Dinto

デジタル　デジカメ

デジカメの原理

フォトダイオード

　皆さんも良くご存知の太陽電池、これは光を受けると電気を発生させるものです。この時、光の量が多ければ発生する電気は多くなるし、光の量が少なければ発生する電気は少なくなります。
　また、皆さんが良く使用される露出計は入ってくる光量が多いと露出計のEV値表記が大きくなり、光量が少ないとEV値は小さくなります。
　このように、太陽電池にしろ露出計にしろ、受ける光の量に応じて電気を発生させています。これは太陽電池や露出計の中に「光センサ」が入っているからです(その種類は違いますが。)光センサに光を与えると何故だか知りませんが受ける光の量に応じて電気を発生させます。
　デジカメの中にも、「フォトダイオード」と呼ばれる光センサが入っているンだそうです（そろそろ難しくなってきた．．．）。デジカメといえば「CCD」とか「CMOS」なんて言葉を良く聞きますが、これらとフォトダイオードの関係がどうなっているのかは良く分かりません。誰か教えて下さい．．．

デジカメの構造

　デジカメでは昆虫の複眼のように複数のフォトダイオードを並べて、レンズを通った光を受けます (実際のレンズを通った画像は上下逆さになります)。
　光を受けた各フォトダイオードは、受けた光の量に応じて電気を発生します(光を多く受けたフォトダイオードは多くの電気を出し、少なく光を受ければ少ない電気を出す)。例えば、左の絵の空の(明るい)部分を受けたフォトダイオードは多くの電気を出し、山の(暗い)部分を受けたフォトダイオードは少ない電気を出します。発生する電気の量の違いによって形や明暗や色を表現するわけです。
　デジタルカメラでも、このように、光の信号を電気の信号に変換します。信号を電気に変えてしまえば、パソコンにその信号を取り込んだり、プリンターに出力したり出来ます。

画素数と解像度

　上で、「ジカメでは昆虫の複眼のように複数のフォトダイオードを並べて・・・」と書きましたが、フォトダイオードの数を「画素数」といいます。画素数は「ピクセル」ともいいます。これは英語の「PIC(絵)」と「ELEMENT(要素)」を合わせた造語なんだそうです。ここでは画素数で統一します。
　今、左の絵の、左側はフォトダイオードの数が縦５個×横５個＝２５個、右側は縦１０個×横１０個＝１００個で左の絵の４倍のフォトダイオードがあります。
　両方とも同じ山を写しているのですが、左の絵の山の輪郭はカクカクしていますが、右の絵の山の輪郭の方は比較的滑らかで実像(山)に近い画像ですよネ。画素数が多ければ多いほど形が滑らかになります (より実像に近くなります)。このように、画像の滑らかさのことを「解像度」といいます。画素数が多いほど「解像度が良くなる(画像が滑らかななる)」、といえます。　デジカメの画素数は、デジカメが出始めたころは数十万画素程度でしたが今では１０００万画素を超える信じられないような画素数のものがあります。僕の使っているデジカメ(フジフィルム・ファインピクスS2Pro) も、横4256画素×縦2848画素＝1212万画素です。買ったのは何年も前ですが、今でも十分過ぎる程通用する画素数です。

ビット数と階調

　「真っ暗の明るさ」から「真っ白の明るさ」までの間には、例えば「ちょっと暗い」とか「少し明るい」とか、いくつかの段階の明るさがあります。このように「明るさや色の移り変わりの連続性」を「階調」という、ンだそうです。英語で言う「グラデーション」のことです。明るさ・色の変化が不連続・デジタル的(段階的)な状態を「階調がない」、明るさ・色の変化が連続的・アナログ的(滑らか)な状態を「階調がある・豊か」なんて言うンですかネ？
　上の「デジカメの構造」で「受けた光の量に応じて電気を発生します」と書きましたが、光の量は連続的・アナログ的なので、光を受けたフォトダイオードが発する電気の量も連続的・アナログ的です。
　デジカメではフォトダイオードが発する電気の量は連続的・アナログ的ですが、どういう原理知りませんが最終的には、その電気の量(電気信号)がデジタル化されます(だから「デジタル・カメラ」？)。
　デジカメの内部では、その「真っ暗な明るさ」から「真っ白の明るさ」の間を何等分かに分断します＝デジタル化します。分断する個数？が少ないと、例えば左の絵の２個の分断、色の移り変わりが急になり、「階調が悪い(というのかな？)」写真になります。また、分断する個数が多いと、例えば左の絵の１０個の分断、色の移り変わりが滑らかになり、「階調が良い・豊か」な写真、実像に近い写真になります。

　デジカメでは、明るさの分断する数を２進法で表現します。つまり、真っ暗から真っ白を２個に分断するのだったら「２の１乗」、４個に分断するのだったら「２の２乗」、８個に分断するのだったら「２の３乗」．．．なんて具合です。
　その桁数(上の数字でいうと、１とか２とか３とか)を「ビット(bit)」数といいます。ビット数が多いほど階調が良くなります。実際のデジカメは「１２ビット」の階調を持っています。１２ビットということは、２の１２乗で、２×２×・・・って１２回も繰り返し、その数は、「４０９６」です。ということは、真っ暗から真っ白の明るさを４０９６個に分割することです。この世に、明るさの種類がそんなにあるンですかネ～。タブン僕の目には、隣同士の色の変化・違いは分からないでしょ～。
　最近(2006/10/10現在)ペンタックスが「２２ビット」の階調を持ったCCDのデジカメを出しましたネ。これはモノスゴイ階調を持ったデジカメです！２２ビットって何分割よ。

JPEGとRAW
　ここまでをまとめると、デジカメの中では以下のことが行われているようです。

　①被写体からの光はレンズを通り
　②フォトダイオードに当たり
　③光の量に応じた電気を発生させ(まだアナログ信号)
　④どこかでそのアナログの電気信号をデジタル信号に変える(A/D変換)

　実はこれで終わりではなく、この先まだあります。というのは、ここまでの電気信号状態(「RAW」という) では「電気信号を像(写真)として観賞できない・パソコンで見ることが出来ない」のです。パソコンなりで観賞出来るようにするためには、RAWの電気信号を観賞可能な状態に変換する必要があります。観賞可能な状態の電気信号は、みなさんも良くご存知の「JPEG」、とか「TIFF」があり、通常のデジカメはJPEGに変換します。ということで、デジカメ内では、最終的にRAWデータをJPEGデータに変換する、という工程があります。
　ただし、画質を気にするハイアマチュアやプロの方々には、このJPEGデータがお気に召さないようです。僕のようなロー(LOW)アマチュアには関係ないのですが。

JPEGがなぜ悪い
　デジカメで撮影した後、そのままプリントアウトやモニター出力する場合もありますが、撮影データ (JPEGやTIFFやRAW)をフォトショップなどの画像編集ソフトで加工(修正)したりもします。
　デジカメの撮影データを加工・修正するには大きく言って２つの理由があります。

　①撮影を失敗したデータを修正する(言うなれば「消極的加工」)
　②撮影データを加工して実像とは違う像にする(言うなれば「積極的加工」)

　理由は様々でしょうが、とにかくデジカメの撮影データは加工・修正が出来るのです。画質を気にするハイアマチュアやプロの方がJPEGデータを使わないのは、 JPEGデータが加工に適さないからです。
　ではなぜ、JPEGデータは加工に適さないのでしょうか？理由はいくつかあります。

　①JPEGデータは８ビット＝２５６階調である
　②JPEGデータは劣化する
　③JPEGデータは不可逆データである

①JPEGデータは８ビット＝２５６階調である
　上で書きましたが、デジカメのRAWデータは１２ビット＝４０９６の階調を持っています。 JPEGデータはデータ量を小さくするために(？)８ビット＝２５６階調まで落としています。 JPEGデータにすることによってデータ量が小さく出来る、という利点があるのですが、画質が落ちてしまします。これがJPEGデータの欠点のひとつです。

②JPEGデータは劣化する
　JPEGデータはフォトショップなどの画像編集ソフトで加工するとデータが劣化するンだそうです。劣化するとどうなるのか？は良く分かりませ～ん。とにかく、劣化もJPEGデータの欠点のひとつです。

③JPEGデータは不可逆データである
　JPEGデータを画像編集ソフトで加工し、保存した、としましょう。その保存をもう一度画像編集ソフトで開いた、としましょう。この時、加工されたJPEGデータは元になったJPEGデータには戻せないのです。つまり、加工できるけど、元に戻せない「不可逆データ」、「覆水盆に帰らず」的データなのです。

RAWデータの活用
　上記の理由から、JPEGデータは加工に向かないデータということが分かります。で、ハイアマチュアやプロはど～しているかというと、

　①RAWデータで撮影し
　②ソフトでRAWデータを劣化が少なく、１２ビットの階調を持つTIFFデータに変換(「現像」なんて言葉使います)にしてから
　②フォトショップなどの画像編集ソフトで加工する

　そ～です、最近のデジカメはJPEGデータだけではなく、RAWデータも(あるいはJPEGとRAW同時に) 保存できるのです。ちなにみ、僕の使っているS2Proは同時に保存は出来ません。

　ここで、ちょっと。上で「フォトショップなどの画像編集ソフトで加工」と書きましたが、複雑なことに、 RAW現像ソフトでも加工が可能です(つまり現像と加工を一緒に行う)。「じゃ～フォトショップいらないジャン！」と思われるでしょう。僕もそう思うのですが、なんか理由があるンでしょ～。

RAWデータの問題点
　RAWデータは上記の理由からプロやハイアマチュアに良く使われるのですが、いくつか問題もあります。

　①データが重い
　②鑑賞するためには現像する必要がある＝現像するためのソフトが必要である
　③データのフォーマットがカメラメーカーによって違う＝統一性がない

「だったら、初めからデジカメ内でTIFFに変換しちゃえば？」と思うでしょう。そうすれば現像ソフト必要ないですし．．．僕もそう思うのですが、何故かRAWのままが好まれています。ここでも、なんか理由があるンでしょ～。

　最近では「アドビシステムズ」という会社(「フォトショップ」等を作ってる)がRAWデータのフォーマットの規格化(統一化)を提案しているそうで「DNGフォーマット」というンだそうです。ただし、カメラメーカー側が乗る気がないようで、話が進んでないようです。ありがちな話ですよネ。
　また次期OSである「Windows Vista」ではOS上でRAWデータが鑑賞できるようになる、とか。
　そうなれば、RAWデータももっと初心者に受け入れ易くなるでしょ～。

　ツラツラと書きましたが、読んでお分かりのように、デジカメ初心者なもので僕自身にも良くわかってないことが多いです。これから勉強して、内容更新していきます．．．

2006/10/10 新規設立

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