ISO感度および暴露指数

導入

ISO感度（またはISOスピード）とは、イメージセンサーやカメラが光にどれだけ強く反応するかを示す指標です。感度が高いほど、良質な画像を撮影するために必要な光量（絞りを小さくしたり、露光時間を短くしたり）は少なくなります。残念ながら、感度の測定方法は複数あり、それらは一貫していません。Imatestでは、そのうちの2つ、彩度ベースのISO感度と標準出力感度を算出しています。

露出指数（EI）は、感度測定値の1つ以上から導き出されるカメラ設定値です。これは、光量測定値に対するカメラの露出を決定するために使用されます。露出指数と感度は密接に関連しており、時には互換的に使用されることもありますが、区別して使用する必要があります。例えば、「露出指数が100に設定されている場合、カメラの飽和度に基づくISO感度は80です」と言うことができます。

露出指数を上げる

  • デジタル化（A-D変換）の前にイメージセンサー出力での（アナログ）ゲインを増加させ、カメラがより少ない光量で動作できるようにします。
  • ノイズが増加し、全体的な画像品質が低下します。
  • これにより、システムが低い光量レベルで飽和するようになります（ただし、センサーが飽和する光量レベルは変わりません）。その結果、感度測定値が両方とも高くなります。測定値は、カメラが最小EIに設定されているときにセンサーの性能を最もよく表します（ただし、センサー自体が飽和する前にシステムが飽和する（最大ピクセルレベルに達する）場合は、完全にはセンサーの性能を表していない可能性があります）。

以下の表は、Imatestがサポートする2種類の感度測定方法をまとめたものです。

飽和度ベースおよび標準出力感度
飽和度に基づく感度S sat標準出力感度S SOS
対策センサーまたはシステムが飽和する輝度レベルに対する感度。S satから導出された EI を使用して、反射率 18% の領域に画像を露光した場合、反射率 141% に相当する輝度でシステムが飽和します (41% の余裕)。露出を決定するために使用される領域の標準出力レベルをもたらす感度。露出は通常、反射率18%（0.18）のグレー領域に基づいています。標準出力レベルは、正規化されたピクセルレベル = 0.18エンコードガンマ、つまり、エンコードガンマ= 1/2.2 の場合、ピクセルレベル = 116（最大255のうち）です。
影響を受けるA/D変換前のセンサー飽和レベルとアナログゲイン（カメラのEI設定で設定）。トーンレスポンスカーブ（TRC）の影響を受けません。すべての信号処理要因、特にRAW変換中に適用されるTRCの「ショルダー」は、センサー飽和の可能性を低減します。TRCショルダーはS SOSを増加させる傾向があります。
測定精度約±10%。ストレートガンマエンコーディング（ショルダーなし）が最適で、これはdcrawでRAW画像をデコードすることで得られます。TRCの「ショルダー」によって低下する場合があります。露出不足で劣化します。軽度から中程度の露出過多（最も明るい部分が飽和状態またはそれに近い状態）で改善されます。約±10%。S SOSは信号処理（TRCなど）の影響を含んでいるため、測定精度はTRCの影響を受けません。しかし、画像の異なる部分を異なる方法で処理する「適応型」処理によって精度が低下する可能性があります。
起源オリジナルのISO-12232規格（1997年） CIPA DC-004 (2004)

入射光（照度）測定（2025年12月2日修正）

反射チャートの場合：入射光（照度）の測定（単位：ルクス）は比較的簡単です。入射光計（できればフラットディフューザー付き）をチャートのすぐ前に置き、カメラに向けて（チャートと平行に）照射します。この際、照明を遮らないように注意してください。ルクスの測定値をそのまま使用します。

透過率チャート：これらはそれほど単純ではありません。入射ルクス測定は適切ではありません。この用途では、以下のいずれかの輝度を測定する必要があります。

  • チャートのグレースケール内の白いパッチは、透過率がρ = 10 (–パッチ密度)であり、パッチ密度はチャート参照ファイルで指定されています。
  • ライトボックスの拡散面は、ランバート光源（つまり、輝度が角度に依存しない光源）に近い位置にあるべきである。

（ほぼ）ランバート型のライトボックス上の密度ρのパッチ上の等価照度（ I ）を測定するには、 次の式を使用します。

L = ρI/π 、またはI = πL/ρ 、

ここで、 Lはパッチ上で測定された輝度です。ライトボックスの輝度から直接I を取得するには (つまり、チャートを使用せずに)、式からρを削除します ( ρ = 1 )。

濃度参照ファイルを持つ透過型チャートの輝度を測定する場合（露出指数以外の計算の場合）、測定された参照ファイルの濃度にはベース濃度が含まれることに注意してください。チャートなしでライトボックスの輝度を測定する場合は、次の式を適用します。

パッチ輝度 = ライトボックス輝度 * 10 (–パッチ密度) 。

便利な計算式：メーターがEV（露出値）で表示する場合： @ ISO 100
注: EV @ ISO 100 は、光値( L V ) とも呼ばれます。

Imatestモジュールの感度

感度は、 imatest Master の5 つのモジュール (eSFR ISO、SFRplus、Color/Tone Interactive、Stepchart、Colorcheck) で計算されます。

  • 入射光レベル（ルクス）を入力し（ルクスメーターについては テストラボのページで説明されています）、
  • EXIFデータは画像ファイル内に含まれているか、絞り値（F値）と露出時間（秒単位）を手動で入力する必要があります。Fred Harvey氏のEXIFtoolの使用を強くお勧めします。これを使用しない場合、EXIFデータはJPEGファイルのみデコードされます。

通常、入射照度（ルクス値）は入力ダイアログボックスに入力され、感度は出力グラフのいずれか、およびCSV出力ファイル（書き込まれる場合）に表示されます。詳細はモジュールによって若干異なります。

ステップチャート

ステップチャート入力ダイアログボックスの一部入射光レベル（ルクス）は、ステップチャート入力ダイアログボックスの左下付近にあるボックスに入力します。入力欄が空白またはゼロの場合、感度は計算されません。

EXIFデータが利用可能な場合、入射光量（ルクス）の下に絞り値（F値）と露出時間（秒単位）が表示されます。これらの欄が空欄の場合は、感度分析を実行するために手動で入力する必要があります。

ステップチャートの感度結果結果（ S sat 、 S SOS 、および入射照度）は、ステップチャートの騒音詳細図（すべてチェックされている場合は2番目の図）の右上に表示されます。

カラーチェック

入射光レベル（ルクス）は、 Colorcheck入力ダイアログボックスの下部中央付近にあるボックスに入力します。空白またはゼロの場合、感度は計算されません。 カラーチェック入力ダイアログボックスの一部
結果（ S sat 、 S SOS 、および入射照度）は、Colorcheckノイズ詳細図（すべてチェックされている場合の2番目の図）の左上にある密度応答プロットに表示されます。

SFRplus

入射光レベル（ルクス）は、 Rescharts SFRplusセットアップウィンドウの「設定とオプション」をクリックして開くSFRplus設定＆オプションウィンドウの「設定」欄に入力します。空欄またはゼロの場合、感度は計算されません。

SFRplus入力ダイアログ

EXIFデータが利用可能な場合、設定ウィンドウ下部付近の「オプションパラメータ」領域に絞り値（F値）と露出時間（秒単位）が表示されます。これらの項目が空欄の場合は、感度分析を実行するために手動で入力する必要があります。

結果（ S sat 、 S SOS 、および入射照度）は、トーン応答とガンマ表示の密度応答プロットの右下に表示されます。

SFRplusの感度分析結果

カラー/トーンインタラクティブとカラー/トーンオート

カラーチェック入力ダイアログボックスの一部入射光レベル（ルクス）は、ディスプレイが7に設定されている場合に、カラー/トーンインタラクティブウィンドウの右側にあるディスプレイ領域に入力します。白黒濃度。空白またはゼロの場合、感度は計算されません。

EXIFデータを確認する（またはEXIFデータがない場合に絞りと露出の設定を入力する）には、 「設定」ボタンをクリックします。これにより、カラーマトリックスと追加設定メニューが開きます。絞りと露出を表示および/または入力する部分は以下のとおりです。

色調／色調　絞りと露出を入力するためのインタラクティブな追加設定

感度分析結果（グラフの右下）結果（ S sat 、 S SOS 、入射照度）は、白黒濃度プロットの右下に表示されます。 「データの保存」ボタンを押すと、白黒濃度が表示されている場合のみ、結果がCSVファイル[root name]_multicharts.csvに保存されます。

方程式

一般的な背景

Imatestが算出する2つの主要な感度測定値は、どちらも同じ方程式から導き出されます。

（１）

Hは、露出を決定するために使用される対象物（テストチャートパッチ）のイメージセンサーでの露出（ルクス秒）であり、通常は反射率18%の領域です。I sensorは、センサーでの照度（ルクス）です。tは、露光時間（秒）です。重要な問題は、

  • Hに対応する物体面の照度 (つまりテストチャートのルクス) と出力信号 (つまりピクセルレベル) を指定する方法、
  • Hを選択するための基準。

テストチャートの輝度とセンサーの照度の関係は、Jacobson、Ward、Ray、Attridge、およびAxford著『写真マニュアル』、Focal Press、第5章、式(5)、65ページに記載されている方程式から導き出すことができます。

（２）

どこ

Iはイメージ（センサー）面における照度（ルクス）です。
Tはレンズの透過率であり、一般的に0.9と仮定される。
L objは、オブジェクト面（テストチャート）における輝度（カンデラ/平方メートル）です。
NはF値（絞り値）です。

感度基準には、レンズを通過する光を減らすTに加えて 2 つの要素が含まれています。 0.98 と想定される周辺減光係数vと、 Tが 10 度と想定される cos 4 ( T ) です。 cos 4 (10 度 ) = cos 4 ( p /18 ラジアン) = 0.9406。 この数値は、一般的なImatest試験条件ではやや高い値です。 T = 6 度を使用すると、cos 4 ( T ) = 0.9783 となります。 これらの追加要素により、

（３）

Iを式(1)に代入すると、

（４）

T = 10 度の場合、感度 =これは、 OnSemi ISO測定文書に準拠しています。感度の単位は1/(光量×露光量)です。露光量は光量と感度に反比例する、つまり光量または感度が増加すると露光量が減少することを思い出せば、このことが理解できるでしょう。

感度を測定するImatestモジュールは、既知の密度dまたは反射率ρのパッチで構成されるグレースケールステップチャートの画像を解析します。 X-Rite ColorcheckerおよびColor/Tone Interactiveがサポートする主要なチャートには、このようなパターンが含まれています。参考までに、純白の表面のρは約 90% (0.9) で、 dは約 0.05 に相当します。チャート パッチの輝度は

ここで、 Iはテストチャートの照度（ルクス）である。（5）

参考文献：Stroebel、Current、Compton、Zakia著『Basic Photographic Materials and Processes, Second Edition』第1章、27ページ（脚注）「メートル法：1メートルキャンドル（…1ルクス）で照らされた完全拡散反射面（100%）は、1平方メートルあたり…1/ πカンデラの光を反射する。」

照度（ルクス）は、安価なBK Precision 615のような入射光度計で簡単に測定できます。

飽和度に基づくISO感度S sat

この測定では、反射率18%（ r = 0.18）の標準グレーカードを使用して画像を露光し、センサーが141%の反射率（純白の反射率90%をはるかに上回る値）で飽和（最大出力に達する）し、ある程度の「余裕」を確保していることを前提としています。センサーが飽和するパッチ（および対応する輝度L satと飽和反射率r sat ）は、最も明るい未飽和パッチを外挿することによって計算されます。（飽和しているパッチは、実際の情報を含まないため、直接使用することはできません。このような場合、外挿された飽和輝度は、最初の飽和パッチよりも大きくなることはありません。）

この方程式は、 L obj がセンサーを飽和させる値の 18/141 であると仮定して導出される。ここで、 r satおよびL sat は、パッチのピクセルレベルを外挿して飽和点を特定することによって決定されます。つまり、テストチャートでは、

（６）

飽和度に基づくISO感度は信号処理の影響を受けませんが、測定精度は大きく影響を受ける可能性があります。最高の精度を得るには、RAWファイルの使用をお勧めします。

標準出力感度 S SOS （ CIPA DC-004より）

この測定では、反射率18%（ r = 0.18）の標準グレーカードを使用して画像が露光され、この領域の正規化されたピクセルレベルが0.18^(1 / gamma)であると仮定しています。ここで、 gammaは色空間に対応する表示ガンマです。

sRGBやAdobe RGBなどの多くの標準色空間は、ガンマ=2.2での表示用に設計されているため、正規化されたピクセルレベルは0.4586です（8ビットピクセルの場合、ピクセルレベル=116、最大値は255）。（ DC-004では、sRGBのガンマが正確に2.2ではないため、0.461またはピクセルレベル118が使用されます。）パッチ密度d46 = -log10 ( r46 )と輝度どここのピクセルレベルに対応する は、パッチ密度の関数として対数ピクセルレベルに2次多項式近似を適用して求められます。 L obj がパッチの輝度である場合、

（７）

SOS は信号処理に大きく依存します。トーンレスポンスカーブ (TRC) に「ショルダー」が存在すると増加します。ショルダーはハイライトの「バーンアウト」（飽和）の可能性を減らすために広く使用されています。ストレート ガンマ = 1/2.2 カーブでエンコードされたファイル (dcraw で RAW ファイルをデコードしたときに得られるもの) の場合、つまり、画像は反射率100%で飽和すると想定されます（ヘッドルームなし）。ショルダーが存在する場合、 S SOSは一般的にS satよりも大きくなります。

ヘッドルームHDR

ヘッドルームとは、100%反射パッチの露出とシステム飽和の間の露出量のことです。露出指数（EI）を飽和ベースのISO感度S satに設定すると、ヘッドルームは常にHdr sat = 41.4%または1/2 fストップ（またはEVまたはゾーン）になります。

標準出力感度S SOSとそれに対応するヘッドルームHdr SOS は、どちらも応答曲線に大きく依存します。応答曲線の「肩」（飽和付近の曲率）を大きくすると、 S SOSとHdr SOS の両方が大きくなります。計算式は非常にシンプルです。

（F値、EV値、またはゾーン）（8）

RAWファイルを使用する

RAWファイルをdcrawを使用して以下の設定で変換すると、飽和度に基づくISO感度測定の精度と信頼性が向上します。

dcraw入力ダイアログボックス、感度の推奨設定を表示
dcraw入力ダイアログボックス（RAWファイルを開いたときに表示されます）
ISO感度測定の推奨設定を表示
  • 自動ホワイトレベルはチェックを外してください。
  • デモザイキングは「標準RAW変換」に設定してください。（ベイヤーRAWファイルで安定した結果が得られる最適な設定の組み合わせが見つかっていません。）
  • 出力カラースペースは通常sRGBに設定されます。
  • 出力ガンマはsRGBまたは2.2に設定する必要があります。
画像（ステップチャートとカラーチェッカー）、トリミングおよび縮小
Q-14とカラーチェック画像、
トリミングされ、縮小された

飽和点の決定は、最も明るい部分のいずれかが飽和しているかどうかに応じて、外挿または内挿によって行われます。dcrawで変換されたRAWファイルは直線的なガンマ曲線（対数スケール上で直線、つまり「肩」がない）を持つため、飽和点を高い精度で決定できます。

以下の出力は、ステップチャートの実行結果です。
画像のフルサイズ版について
右側には、トリミングされ縮小された画像が表示されている。

これらは、dcrawで変換したRAW（CR2）ファイルの結果です。左上の直線的なトーンレスポンス（傾き＝ガンマ）に注目してください。予測どおり、 S SOSは約0.71 * S satですが、多少の実験誤差があります。

ステップチャートの結果: dcraw
RAW（CR2）ファイルからのステップチャート濃度応答と感度
dcrawで変換しました。

以下の結果は、同じ露出でRAW画像ではなくJPEG画像を使用した場合のトーンレスポンス曲線を示しています。曲線の右側の明るい領域にある「肩」（曲率）は、飽和点を正確に推定することを困難にしますが、視覚的には悪いことではありません。肩はハイライトの飽和の可能性を減らし、一般的に好ましい画像になります。RAW画像（上記）から導出されたS satの値の方が信頼性が高いです。標準出力感度S SOS = 110.8が2倍以上になっていることに注意してください。ヘッドルームは絞り値。

ステップチャートの結果：jpeg
ステップチャートによるJPEG画像の濃度応答と感度。水平スケールは同じ。

関連文書

Wikipedia – フィルムの速度　いつものように、まずはここから始めましょう。

OnSemiイメージセンサー – ISO測定飽和度に基づくISO感度測定について説明していますが、他の資料（141%、より大きな「余裕」を与える）とは異なる飽和度レベル（106%反射率、露出決定に使用される18%に対して）を使用しています。ノイズに基づく測定についても言及していますが、これはあまり使用されていません。

CIPA DC-004：デジタルカメラの感度（2004年7月27日）カメラ感度の2つの定義：標準出力感度（SOS）と推奨露出指数（REI）。カメラ・イメージング製品協会（日本）発行。

デジタルカメラの感度に関する新しい測定方法、ダグラス・A・カー著、2007年8月30日。さまざまな感度測定方法に関する有益な解説。

ISO 12232:2006: 写真 ― デジタルスチルカメラ ― 露出指数、ISO感度、標準出力感度、推奨露出指数の決定。ダウンロード費用が高額です。