フレア光に対するダイナミックレンジ測定の堅牢性を高める

Introduction

カメラのダイナミックレンジ（DR）とは、シーン内のトーンのうち、適切なコントラストと良好な信号対雑音比（SNR）で再現できる範囲のことです。カメラのDRは、フレア光によって制限されることがよくあります。フレア光とは、主にレンズエレメント間の反射によって発生する、画像内の迷光です。フレア光は、画像をぼかすことでDRを低下させます。つまり、暗い部分のディテールが失われてしまうのです。これが、カメラ（レンズを含む）のDRが、イメージセンサーのDRよりも劣る主な理由です。イメージセンサーのDRは、最近のHDR（ハイダイナミックレンジ）センサーでは最大150dB（3000万：1）に達することもあります。

過去2年間で、テストチャート画像内のフレア光が、理論的にはテストチャートの画像と誤認され、DR測定値が過大評価される可能性があることが分かりました。この問題は2019年半ばに現実のものとなり、実際にこのエラーが発生した画像が見られるようになりました。これらの画像を分析することで、フレア光による信号対雑音比（SNR）測定値の過大評価を防ぐための技術を開発しました。ここでは、これらの技術について説明します。

お客様の中には、誇張された測定値を好む方もいらっしゃることを認識しております。なぜなら、そうした測定値はHDRセンサーの仕様に匹敵する、時には120dBを超えるような非常に高いHDR値を示し、マーケティング資料の見栄えも良くなるからです。フレア光の影響を除去した際に得られる、低くはなりますが現実的なDR測定値は、こうしたお客様の中には不快に感じる方もいらっしゃるかもしれません。お客様のご意見には、できる限り対応させていただきます。

フレア光の影響

フレア光は、 XYLAチャートの画像で説明できます。XYLAチャートは、線形構成の高精度HDRテストチャートで、光学濃度ステップが0.3の21個のグレースケールパッチで構成されています。この画像は、低価格の「ブラックボックス」カメラで撮影されたものです。

画像統計モジュールで作成された上部の断面図は、XYLA画像の中央部で撮影されたものです。フレアは画像上で最も顕著に現れており、断面図においても最も明るい部分の左側で減衰している様子が確認できます。

下側の断面図は、アクティブなチャート画像の外側（下側）で撮影されたもので、上部にフレア光が見やすくなるように明るく表示されています。チャート右側のピクセルレベルの変化（ x軸が800～1600）は、左側の最も明るい部分から拡散するフレア光によるものです。

この画像に関するいくつかの注釈。

この画像は非常に強い局所的なトーンマッピング効果を示しており、その結果、測定されたガンマ値は0.148という極めて低い値（あまり意味のない値）となっています。SNRは、従来の線形イメージセンサーのように単調に低下するのではなく、通常とは異なる変化を示しています。これは、複数の動作領域を持つHDRイメージセンサーが使用されたことを示唆しています。

画像に著しい樽型歪みがあったため、領域選択が困難でした。 コントラスト解像度チャートの方がはるかに使いやすく、トーンマッピングが存在する場合でもシステム性能をより正確に把握できます。

フレア光がもっとひどかったら、チャート自体からの信号と誤認され、誤ったDR測定値につながる可能性が十分にあった。

フレア光は非常に複雑な現象です。画像にオフセット（しばしば「ベールグレア」と呼ばれる）を加えることがあり、画像処理パイプラインにおいて黒レベルのオフセットと区別するのが困難です。多くの場合、明るい部分の近くで最大となり、そこからの距離が離れるにつれて減少します。その減少率は、必ずしも良好な指数関数的変化を示すとは限りません。

レンズの反射は、中距離フレア光の主な原因の一つです。無コーティングのガラス面（屈折率≅1.5）は、入射光のR = 4% = 0.04を反射します。（ガラス板やレンズ部品には2つの面があることを覚えておいてください。）

レンズ面と光源の間にある各ガラス面において、一次反射光の割合R （入射光のR² ^）がイメージセンサーに反射されます。これを二次反射と呼びます。ほとんどのレンズ面は湾曲しているため、この光は焦点が合わず、画像の一部がぼやける傾向があります。

Edmund Opticsによると、最高の反射防止コーティングは可視スペクトル（約400～700nm）でR ≅ 0.4% = 0.004です。R = 0.005は、妥当な入射角の範囲でより現実的かもしれません。各二次反射からセンサーに反射される光は、 R ² = 0.000025 = 2.5*10 ^-5 = -92 dB (20*log ₁₀ ( R ² ))となります。二次反射の数N _secは、レンズ内のコンポーネント数M （接着された要素のグループで、それぞれに2つの空気-ガラス面があります）とともに急速に増加します。コンポーネントが1つの場合は1、コンポーネントが2つの場合は6、コンポーネントが3つの場合は15、コンポーネントが4つの場合は28、コンポーネントが5つの場合は45などです。Mコンポーネントの場合、

M = 5 コンポーネントは、高品質のカメラ付き携帯電話では一般的です。M ≥ 12 コンポーネントは、 DSLR ズームレンズでは一般的です。全体として、迷光が画像全体を覆わないため、レンズフレアは二次反射の数から想像されるほど深刻ではありません。迷光は明るい領域からの距離とともに減少します。センサーの DR がはるかに高い場合でも、実際のカメラの DR 測定値が 70～90dB 程度に制限される理由は容易に理解できます。

ISO 18844フレアモデルは、レンズ反射によって引き起こされる空間依存のフレアを測定しないため、実際のシステム性能を特徴付ける上での価値は限られている。

円形テストチャート

ImatestがDR測定に推奨するテストチャートは、透過型（つまりバックライト式）で、パッチ配置が（ほぼ）円形のチャートです。つまり、直線状ではないチャートです（上に示したXYLAチャートなど）。右側に示した2層または3層のハイダイナミックレンジチャートには、 いくつかのバージョンがあります。写真フィルムチャートはパッチ密度が一定ではないため、これらのチャートを使用する際には参照ファイルが必要です。

高品質カメラ

最近まで、私たちが分析したダイナミックレンジ画像のほとんどは、比較的フレアの少ないデジタル一眼レフカメラやミラーレスカメラで撮影されたものでした。しかし、最近見られるフレアがひどい画像は、性能の劣るカメラで撮影されたものです。フレアがこれほどひどくなった正確な理由はまだ特定できていませんが、多要素レンズのコーティングの質が低い、あるいはレンズ鏡筒内のバッフルが少ないことが原因かもしれません。

以下は、高画質カメラで撮影した画像の例です。下のサムネイルをクリックすると、フルサイズの画像が表示されます。

	高品質（キヤノン90mmティルト/シフト）レンズで撮影したJPEG画像の結果

この4枚の画像は、ソニーA7Riiカメラに2種類の全く異なるレンズを装着して撮影した、48ビットRAW（またはRAWから派生したTIFF）ファイルと24ビットJPEGファイルです。

• キヤノンEF 75-300mm f/4-5.6レンズ（オリジナル版）を80mm、f/5.6に設定したもの。このレンズは10群15枚のレンズ構成です。

• 非常に高品質なキヤノンTS-E 90mm f/2.8（ティルト/シフト）レンズをf/5.6に設定。このレンズは5群6枚構成なので、75-300mmレンズよりもフレア光が少ないことが期待されます。

• 最も暗い2つの領域（35番と36番）の結果は、その濃度（8.184と8.747、それぞれ163.7dBと174.5dBに相当）がグラフの160dBの制限を超えているため、グラフの範囲外になっていることに注意してください。160dBは1億：1の比率に相当し、センサーの前にレンズがあるカメラシステムの能力をはるかに超えています。

予想通り、90mm T/Sレンズはダイナミックレンジが大幅に向上しており、JPEGファイルではレスポンスの「ショルダー」（画像の明るい部分の傾斜が緩やかな領域）がより顕著になっています。しかし、一つ驚くべき点があります。JPEG画像のダイナミックレンジはRAW画像とほぼ同等です。これは、明るい領域のピクセルレベル数を減らし、暗い領域のピクセルレベル数を増やすガンマエンコーディングによって、リニア8ビット（256レベル）ファイルで予想される範囲を超えてダイナミックレンジが拡張されているためと考えられます。

上記の 4 つの画像のうち 3 つの画像では、低品質の DR が傾斜から得られる DR よりも低いことに注意してください。残りの 1 つの画像では、両者は非常に近い値になっています。傾斜ベースの DR を単独で使用することはお勧めしません (SNR = 0dB (信号対雑音比 = 1) の領域をはるかに超えて広がる場合が多いためです)。つまり、SNR が低いためにノイズによって画像の詳細が完全に覆い隠される領域も含まれます。

低価格の「ブラックボックス」カメラ

先日入手した低価格の「ブラックボックス」カメラで撮影した画像と比較すると、2つのレンズ（中品質と高品質）のダイナミックレンジの差はごくわずかであるように思われる。

低品質 (SNR = 0dB、Low と表示) DRは148dBと測定され、これは驚くほど高い数値です。傾斜から算出されたDRは66dBで、いくつかの品質ベースのDR測定値（および90mm T/Sレンズの傾斜ベースのDR）よりもはるかに低い値です。最も暗い2つのパッチは、その密度（8.184と8.747）がプロットの160dBの制限を超えているため、このプロットには表示されません。（160dBは1億から1の範囲であり、どのセンサーやカメラでも期待される範囲を超えています。言い換えれば、1つの光子が最も暗いパッチに到達すると、最も明るいパッチがチャートまたはセンサーを発火させることになります。）

何が起こっているのかを理解するためには、高品質カメラで撮影した画像の暗い部分を観察し、暗い部分のディテールが見えるように（X-）またはXX-明るくした画像と、低価格カメラで撮影した同様の領域を比較する必要があります。

6群（5グループ）の90mmレンズのRAW画像では、7行目（下から2番目、パッチ27～32）に明度が低下する領域がはっきりと確認でき、最下段にも明度が低下する領域は確認できないものの、明度が低下する領域は依然として確認できる。パッチ30には（おそらくレンズからの）反射が見られる。90mmレンズのJPEG画像にはノイズが多く、JPEGは256段階（0～255）しかないため、量子化ノイズである可能性もある。15群（10グループ）の75～300mmレンズの画像には、明らかにフレアの痕跡が多く見られる。

それでは、これらの結果、特に90mm T/Sレンズで撮影したRAW画像（左のサムネイル）を、低価格のブラックボックスカメラで撮影した画像と比較してみましょう。

下2行（パッチ27～36）ではパッチの詳細が全く見えません。各行で左から右へ減少するのではなく、ピクセルレベルは上から下へ減少し、下2行では比較的一定のままで、バンディング（255レベルの結果）がはっきりと確認できます。これは明らかにフレア光であり、テストチャートからの信号ではありません。残念ながら、これらの行のSNRは非常に良好です。これは、Imatestがノイズ計算において照明の不均一性の影響を除去しているためです。（設定でこれをオフにすることもできますが、実際の照明の不均一性がある場合により良い結果を得るために、通常はオンにしておくことをお勧めします。）しかし、この信号はアーティファクトであり、本物ではありません。

幸いなことに、これは、上に示した 36 パッチ DR チャートのような円形構成の DR テスト チャートでは難しくありません (直線チャートでは難しくなります)。パッチの配置により、フレア光がシーンを支配すると、パッチ レベルの減少が止まります。これは、上の例の下 2 行で明確に確認できます。これらの行では、画像が上から下に向かって暗くなっています (パッチ シーケンスに垂直)。パッチの明るさの減少が止まったら、フレア光が支配的であると確信できます。つまり、カメラの DR の範囲外です。これは、傾斜ベースの DR を超えるパッチの場合に当てはまります。

このため、品質に基づくDR測定はすべて、傾斜に基づくDR（最大値）に限定するのが妥当である。

Imatest 5.2では、オプションIIウィンドウ（ Imatestメインウィンドウの右下にあるボタンからアクセスできます）で、品質ベースのDRを傾斜ベースのDRに制限するかどうかを選択できます。このチェックボックスをオンにすると、制限が結果表示に表示されます。