青い空も白い雲もすべて消えてしまいました。それは私たちのせいではありません。それはカメラの性能が足りないからです。丨世界写真の日

制作：中国科学普及協会

著者: 海の中の塩辛い魚 (中国科学院長春光学精密機械研究所光学修士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

8月19日は世界写真の日で、世界中の写真家と写真愛好家のためのお祭りです。私たちはレンズを空に、雲に、シャッターの瞬間に、そして心の中の愛に向けます。

晴れた日には、豊富な太陽の光が世界全体を明るく美しくしていることに気づいたことがありますか?この瞬間を記録するために携帯電話を取り出したのですが、空が青白いことに気づきました。青い空は消えて、白い雲は白い雲の中に沈んでいました。これはなぜでしょうか?

人間の目が見るもの

カメラで撮影

画像出典: 著者自作

この問題は、実際には自然環境の照明条件が複雑すぎることと、現在使用しているカメラの性能が十分でないことが原因です。

自然環境における照明条件は非常に複雑であり、明るさと暗さの変化は非常に大きくなります。しかし、人間の目は明るさの異なる環境に自動的に適応することができるため、私たちにとっては外部環境の明るさや暗さの変化はそれほど劇的ではないようです。周囲の光の大きさを数値化できる単位で表すと、明るさの違いをより直感的に感じることができます。

ルクス（記号： lx ）は、物体の表面の光の強さを表す国際照度単位です。周囲の明るさを表すために使われ、撮影環境を測る上で重要な指標となります。曇りの日の屋外の光の強さは約 20,000 lx に達し、晴れの日は 50,000 lx に達することがあります。オフィスやスーパーマーケットなどの屋内の照度は300〜1,000lxです。月明かりの夜の照度はわずか0.08lx程度です。したがって、数値的に見ると、異なる環境での照明値の差は数百倍から数万倍に跳ね上がる可能性があります。

人間の目は明るさの異なる環境をどのように観察するのでしょうか?

人間の目は、明るさの異なる環境を観察する場合、周囲の明るさに応じて網膜に入る光の量をリアルタイムで調整できるため、明るい環境でも暗い環境でもはっきりと見ることができます。

人間の目は常に動いています。視線の位置を調整すると、外部環境の照明条件も再感知し、瞳孔の大きさを調整して入ってくる光の量を制御します。非常に明るい環境に遭遇すると、人間の瞳孔は適切に縮小し、入ってくる光の量を減らします。薄暗い環境では、瞳孔が拡張して入ってくる光の量が増えます。

人間の瞳孔

（写真提供：VEERフォトライブラリ）

人間の目は、瞳孔を使って入ってくる光の量を調整できるだけでなく、さまざまな視覚細胞を切り替えることで極端に暗い環境に適応することもできます。人間の目には、錐体細胞と桿体細胞という 2 つの主な種類の視覚細胞があります。日中は主に錐体細胞に頼っており、光の強さを感知しながら色を知覚することができますが、夜間の非常に暗い環境では、光に対してより敏感である桿体細胞に切り替えて光を受け取りますが、欠点は色を区別できないことです。

携帯電話のカメラはどのようにしてさまざまな明るさの環境の写真を撮り、記録するのでしょうか?

しかし、人間の目とは異なり、携帯電話のレンズはそれほど柔軟ではありません。携帯電話のレンズのサイズによって入ってくる光の量が決まり、センサーによってカメラの光感度が決まります。写真を撮るとき、携帯電話のアルゴリズムは検出された外光の明るさデータに基づいて露出時間とセンサー感度を自動的に決定します。写真を撮るとき、携帯電話のカメラは外部環境を一度に記録しますが、カメラが記録できる照明範囲が限られているため、環境内で暗すぎる場所や明るすぎる場所は写真では真っ黒または真っ白になり、多くの詳細が失われます。そのため、冒頭で述べた青い空と白い雲は、何百回も撮影した結果、空が明るすぎてカメラの感光度の上限を超えてしまい、青白く見えなくなってしまったのです。

対照的に、現実では、明暗のコントラストの大きいシーンに直面したとき、人間の目は実際に見ている領域を変えて見ています。人間の目は明るい部分を見ると瞳孔が縮小し、暗い部分を見ると瞳孔が拡張します。これは情報の動的な適応と受け入れのプロセスです。人間の目は、写真よりも多くの詳細を自然に記憶します。

外部環境の明るさの違いを表す特別な用語があり、これにより人間の目とカメラの能力の違いをより直感的に理解できるようになります。それがダイナミック レンジです。

ダイナミック レンジとは、可変信号 (音や光など) の最大値と最小値の比率です。環境内の最も明るい点の照明と最も暗い点の照明の比率を、環境のダイナミック レンジと呼びます。人間の目には環境を認識するためのダイナミック レンジがあり、これは人間の目が検出できる最大輝度と最小輝度の比率です。同様に、カメラにも独自のダイナミックレンジがあります。これは、カメラを購入する際に誰もが考慮する重要な要素の 1 つです。では、自然環境、人間の目、カメラのダイナミック レンジはどの程度でしょうか?下の写真をご覧ください:

カメラのダイナミック レンジは、自然環境のダイナミック レンジよりも数桁低くなります。

（画像出典：著者自作）

人間の目は適応力に優れているため、自然環境のほぼすべての照明条件に適応できます (ただし、太陽を直接見ることは目が焼けるのでお勧めできません)。携帯電話のカメラのダイナミック レンジは、自然環境のダイナミック レンジと比較すると、ある程度制限されています。

実際のシーンの詳細をできるだけ多く捉えるにはどうすればよいでしょうか?

レンズの直径を大きくするのが最も直接的な方法です。カメラに入る光の量を増やし、暗いシーンを録画するのに役立ちます。明るいシーンはどうでしょうか？光が多すぎるのも良くないので、入ってくる光の量を調整できる絞りを追加する必要があります。もう 1 つの選択肢は、感度が高く、光感度範囲が広いセンサーを使用することです。

携帯電話カメラ構造の概略図

（写真提供：VEERフォトライブラリ）

実際、カメラのダイナミックレンジ性能を向上させるために、後段で画像処理技術を使用して画像を処理するのが最も一般的な方法です。ほぼすべてのブランドの携帯電話には、「HDR」（ハイダイナミックレンジイメージング）と呼ばれる画像処理技術が搭載されています。携帯電話で写真を撮るときに HDR モードをオンにすると、写真ボタンをクリックするたびに、カメラは異なる感度を使用して、同じシーンの明るさと暗さが異なる複数の写真をすばやく撮影します。その後、このアルゴリズムを使用して複数の写真を 1 枚の写真に結合し、ダイナミック レンジを向上させるという目的を達成します。

HDR拡張ダイナミックレンジの原理

（画像出典：著者自作）

HDRの例

（画像出典：著者自作）

ただし、HDR の実際の効果は必ずしも理想的ではありません。 HDR アルゴリズムで処理された一部の写真は不自然に見える場合があります。

HDR処理が不十分な写真

（画像出典：著者自作）

そのため、実際には、写真愛好家がカメラを使って写真を撮るとき、明るさが大きく変化するシーンに遭遇すると、ほとんどの人は、明るい部分のディテールが残るようにカメラの露出を調整してシーンを少し暗くし、後で画像を調整して、できるだけ比較的大きなダイナミック レンジを取得します。同様に、携帯電話で写真を撮るときは、最初に画面をタップし、上下にスライドして露出を調整できます。明るさや暗さの変化が大きい環境で写真を撮る場合は、後で調整する余地を残すために、少し暗めの写真を撮ります。

参考文献:

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