デジタル写真のダイナミックレンジ

写真のダイナミック レンジは、測定可能な最大光強度と最小光強度 (それぞれ白と黒) の比率を表します。現実の世界では、真の白や黒に遭遇することはありません。光源の強度と被写体の反射率の程度が異なるだけです。したがって、ダイナミック レンジの概念はより複雑になり、キャプチャ デバイス (カメラやスキャナーなど)、表示デバイス (印刷物やコンピューター ディスプレイなど)、または被写体自体を表すかどうかによって異なります。

カラー管理と同様に、上記のイメージング チェーン内の各デバイスには独自のダイナミック レンジがあります。印刷物やコンピューターのディスプレイでは、それぞれ紙の白または最大強度のピクセルよりも明るくなることはありません。実際、上に示していない別のデバイスは私たちの目であり、これも独自のダイナミック レンジを持っています。したがって、デバイス間で画像情報を変換すると、その画像の再現方法に影響する場合があります。したがって、ダイナミック レンジの概念は、実際のシーン、カメラ、および画面上の画像または最終的な印刷物の相対的な比較に役立ちます。

光の影響:照度と反射率

光の強度は、入射光と反射光で表すことができます。どちらもシーンのダイナミック レンジに貢献します (「カメラの測光と露出」に関するチュートリアルを参照してください)。

強い反射に加えて黒いオブジェクトを含むシーンなど、反射率の変動が大きいシーンは、実際には、入射光の変動が大きいシーンよりもダイナミック レンジが大きい場合があります。どちらのシナリオでの写真も、カメラのダイナミック レンジを簡単に超える可能性があります。特に、露出が適切でない場合はなおさらです。

したがって、ダイナミックレンジを評価する際には、光の強度または輝度を正確に測定することが重要です。ここでは、照度という用語を使用して、入射光のみを指定します。照度と輝度は通常、1 平方メートルあたりのカンデラ (cd/m) で測定されます。一般的に遭遇する光源の概算値を以下に示します。

上の図は 10 の累乗にスケーリングされているため、ここでは入射光の可能性が非常に大きいことがわかります。シーンが直射日光と遮られた日光の両方によって不均一に照らされている場合、これだけでシーンのダイナミック レンジが大幅に増加します (部分的に照らされた崖面のある峡谷の夕日の例から明らかなように)。

デジタル カメラ

現実世界のシーンでのダイナミック レンジの意味は単純に、最も明るい領域と最も暗い領域の比率 (コントラスト比) ですが、デジタル カメラやスキャナーなどの測定デバイスを説明すると、その定義はより複雑になります。デジタル カメラ センサーのチュートリアルで、キャビティまたはウェル (フォトサイト) 内の各ピクセルで光が測定されることを思い出してください。コンテンツの測定方法に加えて、各フォトサイトのサイズによって、デジタル カメラのダイナミック レンジが決まります。

黒レベル
(ノイズによる制限) ホワイトレベル
(飽和フォトサイト) 暗い白レベル
(低容量フォトサイト)

フォトサイトは、光子を水のように保持するバケツと考えることができます。したがって、バケットがいっぱいになるとオーバーフローします。オーバーフローしたフォトサイトは飽和状態になったと言われているため、追加の入射フォトンを識別できず、カメラのホワイト レベルが定義されます。したがって、理想的なカメラの場合、そのコントラスト比は、各フォトサイト内に含めることができる光子の数を、測定可能な最も暗い光の強度 (1 つの光子) で割ったものになります。それぞれが 1000 個のフォトンを保持する場合、コントラスト比は 1000:1 になります。フォトサイトが大きいほど広範囲のフォトンを含むことができるため、コンパクト カメラと比較してデジタル一眼レフ カメラのダイナミック レンジは一般的に高くなります。 (ピクセルサイズが大きいため)。

テクニカル ノート :一部のデジタル カメラでは、低 ISO 設定が拡張されており、ノイズが少なくなりますが、ダイナミック レンジも減少します。これは、有効な設定がフル F ストップによって画像を露出オーバーにするためですが、後でハイライトが切り捨てられ、それによって光信号が増加します。この例は、ISO-50 の速度が通常の ISO-100 より低い多くの Canon カメラです。

実際には、消費者向けカメラは個々の光子を数えることができません。したがって、ダイナミック レンジは、テクスチャが識別できない最も暗いトーンによって制限されます。これを黒レベルと呼びます。黒レベルは、各フォトサイトをどれだけ正確に測定できるかによって制限されるため、暗さでは画像ノイズによって制限されます。したがって、ダイナミック レンジは通常、ISO 速度が低く、カメラの測定ノイズが少ないほど大きくなります。 .

テクニカル ノート :フォトサイトが個々のフォトンをカウントできたとしても、フォトン ノイズによって制限されます。フォトン ノイズは、フォトンの到着における統計的変動によって作成されるため、ノイズの理論上の最小値を表します。総ノイズは、フォトン ノイズと読み出しノイズの合計を表します。

したがって、全体として、デジタル カメラのダイナミック レンジは、測定可能な最大光強度 (ピクセル飽和時) と測定可能な最小光強度 (読み出しノイズを超える) の比率として説明できます。 デジタル カメラでダイナミック レンジを測定するために最も一般的に使用される単位は f ストップです。これは、全光範囲を 2 のべき乗で表したものです。したがって、1024:1 のコントラスト比は、10 f ストップのダイナミック レンジを持つと表現することもできます。 (2 =1024 なので)。アプリケーションによっては、各ユニットの f-stop を「ゾーン」または「eV」と表現することもあります。

スキャナー

スキャナは、デジタル カメラのダイナミック レンジと同じ飽和:ノイズ基準に従いますが、代わりに密度 (D) で説明されます。これは、以下に示すように、顔料が印刷されたメディアでトーンを作成する方法と概念的に類似しているため、便利です。

<表> 低反射率
(高密度) 高反射率
(低密度) 高顔料濃度
(暗いトーン) 低顔料濃度
(明るいトーン)

したがって、密度に関する全体的なダイナミック レンジは、最大顔料密度 (D) から最小顔料密度 (D) を引いたものです。 f ストップの 2 の累乗とは異なり、密度は 10 の累乗を使用して測定されます (地震のリヒター スケールと同様)。したがって、密度 3.0 は 1000:1 のコントラスト比を表します (10 =1000 であるため)。

オリジナルのダイナミックレンジ
スキャナーのダイナミックレンジ

D-D は D にほぼ等しいため、スキャナー メーカーは通常、総密度 (D) を記載する代わりに D 値のみを記載します。飽和が発生します。

顔料濃度が高い場合、デジタル カメラと同じノイズ制約がスキャナーに適用されます (どちらも測定に一連のフォトサイトを使用するため)。したがって、測定可能な D は、光信号の読み出し中に存在するノイズによっても決定されます。

比較

ダイナミック レンジは非常に大きく異なるため、一般的に対数スケールで測定されます。これは、同じリヒター スケールで非常に異なる地震強度がすべて測定されるのと同様です。ここでは、いくつかのデバイスの測定可能な (または再現可能な) ダイナミック レンジの最大値を、好ましい尺度 (F ストップ、密度、コントラスト比) で示します。以下の各オプションの上にマウスを移動して、これらを比較してください。

ダイナミック レンジの測定値を選択:
f ストップ	密度	コントラスト比

上に表示するタイプを選択:
印刷メディア	スキャナー	デジタル カメラ	ディスプレイ デバイス

プリントで再現可能なダイナミック レンジと、スキャナーやデジタル カメラで測定できるダイナミック レンジとの間には大きな相違があることに注意してください。シーン内の実世界のダイナミック レンジと比較すると、これらは反射率がほぼ均一な曇りの日の約 3 f ストップから、反射率が非常に不均一な晴れた日の 12 + f ストップまでさまざまです。

上記の数値を解釈するときは注意が必要です。実世界のダイナミック レンジは、印刷物やディスプレイ デバイスの周囲光の強力な関数です。十分な光の下で見られない印刷物は、完全なダイナミック レンジを提供しない可能性があります。一方、ディスプレイ デバイスは、特にプラズマ ディスプレイの場合、その可能性を最大限に引き出すためにほぼ完全な暗闇を必要とします。最後に、これらの値は大まかな概算にすぎません。実際の値は、デバイスの使用年数、モデル世代、価格帯などによって異なります。

ディスプレイ デバイスのコントラスト比はしばしば誇張されていることに注意してください 、これらをリストするためのメーカー基準がないためです。 500:1 を超えるコントラスト比は、多くの場合、より明るい白色点ではなく、非常に暗い黒色点の結果にすぎません。このため、コントラスト比と明度の両方に注意を払う必要があります。高いコントラスト比 (対応する高い光度なし) は、周囲のろうそくの光でさえ完全に打ち消される可能性があります.

人間の目

人間の目は、カメラで通常可能であるよりも広いダイナミック レンジを実際に知覚できます。さまざまな光に対して瞳孔が開いたり閉じたりする状況を考えると、私たちの目はほぼ 24 f ストップの範囲で見ることができます。

一方、1 枚の写真 (絞り、シャッター、ISO が一定の場合) との正確な比較では、瞬時のダイナミック レンジ (瞳孔の開きが変化しない場合) しか考慮できません。これは、シーン内の 1 つの領域を見て、目を調整し、他の場所を見ないことに似ています。私たちの目の感度とダイナミック レンジは明るさとコントラストによって実際に変化するため、このシナリオには多くの意見の相違があります。ほとんどの推定値は 10 ～ 14 絞りです。

これらの数値の問題は、私たちの目は非常に順応性があるということです。極度に暗い星を見る状況 (私たちの目が暗視のために桿体細胞を使用するように調整されている場所) では、私たちの目はさらに高い瞬間ダイナミック レンジに近づきます (「人間の目の色知覚」に関するチュートリアルを参照してください)。

ビット深度とダイナミックレンジの測定

デジタル カメラが広大なダイナミック レンジをキャプチャできたとしても、光の測定値をデジタル値に変換する精度によって、使用可能なダイナミック レンジが制限される場合があります。 これらの連続測定値を個別の数値に変換する主力製品は、アナログ デジタル (A/D) コンバーターと呼ばれます。 A/D コンバーターの精度は、デジタル画像のビット深度と同様に、精度のビット数で表すことができますが、これらの概念が同じ意味で使用されていないことに注意する必要があります。 A/D コンバーターは、デジタル カメラの RAW ファイル形式の値を作成するものです。

ビット精度 アナログ/デジタル コンバーター	コントラスト比	ダイナミック レンジ
		絞り値	密度
8	256:1	8	2.4
10	1024:1	10	3.0
12	4096:1	12	3.6
14	16384:1	14	4.2
16	65536:1	16	4.8

注:上記の値は A/D コンバーターの精度のみを対象としており、8 ビットおよび 16 ビットの画像ファイルの結果を解釈するために使用しないでください。さらに、示されている値は理論上の最大値であり、ノイズが制限されていないことを前提としており、これはリニア A/D コンバーターにのみ適用されます。

例として、10 ビットの色調精度は、0 ～ 1023 の可能な輝度範囲に変換されます (2 =1024 レベルであるため)。 各 A/D コンバーターの数値が実際の画像の明るさに比例すると仮定 (つまり、ピクセル値の 2 倍は明るさの 2 倍を表します)、10 ビットの精度では 1024:1 のコントラスト比しかエンコードできません。

ほとんどのデジタル カメラは 10 ～ 14 ビットの A/D コンバーターを使用するため、理論上の最大ダイナミック レンジは 10 ～ 14 ストップです。ただし、この高ビット深度は、通常、総ダイナミック レンジがノイズ レベルによって制限されるため、画像のポスタリゼーションを最小限に抑えるのに役立ちます。高ビット深度の画像が必ずしも画像に多くの色が含まれているとは限らないのと同様に、デジタル カメラに高精度の A/D コンバーターが搭載されていても、必ずしもより広いダイナミック レンジを記録できるとは限りません。実際、ダイナミック レンジは階段の高さと考えることができ、ビット深度はステップ数と考えることができます。 実際には、デジタル カメラのダイナミック レンジは、A/D コンバーターの理論上の最大値にさえ近づきません;通常、このカメラに期待できるのは 8 ～ 12 ストップです。

画像の種類と色調曲線の影響

デジタル画像ファイルは実際にハイエンド デバイスのフル ダイナミック レンジを記録できますか?記録可能なダイナミック レンジに対する画像のビット深度の関連性について、インターネット上では多くの混乱が生じているようです。

まず、記録可能なダイナミック レンジと表示可能なダイナミック レンジのどちらについて話しているのかを区別する必要があります。通常の 8 ビット JPEG 画像ファイルでさえ、無限のダイナミック レンジを記録できると考えられます — RAW 変換中に適切なトーン カーブが適用され (曲線に関するチュートリアル、動機:ダイナミック レンジを参照)、A/D コンバーターが必要なビット精度。問題は、このダイナミック レンジの使いやすさにあります。広すぎる色調範囲に分散するビットが少なすぎると、画像のポスタリゼーションが発生する可能性があります。

一方、表示可能なダイナミック レンジは、イメージ ファイルによって暗示されるか、ビデオ カードおよびディスプレイ デバイスによって使用されるガンマ補正またはトーン カーブに依存します。ガンマ 2.2 (PC の標準) を使用すると、理論的にはほぼ 18 f ストップのダイナミック レンジをエンコードできます (追加されるガンマ補正に関するチュートリアルを参照してください)。繰り返しますが、これは深刻なポスタリゼーションに悩まされます。ほぼ無限のダイナミック レンジ (目に見えるポスタリゼーションなし) をエンコードするための現在の唯一の標準ソリューションは、Photoshop (またはその他のサポート プログラム) でハイ ダイナミック レンジ (HDR) 画像ファイルを使用することです。