ダイナミックレンジなら、デジタルでしょ
HDRIを楽しみましょ
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概要
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私は、デジタルになってからカメラを楽しむようになりました。アナログ…もとい、フィルムカメラは、私には興味がありませんでした。なぜなら、運用コストが高くて、毎日50〜100枚撮る私には無理です…それに、撮った後、人に現像を頼むなんて…(^^;
とはいえ、フィルムの良さもわからない訳ではありません…それでも、私は、やる気がないだけで…。
ただ、気になる話題として、フィルムの良さっていうのが、ずいぶんと誤解されていることがあります。
たとえば、フィルムの方がダイナミックレンジが広いとか･･･うーん、特性がちゃんとしている範囲でいえば、そんなに違わないのですけど、デジタルはサチリ方があからさまなだけです。
実は、ダイナミックレンジの話題でしたら、アナログよりもデジタルの方が、解決策があります…広いダイナミックレンジでのイメージの取り扱いを HDRI / High Dynamic Range Imaging / 高ダイナミックレンジイメージといいます。理由は知りませんけど、日本ではまだあまり知られていない、HDRIをご紹介します…とはいえ、私も最近始めたばかりですので、あまり完成版では書けないので、のんびりと、書き足しながら、ご紹介します。
私の本職はコンピューター屋さんです…で、観点が違うみたいで、HDRIの技術と理論には、部分的には、ちょっと違ってないかな…と思う点も感じているのですが、そのあたりもそのまま書かせていただきます。
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2008/10/15,20
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カメラを楽しんでいる人からよく聞く話題に、デジタルはダイナミックレンジがフィルムよりも低い…という話題があります。この話題、実は、あまり当たっていません。
確かに、なんとなく撮れる範囲でも撮れているというならば(フィルムの場合は特性がリニアな範囲が狭いので条件付きの話題です)事実なんですけど、実のところ、フィルムだってダイナミックレンジは、人の視力と比べると、とても狭いんです。ですから、そんな話題は、写真に限れば…という話題を離れて、実際の人の視力を基本に考えれば「ドングリの背比べ」みたいなものです。
人間の視力や聴力というものは、実にすばらしくて、私たちが開発したどのような記録技術でも、まだその能力に追いつけていません。ダイナミックレンジに限った話題ですら追いつけていないんです。
視力におけるダイナミックレンジとは、最も暗い所と、明るいところで識別できる範囲です。
写真をやられている方でしたら、フラッシュのような補助光源を使用しないと、室内と室外を一緒に撮ると、室外に合わせると室内が暗く撮れてしまい、室内に合わせれば、室外が真っ白に撮れてしまうことを、ご存じだと思います。しかし、人の目では、両方ともよく見えるのです。このことで、ダイナミックレンジの取り扱いの違いのイメージが、おわかりだと思います。
以下の写真のように、屋外を無理やり明るめにしても、室内は暗くにしか撮れません…室外普通に見える通りの明るさにすると、室内は真っ暗になってしまいます。
これが、太陽をそのまま撮ってしまうと、太陽を見た感じに合わせてしまうと、他のものは真っ暗にしか撮れません…(^^;
ですから、真っ赤な太陽を、真っ白な太陽に撮影して、なんとか空を赤くして…(^^;…他のものは黒抜きの絵として撮ります…これって、見ているものと全く違うんですよね。
太陽を真っ白にするという妥協で、やっとこんな絵です
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このような、見ている通りには、とても撮影出来ないという事情は、フィルム時代からデジタル時代になった今まで、カメラ単体の写真の話題としては、変わりません。
この問題の根本的な原因は、視力のダイナミックレンジに、私たちの撮影機器、表示機器、印刷/プリントが追い付けないからです。対応できていれば、そのまま撮影して、同じように見ることができるわけです。
私たちの視力は、周囲の明るさに対応して光彩の広さを変えて見ることがてきます。そこまで話題に入れてしまうと、とても広大なダイナミックレンジになりますが、瞬間的に一度に見ることができる範囲は、1:10000 / 14EV程度と言われています。光彩の機能を含めてトータルに考えると、1:1000000000/30EV程度ではないかとも言われています。
ダイナミックレンジの違いは、シチュエーション/状況に応じて、以下のようなものです。
シチュエーション/状況
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ダイナミックレンジ
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自然
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快晴時のアウトドア
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1:100000
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17EV
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人
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短時間
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1:10000
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14EV
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比較的長時間
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1:1000000
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20EV
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撮像媒体
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ネガティブ・フィルム(ネガ)
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1:256〜8000
(1:256を超えると怪しい)
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8〜13EV
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スライドフィルム(ポジ)
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1:64
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6EV
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CCD/CMOS(フォトダイオード)
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1:256〜2000
(1:256を超えると怪しい)
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8〜11EV
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表示媒体
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印刷
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1:64
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6EV
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高品位プリント
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1:200
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7.6EV
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液晶パネル
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1:1000
(装置としては1:256/8EVが多い)
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10EV
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このようにしてみると、人の目は自然な状態の光景にそのまま対応できますが、写真撮影も表示も、とてもではありませんが、自然な有様のままには、ダイナミックレンジが対応できないことがお分かり頂けると思います。
この地球で、生物に「眼」が誕生してから、より５億年、私たちの眼は、日中から夜間の情報をそのまま取り扱えるように進化している訳ですね。
ここで誤解ないように説明を加えますが、この話題は光のダイナミックレンジの話題であり、カメラのビット解像度とかの話題ではありません。混同されないように、ご注意ください。
たとえば、デジタルカメラは、データフォーマットの観点では、Jpegで撮影していると8ビット…8EVに相当する解像度です。ここでの話題は、そうした解像度のことではなく、フォトダイオード…つまりCCDやCMOSが光子/電子の変換を行う素子の能力の話題であり、そのダイナミックレンジが示した程度の幅しかない…ということです。ですから、8ビットがrawで22ビット(噴飯ものの宣伝仕様ですけど)でも、同じです。
フォトダイオードのダイナミックレンジは、フォトダイオードのサイズにより決まります。ここでも説明が必要ですが、フォトダイオードのサイズとは、ピクセルサイズとは違います。ピクセルサイズは、面積における1素子あたりのものですが、1ピクセルにはいろいろな回路なども焼き付けられているので、CMOSなどはかなり小さくなり、ピクセルあたりの30%程度のサイズしかフォトダイオードに割り当てられません。その面積だけではなく、深さを含めた「体積」が「フォトダイオードのサイズ」にほぼ等価です。蓄積できる電子量が決まるからです。
一般的にCCDの方がCMOSよりもフォトダイオードを(面積を)広く作ることができますが(電子回路がほとんどないからです)、物理的なフォトダイオードのサイズがそのダイナミックレンジを決めており、現代の技術では、だいたいノイズレベルから考えると60〜67dbくらい、つまり1:1000〜2000くらいが限度です。ですからrawデータが16ビットとか、DA変換が噴飯ものの22ビットの解像度(発生できる電子数から考えて、意味が無さ過ぎ)…言っても、もともとこの程度の信号を、そうした解像度で分解しているだけであり、実のところ、あまり意味がありません…技術的には、マーケティングトーク、つまり、ごまかしです。
表示パネルも、最近は明暗比測定不能なものも開発されていますが、それは特定の黒の信号/つまり無信時との比較の話題であり、明るさには限度があります。ノイズフロアから測定ではなく、人の感知する最低レベルからの測定としてみれば、実際の階調度としてその性能は10bit程度であり、それほど広範囲ではありません。つまり、せいぜい10EV程度のダイナミックレンジに過ぎません。
また、実際のところ、デジタルインタフェースのデータ形式の関係で、8bitの階調度しかないので、表現できるのは1:256…つまり、8EVとなります。ただし、専用のインタフェースを使用したディスプレイであれば、1:1024/10EVのダイナミックレンジの製品があります。医療なんかでよく使用されています。
見ていて面白いのは、評判がいいけど撮影が難しいと言われているポジフィルムのダイナミックレンジが、デジカメよりも狭いことでしょうか…(^^;
このように、ダイナミックレンジは、人の視力や自然そのものよりも、カメラや表示装置/媒体の方が狭いので、写真撮影にはそれを乗り越えるための撮影技術やノウハウが必要でした。
典型的なのが、フィルムカメラの時代に発達した、照明の技術です。
照明の技術とは、現代式にその意義を説明すれば、暗い部分に明かりを当てることにより、ダイナミックレンジを狭めて、撮影した結果の情報量が多くするための技術です…照明を行わないと、以下のような写真になります。これはこれで、面白いと思うんですけど、これは写真独特の表現に過ぎません。
照明を使用しないと、明暗差を埋められないのが、カメラの宿命です
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| ■ 人の眼のダイナミックレンジに合わせた撮影は、今日では、デジタルなら可能 |
写真の表現技術の話題として、どのように撮影するのかとか、どのように照明するのか、といった話題は別として、イメージ処理として、ダイナミックレンジに対応した、すべての情報を取り扱うことができれば、人の視力に近い表現が可能となります。
それが出来れば、太陽や空を背景にして、フラッシュなどの照明なしに、きれいに撮影して、見ることができるようになるはずです。
しかし、現代のCCDなどの撮像媒体の性能では、それを達成することは、できません。
明暗差が大きい自然の撮影では、フィルムであれば、なんとなく記録できる帯域分はあるので、ndフィルタで減光して撮影したりします。ですから、フィルム撮影でしたら、ndフィルタを使用して減光して撮影しよう…ということになります。当然、デジタルカメラでもサチリ方ははっきりしていますが、そうした話題になります。
ただ、デジタルカメラの場合は、撮像媒体がフィルムとは異なる特性を持っています。フィルムの場合は、暗い場所でもそれほどノイズがでないので、減光して暗めにしても撮影できますし、プリントやスライド表示にある程度は増感により調整できます。とはいえ、印画紙などに表現すると、暗い場所はかなり暗くなります…プリントのダイナミックレンジが、狭いですから…。
デジタルでも同様な撮影技術を利用できますが、撮像素子の特性としてノイズが気になる水準があるので、やりにくいです。
しかし、現代のデジタル技術から考えると、ndフィルタを使用する撮影は、旧世代的過ぎるというか、歪曲的に過ぎます。なぜならば、デジタルの場合は、処理方法によっては、そのまま取り扱うことが技術的に可能であるからです。
そうした広いダイナミックレンジでのイメージの取り扱いを、HDRI / High Dynamic Range Imagingといいます。
HDRIとは
HDRIとは、旧来の映像よりも、はるかに大きなダイナミックレンジで映像を取り扱うイメージ処理をいいます。旧来の技術では８EV程度しか取り扱うなかったものが、HDRIでは、10〜253EVまでを取り扱うことができます。つまり、人の視力を超える範囲のダイナミックレンジまでをサポートします。
人の視力を超えたダイナミックレンジが必要な理由は簡単で、写真を撮るだではなく、後処理で余裕をもって映像処理するために、人の視力を超えたダイナミックレンジがあるほうが、有利だからです。
この技術は、写真技術から発達したというよりも、CG技術から発達した印象があります。
HDRIの映像情報を得る経路は、３種類考えられます。
それは、CGから得られる映像、HDR映像素子を利用した撮影装置、そして現在のデジタルカメラを利用した露出ブラケット撮影の結果を合成する方法の三種類です。
CGによるHDRIの映像
HDR映像素子を利用した撮影素子
露出ブラケット撮影の映像の合成
HDRIにおける、HDR写真の取扱
HDRIにおける写真の取り扱いは、以下のようなステップに別れています。
HDR撮影
HDRデータ生成
HDRの表示
CCD/CMOSは、LDRとしか取り扱えませんが、明るさを変えて露出ブラケット撮影して合成することで、HDRのデータを生成するためのソースになるデータを生成できます。
つまり、露出ブラケット撮影で、被写体をEVを変えて撮影して、合成すればいいのです。
この時の露出ブラケット撮影をHDR撮影と言います。
複数のショットで１つの画像を作りますので、可能な限り正確に同じ絵を取る必要があります。
ですから、以下のような点について注意して撮影します。
一般的によく行われている撮影は、カメラで撮影できる有効なデータを6EVと考えて、2EVづつずらして同じ被写体を撮影する方法です。撮影できるのを6EVとして取り扱う理由は、カメラのノイズがあるからで、ノイズを無視できるように合成するために、ダイナミックレンジを低く見積るからです。
以下の図のような感じです。
この場合のダイナミックレンジは、2EVをノイズ分として無視して考えていますので、ノイズの少ない10EVとなります。ノイズがある実際のカメラと比較すれば12EV程度の感じになります。なんとなく記録できるという意味でしたら、フィルムもこの程度できる場合があるのですが、この帯域全体に対して、かなりリニアリティが/直線性が高いので、フィルムよりもデジタルのほうが高品位な映像を期待できます。また、絵の枚数を5枚で2EV単位で差をとるならば、16EV、ノイズ範囲を含めると18EVになり、フィルムよりも16〜64倍と、はるかに広いダイナミックレンジとなります。つまり、撮影では、同じ被写体に対して、シャッタースピードのみを変更して、基準となる絵を基準に、±2EVづつずらして、つまりシャッタースピード1/4倍と、4倍の絵を、合わせて撮影して行います。必要に応じて±4EV、つまり±1/16倍とか16倍の絵を加えます。
この時にf値やピント、ホワイトバランス、ISO感度などを変えてはいけません。
このような撮影が、HDRのための露出ブラケット撮影です。
この撮影の際に、6EVとして取り扱っている撮影データをLDR/low dynamic Rangeデータといいます。
LDRは旧来の技術で取り扱うことができるので、JPRGや8bit TIFF 、 rawデータで取り扱うこと値ができます。
HDRデータは、より広範囲なデータを取り扱えるよう考えられたデータ形式である、radiAnceRGBe形式やopenexr形式がよく使われています。
radiAnceRGBe形式は、32EV/32bit/1:4294967296まで表現できるようになっています。
OpenEXRは浮動小数点を使用することで、より広範囲に表現できます。
図では、よく行われる10EVの撮影でご説明しましたが、HDR撮影は、必要であれば、より広いダイナミックレンジで撮影することが可能です。
HDRのデータを見れるように変換する
すでにご説明したように、ほとんどの表示装置や印刷技術は、HDRデータのままでは、技術的に対応できません。
例外があり、HDRディスプレイを使用して、専用ボードを経由すれば、そのまま見ることが可能です。
しかし、ほとんどの場合は、HDRデータは、表示可能なように変換する必要があります。
この処理を、トーンマッピングと言います。
トーンマッピングは、実のところ大変な処理です。
もともと、ダイナミックレンジが違い表示できないのですから、きれいに見せるためには人間の判断が必要になります。
トーンマッピングには、2つの戦略…きれいに見せるための考え方があります。
ティテイル強調処理
トーン圧縮
HDR撮影、HDRデータ生成、トーンマッピングなどの作業全体を、HDRワークフローと言います。
率直なところ、面倒くさくて時間がかかりますが、その結果は、旧来の撮影技術ではできないものとなりますので、その苦労の「かい」は十分にあります。
以下の例は、先にご紹介した写真のHDRI版です。
以下の例は、通常のカメラによる撮影では得られないHDRIの例です。
雲に陰っていますが、夕陽を背景に、照明なしで撮影したものです。
通常の撮影では、シルエットだけか、背景が白くなるようにしか撮影できませんし、逆光ですので、顔をちゃんと見ることも困難です。しかし、HDRIであれば、このように、美しく見ることが可能です。また、ディテイル強調処理を使用してトーンマッピングしているので、独特な雰囲気になっています。
ちなみに、撮影したのは吉沢光正氏(REFRECT)が原型を作成した、一騎当千の呂蒙子明のやまと版のフィギアです。私は、吉沢光正氏(の原型の作品、好きです…(^^)
ベランダから夕方に撮影しました。背景はDOF(被写界深度)の関係で、いい感じにボケています。
ちなみに、被写体の関係で、HDRで問題になりやすいディテイル強調処理につきもののハロが、かえって味になっています…(^^)
撮影しているのは-2EV、0EV、+2EVの三枚の写真で、HDRへの変換と、トーンマッピングには、Photomatix pro 3.1 betaを使用しています。
マニュアルカメラのほうが簡単
| ■ コンパクトデジタルで、DSLRを超える絵を実現できる |
HDR撮影は、撮像素子のダイナミックレンジを拡大する手法です。
ですから、もともとの撮像素子のダイナミックレンジがちょっと狭くても…つまりコンパクトデジタルであっても、拡大することができます。DSLRとコンパクトデジタルのダイナミックレンジの差は、せいぜい2〜3EV程度…HDR撮影で、それを超えてしまえばいいわけです。
とはいえ、HDR撮影の際に便利な露出ブラケット撮影は、Panasonic/LEICAぐらいしかできません…それも1EV刻みで3枚しか出来ないのですが･･･。他の機種の場合は、マニュアル撮影で、自分でシャッター時間を変えながら撮影します。
HDR撮影を行えば、DSLR/デジタル一眼レフを超えるダイナミックレンジの写真を撮ることができます。
以下のサンプルをご覧ください。1年違いですが、ほぼ同じようなシチュエーションの写真です。OLYMPUS E-1は大きなフォトダイオードを使用しているCCDを採用していますが、コンパクトデジタルの方がダイナミックレンジが大きくなっていることがわかると思います。だいたい、DSLRの4倍、2EVはダイナミックレンジが拡大しています。
もっとも、コンパクトデジタルカメラは、raw撮影できる機種が少ないので、その点も困ります。
また、いらない機能が多すぎるので、その点も困るところです。
それから、カメラの本来の性能は改善できません…ですから、光学系が優秀等、基本性能が良いコンパクトデジタルカメラほど、HDR撮影で可能性が広がります。
上海観光中のスナップ
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