デジカメにローパスフィルターは必要だ

2018/3/26

目次


  1. はじめに
  2. べイヤー配列
  3. ローパスフィルターの目的
  4. ローパスフィルターの必然性
  5. まとめ

はじめに


昨今の風潮として、高解像度のデジカメにおいては、ローパスフィルター不要論が台頭している様に思うのですが、いかがでしょうか。


実際ネットで調べると、新聞紙や高層ビルを撮った写真を見比べて、ローパスフィルターが無い方が断然解像度が高いとする記事で溢れています。

またローパスフィルターとは擦りガラスの様な物なので、モアレや偽色が目立たなければ、無い方が良いという記事もあります。

さらに昨今の高画素対応のデジカメにおいては、ローパスフィルターレスが当たり前の様になってきています。

ですが、本当にローパスフィルターは無用の長物なのでしょうか?

という訳で、今回はローパスフィルターについて調べてみたいと思います。

もしローパスフィルターは無いのに越した事はない、と思われている方には必見です。


べイヤー配列


それでは早速本題に入りましょう。

と言いたい所ですが、その前に単板式の撮像素子で一般的に使われているベイヤー配列についてお話ししなりません。

なぜならば、ベイヤー配列の撮像素子は、ハイパスフィルターを使う事を前提に作られていると言っても過言ではないからです。

少々大袈裟に言わせて頂けるのでしたら、ハイパスフィルターレスの写真はウソの画像情報が一杯入っているからです。

なぜそう言えるのか、これからじっくりとご説明したいと思います。

べイヤー配列とは、べイヤーさんが考案した単板式撮像素子に使われる3色フィルターの配列です。


ビデオ機の場合、高級なタイプですと3板式の撮像素子が使われるため、この様な複雑な配列のフィルターは不要で、3枚の撮像素子に赤緑青の1枚のフィルターを使えば事足ります。


3板式撮像素子の画像処理

すなわち、この3枚の撮像素子を見れば、各画素の3色の色情報が分かるからです。

では撮像素子を1枚だけ使用した場合はどうすれば良いでしょう。

そこで登場するのがべイヤー配列です。

これでしたら、1枚の撮像素子に3色のフィルターが乗っていますので、カラー画像を読み取る事が可能です。

ただし大きな問題があります。

それは、1画素の画像を1色でしか読めない事です。

このためこのままでは、下の写真の様にツギハギだらけの写真になってしまいます。


補間しない場合のべイヤー配列の画像

上の画像は簡易的に作成したイメージ画像なので全く正確ではありませんが、カラーで読み取る事ができても、さすがにこれではカラー写真とは言えません。

だったら、どうすれば良いのか?

1素子が読み取れない他の色情報を、隣りの素子から借りてくれば良いのです。

例えば、ある被写体を撮影した場合の各素子の値が以下の様になったとします。


この9個の素子の中で、今回は中央の緑の素子に注目します。

この素子の画像データは、緑の光量が170だという事だけ、赤や青の情報はありません。

ですので赤については、両隣りの光量が50と100なので、多分中央の素子の赤の光量は75だろうと推測するという訳です。


同じ様に青の光量は、上と下が100と130なので、恐らく115になるだろうという訳です。

そうすれば単板の撮像素子であっても、1画素でフルカラーが再現できる事になります。

これを専門用語で補間と呼び、各光学機器メーカーで色々工夫を凝らした補間処理が行われています。

ただし、(毎度の事ながら)これでメデタシメデタシといかない所がミソです。

上記の様に被写体の色が滑らかに変わっていれば良いのですが、例えば急激に色が変わっているとなると、とんでもない事が起きます。

例えば、下の図の様に9個の撮像素子の上に、黒と白のくっきりした像が結ばれたとします。


これを前述と同じ方法で補間すると、中央の画素の色情報は以下の様になります。


本来ならば3色と10になる筈が、赤だけ95という飛び抜けた値になってしまいます。

数値だけ見てもピントこないかもしれませんが、これを画像にすると赤みを帯びた暗い色になります。


G:10、R: 95、B: 10の赤茶色

すなわち、本来黒である所に、いきなり全く存在しない赤茶色(偽色)が発生するという訳です。

そんな事許せますか?


ローパスフィルターの目的


お待たせしました。

そこで登場するのが、白馬の騎士ならぬローパスフィルターです。

本来3枚必要な撮像素子を1枚にしたのですから、その弊害である偽色とモアレは大昔から知られており、それを改善するのがローパスフィルターです。

ですので、べイヤー配列を使う以上、ローパスフィルターを使うのは当然の事なのです。

で、そのローパスフィルターですが、低周波成分を通過させて、高周波成分を遮断するフィルターの事です。

画像で言えば、太くてぼんやりした画像が低周波で、細くてくっきりした画像を高周波になります。


この様に高周波画像を遮断すればするほど、先ほどの偽色もモアレも大幅に低減する事ができます。

ただし上の画像を見ると、そこまで画像をぼやかすのならば、やっぱりローパスフィルターは無い方が良いと思われる事でしょう。

でも、ここからが重要な所です。


ローパスフィルターの必然性


さていよいよ本題です。

これまで長々とお話してきましたが、実は本質的な事をまだお話していませんでした。

と言っても大した話ではないのですが、ヒントはこれです。


さて、何が言いたいか、分かって頂けますでしょうか?

もったいぶってしまいましたが、べイヤー配列の場合、(補間せずに)正確に3色の色情報を得るためには、上の4素子を使わなければならないという事です。

これに関連して、興味深い説明図を見つけましたのでご紹介したいと思います。


ローパスフィルターの効果を可変できるSONY RX1 mark II

下はSONYのレンズ固定フルサイズデジカメであるRX1 mark IIにおける、ローパスフィルター効果の説明図です。


SONY RX1 mark IIにおける、ローパスフィルターのON/OFF機能説明図

この右側の図に、1本の光がローパスフィルターを透過した後、4本に分かれています。

もしかしたらこの4本の線は、単に2枚の複屈折板(ローパスフィルター)で水平方向と垂直方向に分光した事を表しているだけなのかもしれませんが、一つの光を4つの素子に均等に当てていると考えるとローパスフィルターの機能をより分かり易く説明していると言えるかもしれません

ですので、ローパスフィルターとは画像を単にボカスのではなく、本質的には4素子に相当する大きさの像を、4素子に均等に照射すると言った方がより正確になります。

また、そもそも1画素とは3色の色情報を持ったものを指します。

と言う事は、べイヤー配列の場合、理論上4素子で1画素を構成しているとも言えるのです。

ですので、デジカメで例えば2400万画素と呼ばれている機種の本当の性能は、その1/4の600万画素なのです。

もしそうだとすると、この場合以下の様に言えます。

ローパスフィルター搭載 解像度を全画素の1/4に下げてでも、本当の色情報を入手しようとしている。
ローパスフィルターレス 擬似的な色情報を得てでも、全画素の解像度を得ようとしている。

貴方はどちらを選びますか?


まとめ


それではまとめです。

1. べイヤー配列とは、本来なら3枚必要な撮像素子を1枚にするために考えられたカラーフィルターの配列である。

2. べイヤー配列の撮像素子において、全画素をフルカラーの情報を持たせるためには、補間処理が必要である。

3. ただしローパスフィルターによって、2x2の4素子に同じ画像を照射する事で、補完を大幅に減らす事ができる。

4. ローパスフィルターとは、解像度を劣化させる物と理解されているが、むしろ本来の解像度で真の色を再現させるための物と理解すべきである。


本書がお役に立てば幸いです。






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