベイヤー処理をすることなく受光素子にダイレクトに光が入ります。これは、光のロスが極めて少なく、明るく撮影ができるということになります。

色情報が必要な画像解析でなければ、モノクロセンサーを用いたハイスピードカメラを推奨しています。

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PIV Laser KLD series製品写真
PIV Laser KLD series

波長:638nm
赤色半導体レーザー

PIV Laser Fiber Spectra製品写真
PIV Laser Fiber Spectra

波長:520nm
緑色半導体レーザーファイバー仕様

PIVシステム2D2C製品写真
PIVシステム2D2C

2次元2成分PIVシステム

ステレオPIVシステム2D3C
ステレオPIVシステム2D3C

2次元3成分PIVシステム

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トレーサー粒子

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