カメラテクノロジー

by Diede de Jager

PhenoVation社のスタンドアローン型カメラシステムの多くは、植物を傷つけることなく（非破壊で）そのパフォーマンスに関する詳細な知見を得るために、植物研究の現場で使用されています。最も一般的な測定は、光合成効率の測定です。クロロフィル含有量や形態的特徴など、他の測定項目と組み合わせることで、これらのパラメーターは一筋縄ではいかない研究上の疑問を解決する手がかりとなります。

「PlantExplorer XS」「PRO」「MAX」システムには、専用の測定チャンバー（暗室）が備わっています。これにより、外部要因からの影響を最小限に抑え、クロロフィル蛍光測定に不可欠な「適切な暗順応」を行うことができます。

対照的に、「PRO FIELD」などのシステムは開放された環境で動作します。PRO FIELDは、大規模な圃場（ほじょう）実験用のガントリーシステム（門型クレーン状の移動装置）に組み込まれることが多く、カメラが植物の上を移動しながら、広大な栽培エリア全体のデータをキャプチャします（下の6枚の画像を参照）。

では、優れた画像とは何でしょうか？

植物研究における「画像の質」は、単なる見た目の美しさ（見栄え）に留まりません。画像のクオリティは、単にピントが合っているか（鮮明さ）だけでなく、信号対雑音比（S/N比）、ダイナミックレンジ、および光学的な正確さといった要素によって決まります。それは、光、センサーの性能、転じてシステムの光学設計のバランスによって成り立つものです。

画像のクオリティは、信号の信頼性、生物学的な解釈、精度、および最終的にデータから導き出される結論に直接的な影響を与えます。

PhenoVationのシステムについてさらに深く掘り下げていきます。カメラテクノロジーの基礎を網羅し、各システムにおけるカメラ仕様の主な違いを説明した上で、測定に向けたシステムのセットアップ方法について解説します。

カメラセンサー

当然のことながら、画像を撮影するにはカメラとレンズが必要です。

カメラの内部には、光（光子：フォトン）を捉えてデジタル画像を演算・生成する役割を持つ「センサー」が入っています。

センサーはフレーム内の画素数（ピクセル数）を決定しますが、これだけで画質が決まるわけではありません。これは写真の世界において、よくある誤解の一つです。

分かりやすい例を挙げると、現代のスマートフォンは、サムスンの最新のGalaxyモデルに見られる「200メガピクセル（2億画素）センサー」のように、極めて高い画素数を謳ってマーケティングされることがよくあります。しかし、12〜24メガピクセル（1200万〜2400万画素）のデジタル一眼レフカメラやミラーレスカメラで撮影した画像の方が、画質の面ではるかに優れています。

なぜそのようなことが起こるのでしょうか？

最大の理由は「センサーのサイズ」にあります。一眼レフやミラーレスカメラは、スマートフォン（約70mm²）よりもはるかに大きなセンサー（約864 mm²）を搭載しており、その表面積は12倍以上にもなります。

そのため、画素数が少なくても、1画素あたりのサイズが大幅に大きくなります。画素が大きければ大きいほど、1回の露光でより多くの光子を捉えることができます。光子が増えるということは、それだけ「信号（シグナル）」が増えることを意味し、信号が増えれば信号対雑音比（S/N比）が向上します。さらに、ダイナミックレンジも広がります。

後者のダイナミックレンジは、PlantExplorerシステムでキャプチャする画像において極めて重要です。なぜなら、ダイナミックレンジとは「弱い信号と強い信号を同時に処理する能力」のことだからです。光合成効率などを評価するために、最小クロロフィル蛍光と最大クロロフィル蛍光（PAMやOJIPに関するブログを参照）を測定する必要がありますが、これには広いダイナミックレンジが不可欠です。最小蛍光は、発生する蛍光全体のほんのわずかな割合（微弱な光）にすぎないためです。

PlantExplorerシステムはすべて同じカメラセンサーを搭載しています（高速カメラを必要とするCF2GOを除きます）。各PlantExplorerシステムの解像度をまとめた表を以下に示します。

システム名	解像度 (Mp)	フレームレート (fps)*	撮影エリア (cm²)
PlantExplorer XS	5	30	18x18
PlantExplorer PRO	12.3	30	50x50
PlantExplorer PRO FIELD	12.3	30	50x50
PlantExplorer MAX	12.3	30	72x72
PlantExplorer MAX FIELD	12.3	30	80x80
CF2GO	0.02	671	10x7**

* 720x500ピクセルの解像度で完全なOJIP画像を測定できる、高フレームレートの高速カメラもPlantExplorerシステムに搭載可能です。このフレームレートでは撮影エリアが減少します。
** この撮影エリアはレンズから60cm離れた場所で測定された値です。

レンズ

センサーに加えて、光をカメラに導き、焦点を合わせるためのレンズが必要です。レンズの品質は、どれだけの光がカメラのセンサーに届くか、そしてその光がいかに正確に投影されるかを決定する上で大きな役割を果たします。レンズは、画像の見え方（画角）、鮮明さ（シャープネス）、歪み、および被写界深度をコントロールします。

各PlantExplorerシステムでは、カメラにさまざまなレンズを装着して使用できます（下の表を参照）。これらのレンズはすべて、カメラに備わっている同じ「Cマウント」に適合します。レンズ間の主な違いは焦点距離です。

焦点距離	PlantExplorer PROでの画角 (cm²)	空間解像度 (µm/pixel)
12 mm	50 x 50	185
16 mm	50 x 47	146
25 mm	37 x 27	88
35 mm	28 x 20	68
50 mm	18 x 13	46
75 mm	5.5 x 4	13

焦点距離（通常はmmで表示）とは、光学ガラス（レンズの中心）から、すべての光線がカメラのセンサー上で交わる点までの距離を指します。しかし、現代のレンズテクノロジーにおいては、光が多くの異なる光学ガラスを透過するため、これが単にレンズの物理的な長さを意味するわけではありません。焦点距離は画像に大きな影響を与え、画角と倍率をコントロールします。

研究に必要な詳細度に応じて、適切な焦点距離を選択することが重要です。

• 低い倍率（例: 12 mm, 16 mm, 25 mm）： より広いエリアを撮影できるため、作物全体の均一性の視覚化や、キャノピーの初期ストレスの検出に適しています。
• 高い倍率（例: 50 mm, 75 mm）： エリアは狭くなりますが、より詳細な撮影が可能です。たとえば、害虫や病気による葉のストレスパターンの特定に役立ちます。

レンズは、開口部（絞り）を通過する光の量もコントロールします。絞りはf値（例: f/1.8、f/8）で示されます。f値が小さいほど開口部が大きく光が多くなり、f値が大きいほど開口部が小さく光が少なくなります。

この絞りの開口度は、被写界深度（画像内でピントが合ってシャープに見える距離の範囲）もコントロールします。大きな開口部（f/1.8）は被写界深度を浅くし（背景がボケる）、小さな開口部（f/8、f/11、f/16）は手前と背景の両方をシャープに保ちます。これは光の量とシャープネスのバランスです。

植物のイメージングにおいては、植物全体にピントを合わせる必要がありますが、広大な風景画のような大距離を撮影する必要はないため、少し低めのf値を選択できます。そのため、PlantExplorerシステムでは「f/4.0」を採用しています。この数値は、植物の画像全体がシャープかつ均一になり、レンズの最大光学性能（歪みや周辺減光が最も少ない状態）を発揮できるバランスとなっています。

同じセンサー、異なる解像度

すべてのPlantExplorerシステムは同じカメラセンサーを使用しています。しかし、最初の表でPlantExplorer XSの画素数が物理的に少ないことに気づかれたかもしれません。なぜでしょうか？

それは測定チャンバー（暗室）のサイズに関係しています。PlantExplorer XSのチャンバーは比較的コンパクトであるため、システムには8mmのレンズが使用されています。この短い焦点距離により、チャンバー内の限られた高さの中でも、背の高い植物に適切に焦点を合わせることができます。しかし、そのトレードオフとして、8mmレンズは画角が広いため、必要以上のエリア（チャンバーの壁など）まで撮影してしまいます。

では、なぜもっと画角の狭いレンズを使わないのでしょうか？それは被写界深度によるものです。焦点距離の長いレンズを使用すると、植物全体にピントを合わせるためにより長いワーキングディスタンス（作動距離）が必要になりますが、コンパクトな測定チャンバー内にはその物理スペースがありません。多くのイメージング設定と同様に、これも画角、被写界深度、および物理スペースバランスによる結果です。

この理由から、PlantExplorer XSのデフォルト構成では8mmレンズが使用され、最終的な画像からチャンバーの壁を除外するために、センサーの撮影領域を正方形にクロップ（切り抜き）しています。センサーをクロップするため、結果として画素数が減少します。

モノクロ画素 vs カラー画素

PlantExplorerイメージングシステムは、独立したフルフレームのモノクロ画像をキャプチャしてカラー画像を構築するため、信号値のピクセル単位での正確性が得られます。これは、一般的なRGBカメラとは異なります。どのように違うのでしょうか？

本質的に、すべてのカメラセンサーは色盲（つまりモノクロ）であり、光の強度（輝度）しか測定できません。カラー画像は、入射する光の分光バンド（波長帯）を分離することによって作成されます。これは、特殊なフィルターの使用、複数のセンサーの使用、または検出層を積層することによって行われます。

今日、ほとんどすべての現代的なデジタル（RGB）カメラは「ワンショットカメラ」であり、1回の露光でカラー画像をキャプチャします。しかし、これは見た目ほど単純ではありません。なぜなら、各ピクセルは赤、緑、青のいずれか1つの色しかキャプチャできないからです。しかし、フルカラー画像には3色すべてが必要です。

そのため、ほとんどのカメラはカラーフィルターアレイとして「ベイヤーフィルター」を使用しており、各ピクセルは1つのカラーチャンネルのみをキャプチャします。通常、このパターンは緑50％、赤25％、青25％で構成されています。これは、緑が最も高い量子効率を持ち、人間の目が緑に対して最も敏感であるためです。

完全なRGB画像を再構築するために、これらのカメラは「デベイヤー処理」などの数学的な画像処理技術に依存しています。これは、アルゴリズムを使用して、周囲のピクセルに基づいて各ピクセルの欠落している色情報を推定（補間）する技術です。

しかし、測定する代わりに値を「推定」するため、画像のカラー解像度と真の色彩正確性が低下します（すなわち、補間による計算エラーが増えます）（下の表を参照）。

PhenoVationのカメラや、その他のハイエンドイメージングシステムでは、複数のフィルターを使用することで、ピクセル単位で正確な独立した赤、緑、青の画像をキャプチャします。このために「フィルターホイール」が使用され、フレームごとに異なるフィルターへ回転させることで、別の分光バンドをキャプチャします。

それぞれの分光バンドにおいて、すべてのピクセルがその特定的波長帯で正確な量の信号を出力します。これらの独立した画像が重ね合わされ、真のピクセル対ピクセルの一致を持つRGB画像が作成されます。各ピクセルに実際の測定情報が含まれているため、光に対する感度も向上します。これにより、より信頼性の高い定量測定が可能になり、これは微妙なスペクトルの違いを捉える上で特に重要です。

イメージングにおいて、あらゆるアプローチにはトレードオフが存在します。下の表は、標準的なRGBカメラと、独立チャンネル型イメージングシステムの違いを比較したものです。

カラーピクセル（デベイヤー処理）	モノクロ ＋ 独立フィルター
光に対する感度が低い	高い光感度
解像度が低い	より鮮明な画像と高いコントラスト
より多くの後処理が必要	より広い分光感度
画像処理が低速	フィルターホイール使用時：画像キャプチャに時間を要する
スペクトル情報（推定）	被写体の動きによるピクセルズレの可能性

ピクセルビニング

PlantExplorerシステムは、ふたつのセンサー設定を提供しています：1×1 と 2×2。これがピクセルビニングです。

ピクセルビニングは、必要に応じて信号の出力を向上させるために使用できる技術です。しかし、そのトレードオフとして解像度低下を招きます。1x1のビニング設定は、標準の最高解像度である12.3 Mp（PlantExplorer XSでは5 Mp）を提供します。ビニングオプションを2x2に設定すると、解像度は3 Mp（XSでは1.3 Mp）に低下します。カメラの内部では何が起きているのでしょうか？

2×2 ピクセルビニングでは、隣接する4つのピクセルが1つのピクセルとして結合されます（下の画像を参照）。これら4つのピクセルからの信号が合算されるため、全体的な信号が強くなり、結果として信号対雑音比（S/N比）が向上します。トレードオフは、画像を構築するために使用されるピクセル数が減るため、空間解像度が低くなることです。

ピクセルビニングは、蛍光信号が弱い植物を扱う場合に特に有用で、最大の解像度を達成することよりも信号強度を高めることの方が重要な場合に役立ちます。実際には、画像全体の品質への影響は最小限に抑えられることが多いです。良い例が下の2つの画像です。最大蛍光（Fm）画像は、一見するとほぼ同一に見えます。ズームインしたときに初めて、信号の増加と空間解像度低下のトレードオフが目立つようになります。

フォーカシング（焦点合わせ）

PlantExplorer PRO以降のモデルでは、画像のフォーカスは、コントローラーソフトウェアを通じてモーター駆動のフォーカシングシステムで行われます。

対照的に、PlantExplorer XSはレンズに配置された手動のフォーカスホイールを使用します。

コントローラーソフトウェアで「Live On」オプションを有効にすると、植物のライブ映像を見ながら、正しい距離に手動で焦点を合わせることができます。ただし、クロロフィル蛍光を測定したい「暗順応させた植物」に対しては、これを行ってはいけません。ライブビューには光の照射が必要であり、それによって植物の暗順応状態が乱されてしまうためです。

システムに最適なレンズを選び、必要なピクセルビニングを設定し、植物に焦点を合わせたら、画質や一貫性に制限されることなく、確信を持って測定を開始することができます。