デジカメ閑話 ７ ≪ＩＳＯ感度と暗ノイズ≫

デジカメは、画像の大きさや画質などと共に、撮影感度を設定することが出来ます。
フィルムカメラ用の標準的なフィルムの感度はISO100ですが、暗い所で撮影するために、高感度用としてISO400などのフィルムを使う場合があります。デジカメでフィルムに相当するものは撮像素子ですが、暗い所で撮影するために、撮像素子を高感度用に交換するということはありません。

デジカメで設定するISO感度の違いとは、撮像素子の信号出力の増幅度の違いです。ISO100のフィルムと同等の感度が得られる増幅度をISO100とし、その２倍の増幅度をISO200としています。
つまり、増幅度を大きくすれば、ISO感度は高くなり、暗い所(即ち、撮像素子への入射光量の少ない所)でも撮影できるようになるのです。
所が、撮像素子のような電気的な素子は必ずノイズを発生します。撮像素子への入射光量が少なければ出力信号が小さいですから、後の電気回路で信号を大きく増幅しなければなりませんが、同時にノイズも大きくなってしまいます。デジカメのISO感度を大きく設定することは、予め光量の少ない場所で撮影する場合などに備えて、回路の増幅度を高めておくことなのです。従って、ISO感度の値を大きく設定する場合は、ノイズが大きくなることを覚悟しなければなりません。

写真はKONIKA MINOLTA DiMAGE A2のISO感度をISO64からISO800まで変えて、レンズキャップを付けたまま、0.5秒間撮影(？)したものです。理想的には真っ黒くなって欲しいのですが、ノイズが現れています。但し、そのままで比較できるほどノイズが大きいわけではありませんので、Photoshop Elements 3.0の“レベル補正”の入力レベルの値を2.01（初期値1.0）にしてあります。この値は、露出の設定に失敗した相当に暗い画像を補正する場合などに稀に使うレベルです。従ってこの写真は、ノイズの絶対レベルを表すものではなく、ISO感度別のノイズの相対比較を目的としています。ISO400,800はノイズがかなり大きいことが分かりますが、ISO64,100でもよく見ると、何やらブロック状のパターンが見えます。これはここで述べたノイズとは違う現象だと思いますが、今の所私にはその正体は分かりません。
なお、シャッター速度は通常の撮影ではこの程度が最長と思われますし、このカメラは1秒未満ではカメラ内部のNoise Reduction機能は働きませんので、0.5秒に設定しました。

ノイズの点からは、デジカメのISO感度はなるべく小さくした方がノイズの少ない写真が撮れることは間違いありません。一方、感度を下げるとシャッター速度を遅くする必要がありますから、手ブレの危険が確実に増えます。手ブレを恐れて、常にISO感度を高くしておくことも、逆に、ノイズの少ない写真を撮るために、常にISO感度を低くしておくことも、どちらも決して良い方法とは言えません。通常の戸外撮影ではISO感度を低く設定しておき、手ブレの恐れがある場合だけ高くするのが望ましい方法と言えます。
フィルムカメラでは、周囲の状況に応じて、ショット毎に感度の違うフィルムを使い分けることなど、普通は出来ません。しかし、デジカメではそれが出来るわけですから、積極的にISO感度の設定を変えて、良い条件での撮影を心がけたいと思います。

デジカメにはAUTOモードがありますから、多くの場合、ISO感度も含めてAUTOのまま撮影する場合が多いと思います。大抵はそれで良いのですが、カメラによっては、光量が不足気味の場合に、シャッター速度を遅くしたり絞りを開いて光量を増やすよりも、安易にISO感度を高める機種があるようです。その場合、手ブレの危険は増えないので、一見良い写真が撮れるのですが、何となくざらついた写真になりかねません。撮影時にカメラの設定まで考慮する余裕がある場合は、マニュアルモードでISO感度を使い分けると良いと思います。

デジカメ閑話 （番外） ≪万華鏡 ≫

デジタル万華鏡(？)を作ってみました。
Photoshop Elements 3.0 を使い、正三角形または頂角４５度の２等辺三角形に切り抜いた画像から、回転したり反転したりして６枚または８枚の画像を作り、それらを合成したものです。
完全な正三角形や頂角４５度の２等辺三角形を作るのが難しいため、細部をよく見ると、完璧な鏡像にはなっていない部分があります。
素材は全て花です。
いずれ、もう少し面白いものに挑戦してみますが、結構根気が必要です。　　

デジカメ閑話 ６ ≪JPEGの画質≫

　デジカメ画像の保存形式は、事実上JPEG形式が標準になっています。大部分のデジカメでは、撮影した画像をJPEGで保存しています。JPEG以外に、TIFFやRAW形式もありますが、特に高画質を目的とする場合以外は使われません。

　カメラ内の記憶メディアにある画像を、そのままパソコンにコピーするだけなら、画質は劣化しません。しかし、画像の回転・リサイズ・色調の修整などの画像処理を行った後でパソコンに保存するときは、JPEGの保存設定には十分な注意が必要です。JPEGで圧縮保存すれば、画質は必ず劣化しますし、圧縮保存した画像を元に戻すことはできません（不可逆圧縮）。

　画像処理ソフトはJPEGの圧縮率を設定できるようになっています。圧縮率が小さいほど画質は劣化しませんが、ファイルサイズも小さくなりません。そして、圧縮率の設定と画質やファイルサイズの関係は一様ではなく、風景や人物といった被写体の状況によっても異なります。従って、許容される画像のサイズやファイルサイズと、保存後の画質を確認しながら、JPEGの設定を慎重に行う必要があります。

　左の写真は、大きな画像の一部を切り取り、JPEG保存による画質の変化が分かり易いように色調を極端にした上で、JPEGの画質レベル１００（最高画質）で保存したものです。中央の写真は、左の画像を、画質レベル８０で保存し、更にその画像をまたレベル８０で上書保存することを４回繰返したものです。４回上書保存したにしては、画質の劣化は比較的小さいのですが、画像の輪郭付近にモスキートノイズと呼ばれるモヤモヤしたノイズが見られます。
　右の写真は、左の画像を９０回転した後、画質レベル８０で保存、その画像を更に９０度回転して、レベル８０で上書保存することを４回繰返したものです。モスキートノイズが大きく、画質は明らかに中央の写真より劣化しています。画像を４回も回転することは、普通はありませんが、９０度回転することはよくあることです。小さな写真では分かりにくいので、掲載していませんが、１回回転して保存するだけでも、画質の劣化は明らかですし、保存を繰返すたびに劣化の度合いが大きくなっています。
　
　ある画質レベルで保存した画像を、そのまま同じレベルで上書保存を繰返しても、画質がどんどん劣化することはありませんが、何らかの画像処理を行って保存する場合は、必ず画質は劣化するものと考えなければなりません。従って、リサイズや色調修整、フィルター処理などの画像処理を行う場合は、必要な処理をまとめて行い、なるべく高画質レベルで、かつ１回で保存することを心がけるべきです。
　なお、保存レベル８０は通常の画像の保存に私がよく使うレベルですが、今回の結果を見て、今後はもう少しレベルを上げようと思っています。

デジカメ閑話 ５ ≪画像サイズと画質≫

　デジカメは、撮影前に画像サイズ（画素数）と撮影画質を設定しますが、どちらもファイルサイズと画質に影響があります。画質に与える影響はどちらが大きいか？　例えば記憶メディアの容量が小さく、ファイルサイズを小さくせざるを得ない場合、画質の点からはどちらの設定を落とすのが無難か、これが今回のテーマです。

　左の写真は、新一万円札の左側の一部分を写したものです。中央の写真は、30万画素・画質STANDARD（最低）で、また右の写真は、800万画素・画質EXTRA FINE（最高）で、それぞれ撮影した元の写真から、左の写真の赤丸付近を切り抜いて拡大したものです。これは、私のカメラでJPEGで保存する画像としては、最低と最高の画質の画像を並べたことになります。（この他にTIFF画像がありますが、省略します）　中央の写真の元画像のファイルサイズは、270KB、右の写真の元画像のファイルサイズは5.81MBです。即ち、中央は右の1/20以下のファイルサイズです。最近では100万画素以下で撮影することは少ないと思いますが、小さな写真でも特徴が分かるように、敢えて極端な比較をしたものです。写真が小さくて分かり難いのですが、30万画素・STDの写真には被写体の周辺にモヤモヤしたノイズ（モスキートノイズ、ブロックノイズ）と、“偽色”が発生しているのが分かります。

　普通のスナップ撮影では、通常 2～500万画素程度で撮影されることが多いと思われますが、このくらいの画素数であれば、撮影画質がSTANDARDであっても、Ｌ判程度のプリントでは差異は殆ど分かりません。しかし、当然ながら、詳細に比較すればやはり差はあります。そこで、画素数が小さくて撮影画質が高い場合と、画素数が大きくて撮影画質が低い場合について、出来た画像の画質を比較してみました。小さな写真では差異を明確に提示できませんので、結果だけを述べます。
　左の一万円札を、190万画素・画質EXTRA FINEで撮影した場合のファイルサイズは 1.83MB、320万画素・画質STANDARD で撮影した場合のファイルサイズは 1.13MBでした。後者のファイルサイズは、前者の約62％です。両者を拡大して画質を比較したところ、ファイルサイズが小さいにもかかわらず、後者の方が高画質でした。同様のことを320万画素・STANDARD・2.68MBと、800万画素・EXTRA FINE・2.26MBでも比較してみました。後者のファイルサイズは、前者の約84％です。この場合は、画質の差は殆どなく、強いて言えばやはり後者の方がやや高画質か？、という程度の違いでした。
　
　画像のファイルサイズが大きい程、撮影可能枚数が減りますから、記憶メディアの容量に余裕がない場合は、画像サイズ（画素数）を小さくするか、撮影画質を落とすかの選択を迫られます。その場合、画像サイズを小さくするより、撮影画質を落とす方が良い、というのが今日の結論です。この結論は、あくまでも私のカメラによって、やや特殊な被写体を写したテストの結果ですが、手許にある本にも、あるカメラによるテストの結果として同じ結論が載っています。
　撮影画質は、撮影後に記憶メディアに保存する際のJPEGの圧縮率の差によるものです。カメラで設定するJPEGの“最低”と“最高”の画質の差はさ程大きくないようです。それに対し、画素数は直接画像の解像度に関係しますから、画素数の方が画質に与える影響が大きい、という結論は妥当なものだと思っています。また、後で行うトリミングのことを考えても、画像サイズの大きい方が有利と言うことが出来ます。

　今回とは別のテストですが、同じ画像サイズで保存する場合、初めからそのサイズで撮影する場合と、大きく撮影してから小さくリサイズした画像を比較すると、やはり大きいサイズで撮影した画像の方が高画質という結果が得られました。この場合も、画質の差もさることながら、後で行うトリミングの自由度が大きいことの方が、大画像サイズによる撮影のメリット、と言えると思います。
　但し、撮影時のファイルサイズが大きいので、撮影枚数が減る、という問題はあります。

デジカメ閑話 ４ ≪デジカメは紫色が苦手≫

　デジカメで紫色の花を撮影したとき、実物との色の違いに戸惑ったことはありませんか？
　デジカメの撮影では、カメラのホワイトバランス（WB）の設定が重要です。WBの設定がAUTOで自然な色が撮影できれば良いのですが、AUTOでは全体が赤みを帯びたり、青っぽくなったりして、不自然さを感じることがあります。その場合は、撮影のときにカメラのWBの設定を変えて正しい色に近づけるのが理想ですが、カメラのモニター画面は小さいですし、周囲が明るい場合などは、色の具合まで注意を払うのはなかなか難しいのが現実です。実際は撮影後にパソコンのモニターを見ながら、「カラーバランス」などで色の不自然さを修整するのが普通のやり方だと思います。これで全体が自然な色に修整できれば良いのですが、紫色の被写体だけが不自然になったり、逆に紫色の被写体に合わせて修整すると、他の色が不自然になる、ということがあります。その理由を考えてみようというのが今日の趣旨です。

　前回書きましたように、デジカメは、色を赤（R）、緑（G）、青（B）の３原色に分解して記憶します。（補色による方法もありますが省略します）　人間は被写体から反射される光で色を感じています。色は光の波長によって変わり、赤色は波長の長い光、青色は波長の短い光、緑色は中間の波長の光です。このように、色は光の波長によって決まります。しかし、人間は波長の異なる２つ以上の光が目に入った場合も、その割合に応じた色を感じます。デジカメのセンサーも同様です。例えば黄色の光がセンサーに入射した場合、ＲとＧのフィルターが付いている素子が反応し、色を記憶します。黄緑色の場合はＧの方が強く、橙色の場合はＲの方が強く反応します。黄色の波長は580nm前後ですが、例え単波長の黄色であっても、カメラのセンサーはＲとＧの２色の光として黄色を記憶します。人間の目は、単波長の黄色と複数の光が混じった黄色の区別は出来ません。

　青色に赤色を混ぜると紫色になることはよく知られています。印刷物などの紫色はこうして作られているそうです。しかし、単波長の紫色の光の波長は400nm前後ですから、青色光の波長480nm前後より波長が短いのです。そのため、400nmの紫色光が入射すると、Ｂの素子はある程度反応しますが、ＧやＲの素子は反応域を外れるため殆ど反応しません。従って、弱い青色なのか、紫色なのかの区別ができないことになります。ですから、被写体の紫色が青色と赤色が混じった紫色であればデジカメも正しく認識できるのですが、もしそれが波長400nm前後の単色光による紫色であると、デジカメでは弱い青色としか認識しませんから、その紫色は再現できないことになるのです。
　自然界の花などに、どの程度単波長の紫色が含まれているのか知りませんが、理論上はデジカメでは再現できない紫色があることになります。デジカメが紫色を苦手にしていることは確かなようで、紫色の被写体を撮影し、機種による発色の違いを比較・評価したカメラ雑誌の記事を見たことがあります。勿論、カメラメーカーは色々と工夫を凝らして自然な紫色を再現すべく努力していると思います。ソニーは、ＲＧＢの他にメラルド（Ｅ）フィルターを備えたデジカメを販売していますが、これも紫色対策かもしれません。

　カメラを購入するときに、紫色の比較をすることもできなくはありませんが、現実にはほぼ不可能でしょう。買った後にできることは、撮影時にホワイトバランスの設定を注意深く行い、後の画像処理におけるカラー調整の必要度をなるべく少なくすることくらいしかないように思います。でも、これは紫色に限ったことではありません。

デジカメ閑話 ３ ≪カラーイメージセンサーの原理≫

　デジカメに使われるイメージセンサーの多くはＣＣＤまたはＣＭＯＳですが、これらの素子自体は光の強さに応じた電気信号を発生するだけで、色の区別は出来ません。即ち、このセンサーからはモノクロの画像しか得られません。

　色はＲ(赤)，Ｇ(緑)，Ｂ(青)の３つの要素に分解することが出来ます。そこで素子アレイ（素子の集合体）の前に写真左上のようなＲＧＢフィルターアレイを配置すれば、それぞれの素子から、各色フィルターを通る光の強さに応じた信号が得られます。
　しかし、これでは、例えば赤色のフィルターが配置された素子からは赤色の信号は得られますが、緑と青の信号は得られません。従ってこのままでは、解像度の著しく悪い画像しか得られません。これを解決する方法としては、３分割した光線に、それぞれＲＧＢを受け持つ３個の素子アレイを配置し、各アレイから位置毎のＲＧＢ信号を得、これを合成してカラー画像を作る「３板式」という方法がありますが、高価かつ大型になりますから、民生用のデジカメには使われません。

　これに対し、デジカメに使われる「単板式」と言われる方法は、１個のセンサーアレイからカラー画像を得る方法です。単板式では、写真左上のようなＲＧＢフィルターアレイがセンサーの前に配置されています。前述のように、これでは各素子からはＲＧＢの内、何れか１つの信号しか得られません。例えば、拡大図の中心にあるＧの素子からは緑の信号しか得られません。しかし、この素子にはＲとＢの光成分も入射しており、ＲＧＢの比率に応じた色を作っています。そこで、この素子の周辺にある複数のＲ部分の信号を用いて、このＧ部分に本来ある筈のＲの信号量を演算します。同様に、この素子の周辺にある複数のＢ部分の信号を用いて、このＧ部分に本来ある筈のＢの信号量を演算します。こうして得られた２つの演算信号と、この素子から直接得られたＧの信号とを合成すれば、この部分の正しい色を得ることができます。全ての素子において、自身の信号量と、周辺の素子から算出した他の２成分の信号量を合成すれば、全ての素子部分の色を作り出すことが出来、カラー画像を得ることができます。これを「補間処理」と言い、画像処理の基本ですが、実際の演算方法は、カメラメーカーのノウハウに属する部分だと思われます。

　この方法は、民生用のデジカメにおいては、十分に実用的な方法ですが、例えば、被写体の色の変化が極端な部分においては、色変化の境界付近に、本来は無い色を作り出してしまうことがあります。これを「偽色」と言い、撮影条件によってはかなり気になる場合があります。また、素子が規則的に配置されているため、被写体によっては「モアレ」という縞模様を生じる場合があります。偽色やモアレは、撮影画素数が少ないほど生じ易くなりますが、写真を拡大しなければ分からない場合が殆どです。特に画質を気にする場合は、一応これらも考慮して画像サイズを決めると良いと思います。但し、偽色はJPEG処理においても発生しますので、これについては後日取り上げるつもりです。

　昨年春ころから、米国のFOVEON社が開発した新方式のイメージセンサーを用いたデジカメが現れてきました。これは、写真の２に示すように、３層の素子に光が入射したとき、光の波長、即ちＲＧＢによってシリコン内部への到達距離が異なることを利用するもので、理論上は個々の素子からＲＧＢの信号を得ることが出来ます。つまり、３板式と同様に、補間処理によらずに色を得ることが出来るわけです。
　この方法の実力については、まだ情報を持っておりません。ただ、原理的には、銀塩フィルムの発色原理と同じという話もありますので、ひょっとする革命的なことなのかも知れません。既にこの方式のセンサーを搭載したカメラが日本のシグマ社から販売されていますし、ポラロイド社も３月末に発売するようですから、いずれ色々な情報が得られると思います。