擬似アポダイゼーションフィルタの模様

レーザーカッターで精巧に紙を切ってアポダイゼーションフィルタを作る話を前回の記事で書いたが、それを改良すべくいくつか実験をした。

ここでクイズだが、以下のパターンの中で、最もボケ味が良くなるものはどれであろうか。

これがフィルタなしの例だ。今回の実験では、対応が取りやすいように、点光源も写してある。直径5mmの穴を開けた紙の後ろにLEDライトを置いた。点光源に対しては、絞りの形が描写される。開放かつセンサーの中央付近なので真円の形をしていて、濃さに偏りのない素直なボケだと言えよう。

我ながら頑張ったのだが、冒頭の20種類のフィルタを全部作って試したのだ。せっかくなので、全ての例を挙げてみよう。個々の例を別タブで開いて確認してみてほしい。

おそらく、ほとんどの人が、4行2列のこれを最善と答えるだろう。すなわち、48芒星、中心開口部13mm、直線角、角終端丸みなし、中央リングなしの例だ。こうすると、点光源でさえ模様がそんなに目立たないし、点光源以外のボケは本物のアポダイゼーションフィルタをつけたかのように、クリーミーに溶けてくれる。

その他の例も、それぞれ意味があってやっていて、学ぶことがある。角の数を減らすと、回折やフレアは減るはずだが、ボケが荒くなる。中心開口部を広げると、回折やフレアは減るはずだが、溶ろけ感が少し減る。角を曲げると、光芒が伸びにくくなって模様が視認しずらいことを期待したが、逆にスリットが太くなってボケが荒くなる。角の終端を丸くすると、回折やフレアが減るはずだが、同じく線が太くなってボケが荒くなる。中央にリングをつけると紙の強度が増して使いやすくなるが、ボケが荒くなる。星と水玉と同心円はやはり論外で、めっちゃ汚い。

小賢しい工夫は全て失敗に終わり、最初に思いついた素の48芒星が最善という結果になった。しかし、そもそもなんでこの実験をしているかというと、48芒星にも欠点があるからだ。コントラストと解像度が下がる。細いスリットが多くの面積を締めるために、回折光が全体の光量に締める割合が上がるからだと考えられる。したがって、細いスリットが締める面積をできるだけ減らしつつ、似たような描写をするパターンを見つけたい。

話は逸れるが、アポダイゼーションフィルタを使わずとも、ボケの淵を滑らかにする手法が二つある。このサイトの実験がわかりやすい。ひとつは機械式絞りのレンズを使って露光中に絞りを変えることだ。錯乱円の周辺部の露光時間より中心部の露光時間の方が大きくなるようにすれば、錯乱円がグラデーションになる。もうひとつは、同一被写体を絞りを変えつつ複数回撮影して、そのデータを平均合成することだ。後者の方法はミノルタのAlpha 7という昔のカメラにSTFモードとして実装されていたそうで、手間をかければどのカメラを使っても実現できる。そのサイトの作者はSTFモードの復活を切望していたが、私としては前者のアプローチをRX1の後継機とかで実装してくれないかなと思っている。レンズシャッターであれば、シャッター幕が絞りとしても機能するので、シャッター幕の速度を遅くしさえすればグラデーション効果が出るのだ。

絞りブラケット平均合成の手法を私もやってみた。F1.8、F2.8、F4、F5.6、F8で同一被写体を撮影した例を合成するだけだ。Lightroomでスタックした画像を平均合成してもいいし、ImageMagickだと convert input-*.jpg -colorspace rgb -evaluate-sequence mean -colorspace srgb output.jpg とかでOK。

ボケが自然に美しくとろけて、画質の劣化は皆無だ。点光源がタマネギ模様になるのは欠点だが、絞りの刻みを細かくすれば緩和できるはずだ。ボケが小さくなりすぎた感があるが、グラデーションの勾配は加重平均の重みを変えればいかようにも調整できる。デジタルの力は偉大だ。この手法の最大の欠点は、複数枚を撮影しないといけないことだ。したがって、動体は扱えないし、三脚等にカメラを据え付けないといけない。画質の点では完璧に近いが、日常でそれをやるのは現実的ではない。その点では、一枚の撮影で済むフィルタ方式が強い。それでいかにこの画質に近づくか。

さらに話は逸れるが、いわゆる一眼カメラとスマホカメラの作例の弁別をさせるサイトがよくある。最近のスマホはポートレートモードなどと称した機能が搭載されていて、視差を利用した被写体の距離判定結果をもとにピント面から外れた被写体にぼかし処理をかけることで被写界深度の浅い撮像をシミュレートすることができる。そうすると、被写界深度の浅さをもって一眼カメラっぽさを認識している人にとっては、むしろスマホの作例の方が一眼カメラっぽいという感想を持つことになる。一方で、ぼかし処理を逆手にとって、スマホっぽさを検出できると気づいた。大口径レンズで絞りを開けて撮った作例では、ボケの錯乱円の淵が円や楕円の形で視認できることが多い。一方で、ボケ部分にガウシアンぼかしをかけているスマホの作例では、ボケの錯乱円の淵はとろけている。だから、ボケに淵がついていたら一眼、とろけていたらスマホだ。各種サイトでこの弁別方法を試したところ、ほぼ正解率100%になる。

試しに、上記の実験の開放の例で背景だけ選択してガウシアンぼかしをかけてみよう。カラクリを理解した今となっては、この結果は大口径レンズっぽいとも言えるし、逆にスマホっぽいとも言いたくなる。

てことは、このアポダイゼーションフィルタがやろうとしている仕事って、実はスマホっぽい作例を作ろうとする試みだとも言える。だからダメってわけじゃないけど、じゃあスマホでいいじゃんという気になってくるからちょっと悔しい。カメラファンに残る言い草は、「ちゃんとしたカメラの方がピント部からボケ部までのトランジションゾーンの繋がりが良い」とかなんだろうけど、正直それは素人には理解しがたい世界だ。

閑話休題。素の48芒星でボケ味はいいとして、問題は、フレアによるコントラストの低下だ。明るい場所で使うとこの問題は顕著になる。

とはいえ、この程度のフレアなら後処理でブラックを下げさえすれば無かったことになるので、許容できなくもない。

できることなら、なんとか光学的にフレアの問題を緩和したい。48芒星をベースにもう少し変種を試してみよう。ベースラインとなった素の48芒星（1行3列）に匹敵するものはあるのか。

開放の例はこれ。例によって点光源を背景に用意してある。

各フィルタをつけるとこうなる。

見比べると、やはりボケ味の美しさは素の48芒星が最善だと感じる。2行目の4つと3行目の左2つは、少しずつ大きさや太さの違う12芒星を重ねて不規則な感じのパターンを作り出した。その中では、2行目1列が最善だろう。不規則にした効果で、明るい部分の内側の階調性は増しているが、視認しやすい模様が出ているのが良くない。不規則な形にするということは、模様が密な部分と疎な部分を作り出すということであり、疎な部分が撮像に出やすくなってしまうということだ。中心開口部は13mmくらいが最善で、それより小さくても大きくてもグラデーションが美しくなくなる。

他にも気づきがある。模様を捻るのは良くない。それでボケ味が特段良くなるわけではないし、模様が写ってしまった場合になんだか有機的で気持ち悪い感じになる。

捻った模様で玉ボケをわざと作るとさらに気持ち悪い。捻らないで真っ直ぐであれば、ちょっと模様が写っているくらいなら、光芒が出たのかなと思うくらいであまり気にならないだろう。

さらに、1行1列の真円の例から学ぶことがある。真円であれば解像度もコントラストも低下しない。むしろ光路を絞った効果でそれらは向上する。ということは、フレアが出る問題の原因は、遮光板の存在による透過光や反射光ではない。実は反射光を疑っていろんな黒色紙を買って試してみたのだ。紙自体の色はそこそこ違っても、撮れる画質はどれもほとんど変わらない。模様が重要なのだ。

解像度とコントラストの低下を確認すべく。実験2と同じフィルタを使って、近接の花を撮影してみた。開放の例はこれ。

各フィルタをつけるとこうなる。

この実験でまず気づくのは、ボケがある一定より大きいと、ボケ味なんて概念はほとんどなくなるということだ。1行1列の真円の例を除けば、どれも十二分に背景がボケていて、良し悪しなどほとんどない。ボケ量が少ない場合にボケ味が生きてくる。私は背景が視認できつつも主要被写体が浮き立つような絵が好きだが、アポダイゼーションフィルタの効果はまさにそれを実現するものだろう。

コントラストの比較がこの実験の主目的だ。橙色の花の中心部分にMFでピントを合わせているが、そこを見るとわかりやすい。1行1列の真円の例では、絞りの効果でむしろコントラストが上がっている。一方で他の例では、どれもコントラストが低下している。1行2列の開口部が小さい例で最も顕著だ。1行3列の素の48芒星でもそこそこ低下している。それに比べると2行1列の不規則48芒星は、開口部が大きくて、かつスリットが太い分だけ、コントラストの低下が緩やかだ。不規則48芒星を編み出した目的はまさにそこで、開口部を大きくしてスリットを太くしても、そこそこのグラデーション効果が発揮できるかを試したかったのだ。そして、その際のコントラストがどうなるかも知りたかった。で、結論としては、不規則48芒星の方が若干コントラストが高いが、ボケ味の悪化を補うほどのものではないということになるだろう。とはいえ、以下に示すように、不規則48芒星の例も十分美しい。どちらも遜色ないとも言えるかも。しかし、そういう場合は単純な方が良いとオッカム先輩も言っているので、やはり軍配は素の48芒星に上がるか。

線形の光源がある場合にどうなるかを実験してみた。今までの実験と同じ構成で、5m先の背景にLEDライトを置いたのだが、その前には幅1mmで長さ50mmの横長のスリットを置いた。左から、開放、素の48芒星、捻った48芒星の例だ。

中央の素の48芒星に着目しよう。光源が横方向に広がっているので、フィルタの放射線の縦方向のスリットは平均化されて美しいグラデーションになっている。一方で横方向のスリットが模様として残ってしまう。スリットを捻るとこの問題が緩和されると期待したが、右の例を見るとそうでもない。スリットを曲線にしたとしても、末端は直線に近い形になるので、捻った感じで模様が残るだけだ。末端が円周に漸近するような模様が描ければ話は別だが、紙とレーザーカッターの精度では難しい。

もうひとつ知りたいのは、角の数を奇数にするとどうなるかだ。偶数だと必然的に線対称かつ点対称になるので、より線形光源に弱いのではないか。逆に奇数だと少しマシなのではないか。左が開口部を少し広げた48芒星、右が開口部を少し広げた47芒星の例だ。

開口部を広げたおかげでグラデーションのなだらかさが減ったのは予想通りだ。そして、偶数と奇数で特に差が出ないということもわかった。角の数が一定以上多くて中心開口部が一定以上大きければ、対岸の角の模様と干渉することはほとんどないらしい。

てなわけで、考えたいくつかの工夫は無意味であることが証明された。言い換えれば、素の48芒星が最善であると自信を持って言えることになった。すなわち、直径27mmでスポーク率0.35の48芒星を描いて、その中心に直径13.5mmの円を置く。それらを直径26.5mmの円の中央に置いたら完成。これが紙でできる最善の擬似アポダイゼーションフィルタの模様である。中心に直径13.5mmの円を置くのは、レーザーの太さを考えてのことだ。それぞれの角のスリットが少しずつ太くなるのだが、その幅は制御できない。各々のスリットの先端がレーザーの太さに応じて変わってしまうと開口部が真円にならずに汚くなる。よって、円を置くことで先端を切って長さを揃えた方が良い。13mmよりは13.5mmくらいの方が安定する。

開口部とグラデーション部を合わせた全体の直径は27mmで、中央開口部が13.5mmということだから、直径の半分は素通しで、残りがグラデーションということになる。開口部と全体の面積比は 1 : 4 だ。グラデーション部の透過率が33%くらいだとすると、全体の透過率は40%くらいになる。だいたい1EVちょっとの減光になる計算になる。てことはボケ量はF2.8相当くらいになるのかな。作例を見た直感とだいたい合っている気がする。

最終案のフィルタを装着して、日常を撮ってみよう。今回は特にポートレート的な例での使い勝手を確かめたい。

未加工のRAW画像ではそれなりのフレアが視認できていたが、後処理でブラックを下げて（ブラックポイントを上げて）補正してしまえば、痕跡が全くと言っていいほどなくなる。フレアによって画面全体の輝度がほぼ一様に上がっているという仮定が真なら、その上昇分を減らせば元に戻るわけで、情報欠損はない（実際には偽で、ブラックポイントを上げるほどに暗部の階調は減る）。解像力の低下に関してはシャープネス処理で補うことになるのだが、そうするとほんの少し線が太くなるのが悩ましい。とはいえ、フィルタをつけない場合にもシャープネス処理はかけるだろうし、その強度を殊更強めなければいけないほどではない。また、絞りを開けてボケを重視した撮影では、ピクセルレベルの解像力の優先度は低いだろう。

45mm（換算90mm画角）のF1.8だとボケが大きすぎると感じることがむしろ多い。あんまり大きく背景をぼかしても、どこで撮ったかよくわからない写真になるだけだ。アポダイゼーションフィルタをつけるとボケが小さくなり、しかもそのボケが滑らかなので、とても使いやすくなる。放射状の模様が実写で目立つことはほぼない。センサーに写る全ての錯乱円は絞りの形をしているわけだが、錯乱円がかなり大きく、また周囲とのコントラストが大きい場合でないと角の形が視認できるようにはならない。視認できたとしても、夜景の玉ボケでもなければ、ほとんど気にならない。そもそも絞りの形状が丸いってのもレンズの勝手な都合なわけで、それが48芒星じゃいけない理由はないだろう。

周辺減光に関しては、なさすぎて驚くくらいだ。フィルタをつけなくても開放F1.8付近では周辺減光があるわけだが、Lightroomのレンズプロファイルではそれが自動的に補正される。今回のフィルタでは実質的に絞っているにも関わらずEXIFデータにはF1.8と書かれているので、Lightroom上で過補正が起きてもおかしくない。てことは、フィルタでの減光とLightroomでの過補正が相殺して、ほぼ減光なしという状態になっているのかもしれない。なお、中心付近に主要被写体があるポートレート的な作例では周辺減光はあった方が視線誘導の観点で望ましいので、上記の例では後処理で周辺減光を加えている。

まとめ。一連の実験を通して、何ら革新的な発見は無かったが、前回設計した48芒星が最善っぽいという結論を得た。フレアの問題は解決できていないが、RAW撮影してあとでいじれば使い物にはなると思う。やっぱりボケ味が良いと気持ちがいい。というか、これを使えば使うほど、本物のアポダイゼーションフィルタ内蔵レンズが欲しくなってくる。そうすると、キヤノンの新型はちょっと高すぎるので、ソニーかフジなのか。オリ頑張れよオリ。M.Zuiko 45mm F1.8 STFを3万円で出すんだ。