白黒のデジタルファイルを得る方法は二つある。フィルタリングされたセンサーでカラーを撮影し、後からカラー情報を捨てる方法と、そもそもカラーフィルタリングを行わないセンサーで輝度を直接撮影する方法だ。最終的なフレームは似て見えるが、シリコンに届く光の量と、残存する空間的細部の量において、両者は大きく異なる。この比較を誠実に行うには具体的な数字が必要であり、最もわかりやすい例は Leica が同一シリコン上に作った二台のカメラ、M9（2009年）と M Monochrom（2012年5月10日発表）だ。どちらも Kodak KAF-18500 CCD、35.8×23.9 mm、6.8ミクロンピクセルの18メガピクセルという同じイメージャーを搭載している。違いはただ一つ、Monochrom のカラーフィルターアレイが剥ぎ取られていることだ。

ベイヤーアレイとそのコスト

ほぼすべてのカラーセンサーは、Eastman Kodak の Bryce E. Bayer が特許を取得したカラーフィルターアレイ（CFA）によってカラーを記録する。これは US Patent 3,971,065、1975年3月5日出願、1976年7月20日登録の特許だ。パターンは赤1、青1、緑2からなる2×2タイルの繰り返しで、全フォトサイトの半数を緑が占め、赤と青がそれぞれ四分の一を占める。緑が意図的に過剰サンプリングされるのは、人間の視覚系が輝度、つまり明るさと高周波の細部の感覚を主として緑の波長から得ているからだ。

各フォトサイトが測定するのは自分のフィルターが通す1つの原色のみで、残り2つの値は隣接フォトサイトからデモザイク処理によって推定される。つまりベイヤーチップが直接測定するカラー情報は約三分の一に過ぎず、残りは補間で作られる。この補間はクロマ解像度に最も大きな打撃を与える。輝度は密にサンプリングされた緑チャンネルに追随するため影響は少ないが、それでも低下する。広く引用される測定によれば、ベイヤーセンサーの実効輝度解像度は公称ピクセル数の約0.58倍とされている。

デモザイクがエッジをぼかす仕組み

スローガンよりメカニズムのほうが重要だ。典型的なデモザイクはまず緑チャンネルを再構築する。緑は4サイトのうち2サイトでサンプリングされており、補間すべきグリッドが最も密だからだ。次に赤と青は、局所的な赤対緑・青対緑の比率を一定に保ちながら、緑アンカードの推定値から欠損した四分の三を補填して求められる。

センサー上に落ちるハードな黒から白へのエッジを考えてみよう。これは高周波の輝度イベントであり、輝度はすべてのチャンネルに存在する。しかし赤と青のチャンネルでは、エッジ上の4サンプルのうち3つは推測値であり、エッジをまたぐ隣接サイトを必然的に平均するカーネルによって再構築される。遷移をまたいで平均化することは、定義上、ぼかしだ。測定サンプルが存在しない場所にクリーンな境界を置くことは補間にはできない。そのため、細かい輝度構造は柔らかくなる。フィルターなしのセンサーにこの問題はない。各フォトサイトが自分の位置での完全な輝度値を測定し、1フォトサイト対1ピクセルで、何も推定しない。

見えないフィルター：アンチエイリアスレイヤーがない

Monochrom のピクセルあたりの鮮明度を高めるもう一つの、しばしばより大きな要因があり、見落とされがちだ。カラーセンサーにはオプティカルローパスフィルター、つまりアンチエイリアス（AA）フィルターが搭載されている。これはセンサーの前面に置かれた意図的なぼかしで、CFA データを補間する際に細かい繰り返しパターンがカラーのモアレを生じさせないよう、デモザイクのナイキスト限界よりも細かい細部を意図的にぼかすものだ。このぼかしはすべてのフレームで鮮明さを犠牲にする。

モノクロセンサーにはエイリアシングするクロマがないため、カラーのモアレを抑制する必要がなく、AA フィルターを完全に省略できる。Monochrom はこうして二重に鮮明さを得る。補間なし、そしてオプティカルローパスレイヤーなし。そのトレードオフとして輝度のエイリアシングが現れることがあり、細かい布地、遠くの柵や屋根瓦にはモノクロのモアレが現れることがある。カラー＋AA カメラならそれを滑らかにしていたはずのものだ。

メーカーの数字と測定値

Leica 自身の Monochrom に関する主張は、同等のメガピクセルのカラーセンサーから作成したモノクロ画像と比べて「100%シャープ」、つまりおよそ2倍の解像度をもたらすというものだ。ただしこれはメーカーの数字であり、独立した検証結果ではない。

測定された現実はより控えめだ。Popular Photography のラボテストでは、M9 が ISO 80 で約2675本/画像高さを解像したのに対し、Monochrom は ISO 160 で約2800 lph を解像した。これは実際の向上だが、数パーセントであり、2倍ではない。「100%シャープ」という言葉は、デモザイク処理なしと AA フィルターなしの組み合わせ効果に対するマーケティング用の略称として読むのが最善だ。その効果は本物であり、マイクロコントラストとエッジのくっきり感に可視的に現れるが、解像細部が2倍になるとはとても言えない。

感度が上がる理由

フィルターに吸収された光はフォトダイオードに届かない。各ベイヤーフォトサイトは自分のパスバンドしか見えないため、緑サイトに届く赤と青のほとんどは捨てられる。CFA を取り除けば、各フォトサイトが可視スペクトル全体にわたって集光し、所定の露出でより多くのフォトンをサイトごとに捕捉できる。

これは定格感度に現れる。M9 のベース ISO は160（80まで引き下げ可能）で、上限は2,500。Monochrom のベースは320、上限は10,000だ。下限では320÷160がちょうど1段（ストップ）の余分なベース感度に相当する。上限では2,500から10,000が2段（ストップ）の追加ヘッドルームだ。ノイズ改善にもメカニズムがある。フォトサイトあたりのフォトン数が増えることで、固定された読み出しノイズフロアの上に乗る信号が大きくなり、信号対雑音比が上昇する。その結果、シャドウはノイズに溶け込む代わりに、クリーンなまま階調が分離される。

コントラストはレンズに委ねられる

トレードオフは絶対的だ。フィルターなしのセンサーはカラーを記録せず、後から戻すことはできない。これがトーンコントロールにとって重要な物理的理由がある。パンクロマティックの銀塩乳剤も裸のシリコンも、人間の目よりも青や紫外線に対して本質的に感度が高い。そのため、フィルターなしで撮った青空は明るくなりすぎ、雲が白飛びしてしまう。フィルムではこれを光学的に解決する。モノクロデジタルセンサーでもまったく同じことをしなければならない。なぜならファイルにはカラー情報が含まれておらず、後からソフトウェアで重み付けする余地がないからだ。

ツールはレンズに装着するコントラストフィルター、吸収によって機能するものだ。イエローフィルターはイエローとそれより波長の長いオレンジや赤を通し、青と紫を吸収する。オレンジと赤はさらに進んで青と緑をより多く遮断し、空を徐々に暗くし、短波長の光の散乱である大気のもやを消す。各フィルターは露出にファクターを要求する。Yellow 8（K2）はファクター2、1段（ストップ）。Orange 16 はイエローより強い。Red 25 はファクター8、3段（ストップ）まるごとで、最も暗い空と最も強いもや除去を実現する。

具体的な例を挙げよう。Ilford HP5 Plus をボックススピードの EI 400 で撮影し、真昼の風景をフレームに収め、青空がゾーン VI 付近に落ちるよう測光する。レンズに Red 25 を付けてその空をゾーン III か IV 付近まで引き下げ、ドラマチックな暗黒に近いレンダリングを実現する。そして3段（ストップ）分開けてフィルターファクターを補い、実効 EI を50まで下げる。モノクロデジタルボディも同じ見た目にするには、まったく同じフィルターをレンズに装着する必要がある。一方、カラーカメラなら後から現像時に青チャンネルを下げることでおおよその再現が可能だっただろう。カラーが記録されていなければ、その決断は露出の瞬間に下される——レンズの前にガラスを置いて。それは HP5 のシートの上の空がずっと要求してきたのと同じ規律だ。