今日のおじさん、なに食べました? (仮)

妻の料理と、おじさんの毎日の記録です。ほんのり工学テイスト。

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F値のワナ1~F値が小さいと暗所に強いって本当?
【今日の夕食】
 今日は、糀谷(こうじや)にある「童具館」に行きました。高価な積み木が置いてある店です。いろいろな積み木を実際に手にとって遊べます。娘(2歳6ヶ月)は、ずいぶんと熱を入れて遊んでいました。妻も、7000円もする積み木を買って、満足そうです。私は帰りに横浜に寄って、デジカメのカタログ集めをしました。三者三様、充実した休日を過ごしました。
 昼食が外食だったので、夕食はさらりと、そうめんです。
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★そうめん

★枝豆

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【今日のおじさん】F値のワナ1~F値が小さいと暗所に強いって本当?
 4月に新しいデジタルカメラ(オリンパスTG-630、防水コンデジ)を買ってから、レンズやカメラに興味を持つようになりました。少し前から、レンズやカメラの実験を記事にしています。 (→一覧はこちら

 今回は、F値にまつわる誤解のうち、「F値が小さいほど暗所に強い」のウソについて、書きます。


★F値の誤解
 デジタルカメラのカタログを見ていると、「F値が小さいので暗い場所の撮影に強い」といった記述が目につきます。たとえば、ある製品カタログ[1]には、次のように書かれています。
「XZ-2では広角側F1.8、望遠側F2.5、XZ-10では広角側F1.8、望遠側F2.7の開放絞り値を実現。圧倒的な明るさのレンズが、味わい深く印象的な世界を作り出します。暗いシーンでも、速いシャッタースピードにより、ぶれを抑えた美しい写真が撮影できます。ポートレートやマクロ撮影では、美しいぼけ味で被写体を強調します。」
[1]オリンパス;スタイラスXZシリーズカタログ、CA@XZシリーズ-1301-01(2013)

 この文章には、誤解を与えやすい表現が含まれています。すなわち、この文章だけを読むと、次のように考えてしまいがちです。
 ・F値が小さい=暗所での撮影に強い。
 ・F値が小さい=ぼけ味を得やすい。
 上の考えは、私も誤解していたのですが、実は正確ではありません。撮像素子サイズ(センサーサイズ、CMOSやCCDのサイズ)が違うカメラで比較する場合には、F値の大小だけでは、暗所での撮影の強さや、ぼけの大小を論じることができないのです。
 今回は、「F値が小さい=暗所での撮影に強い」が正確でないことと、暗所での撮影の強さを正しく把握する方法について、述べます。


★そもそも「F値」とは
 F値の定義と意味については、以前の記事(→こちら)に書きました。F値(F)は、次式1で定義されます。
20130627s9.jpg<式1>
 ここで、
 ・f:焦点距離[mm](35ミリ換算ではない、実際の値)
 ・D:レンズ有効直径(口径、有効径)[mm]
 カメラは、単純には、下図1のように、光源(被写体)、レンズ、投影面(撮像素子)で構成されます。光源の直径をd1[mm]とします。光源の強さ(被写体の放出する光エネルギー、単位時間あたり)をQ0[W]とします。レンズから光源までの距離をL1[mm]、レンズから投影面までの距離をL2[mm]とします。投影面には、直径d2[mm]の像が投影されます。
<図1>
20130627z2.jpg
 投影面における光の強さ(明るさ)q2[W/mm^2]は、投影面に到達するエネルギ密度です。次式2で計算できます。(この式の導出方法は、以前の記事→こちら
20130831s1.jpg<式2>
 式2のFが、「F値」です。式2を見ると、投影面(フィルム)に投影される像の明るさ(光の強さ)は、F値の2乗に反比例することが分かります。すなわち、次のようになります。
 ・F値が大きいほど、投影される像が暗くなる。
 ・F値が小さいほど、投影される像が明るくなる。
 以上が、「F値が小さいほど明るいレンズである」という理由です。ここまでは、カタログの記述に誤りはありません。正確ではないのが、明るいレンズ=暗所での撮影に強い、という点です。


★撮影素子の出力はF値と撮像素子サイズで決まる
 CCDやCMOSなどの撮像素子(撮像センサー)は、光エネルギを電荷に変換し、次いで電圧に変換するデバイスと考えられます。電圧はAD変換でデジタル量に変換され、その後、画像処理エンジンなどによって、画像の輝度データに変換されます。ここで注目すべき点は、撮像素子への入力が、光の強さ(エネルギ密度、単位[W/mm2])ではなく、光エネルギの総量(単位[J])である点です。撮像素子の素子1個に入力される光エネルギの総量e2[J]は、次式3となります。(この式の導出の詳細は、こちらの記事
20130831s2.jpg<式3>
 ここで、
 ・M:撮像素子のサイズ(幅)[mm]
 ・n:撮像素子の並び数(幅方向)[個]
 ・ts:シャッタースピード[s]
 撮像素子は、この光エネルギを電圧Vに変換します。簡単のため線形変換とすると、出力電圧Vout[V]は、次式4となります。ここで、K1[V/J]は変換係数です。
20130831s3.jpg<式4>
 式3と式4から、記録される写真の輝度p[bit]は、次式5のようになります。ここでも、線形変換を仮定しています。K2は変換係数[bit/V]、KISOはISO感度です。
20130831s4.jpg<式5>
 式5から分かる通り、記録される写真の輝度(明るさ)は、F値だけでなく、撮像素子サイズMも関係します。次のように考えると、分かりやすいです。
 ・F値:撮像素子が受ける光エネルギの密度[W/mm2]を決める。
 ・撮像素子サイズ:光を受ける面積[mm2]を決める。
 撮像素子の受ける光エネルギの総量=エネルギ密度×面積です。大きい撮像素子を使うほど、受ける光エネルギが増します。


★暗所での撮影はノイズが問題
 実際には、撮像素子の出力電圧には、ノイズがのっています。ノイズの原因はさまざまですが、ここでは式3の光エネルギe1[J]が、ノイズによってΔ1[J]だけ変化したと考えます。そうすると、記録される画像の輝度は、式5に比べてΔpだけ大きくなって、次式6となります。
20130831s8.jpg<式6>
 ここで、暗所での撮影を考えます。被写体が暗い場合には、式6のQ0(被写体の光の強さ)が小さくなります。一方、Δ1はカメラの性能で決まるので、不変です。したがって、式6の第1項(記録すべき信号)に対して、第2項(ノイズ)が相対的に大きくなってしまいます(SN比が小さくなる)。つまり、ノイズの割合が大きくなります。これが、「暗所の撮影ではノイズが気になる」ことの理由です。
 暗所での撮影を有利にするためには、式6の第1項を大きくすることが有効です。すなわち、次が有効です。
1)F値を小さくする。
2)撮像素子サイズMを大きくする。

 ちなみに、撮像素子の並び数、つまり有効画素数を小さくしても良いのですが、次の点からあまり有意義ではありません。①有効画素数を小さくしすぎると画像が粗くなって画質が落ちる、②現在の撮像素子の有効画素数は1200万前後であり、撮像素子サイズによらずほぼ一定である。
 また、シャッタースピードtsを遅くしてもノイズは抑えられるのですが、これは撮影条件の変更なので、今回は考えません。
 なお、式6から分かるとおり、ISO感度を変更しても、ノイズ低減には何ら効果がありません。これは、ISO感度を変えても、撮像素子への入力光量(エネルギ)には一切影響がないためです。(ISO感度は、単なる電気的なゲインにすぎない。)


★暗所撮影の強さはF値だけでは決まらない!
 式6から分かる通り、暗所撮影の強さ(ノイズの小ささ)は、F値だけでは決まりません。撮像素子サイズMが重要です。例えば、次の2つのカメラを比較してみます。
 ・カメラA:F=2.0、撮像素子サイズM=6.2mm(1/2.3型)
 ・カメラB:F=4.0、撮像素子サイズM=23mm(APS-Cサイズ)
 F値だけを見ると、さもカメラAのほうが暗所に強そうに見えます。しかし、式6の第1項の比は、次のようになります。
 カメラA÷カメラB=(6.2mm/2.0)^2÷(23mm/4.0)^2=0.29

 すなわち、式6の第1項が、カメラAではカメラBの約1/3~1/4しかありません。つまり、両者の元ノイズ(式6の第2項)が同等だとすると、カメラAの撮影画像のノイズは3~4倍大きく見える、ということになります。(カメラAでは第1項が小さいために、同じ輝度を得るために内部ゲインK1×K2を3~4倍にする必要がある。)
 以上のように、撮像素子サイズが異なるカメラ間で暗所撮影の強さを比較する場合には、F値だけでなく、撮像素子サイズを考えることが必須です。


★撮像素子サイズの異なるカメラで暗所撮影の強さを比較する「換算F値」
 撮像素子サイズの異なるカメラで、暗所撮影の強さを簡単に比較する方法として、「換算F値」を提案します(これは、当ブログのオリジナル提案です)。
 「換算F値」は、標準的なデジタル一眼に使用される撮像素子サイズである「APS-Cサイズ」(約23mm×15mm)において、同等のノイズレベルとなるようなF値を示します。換算F値は、次式で計算されます。

 換算F値=そのカメラのF値×(APS-Cの撮像素子サイズ÷そのカメラの撮像素子サイズ)

 例えば、F値2.0で撮像素子サイズM=6.2mm(1/2.3型)のカメラの換算F値は、2.0×(23÷6.2)=7.4となります。つまり、このカメラは、APS-Cサイズの撮像素子のカメラに、F値7.4のレンズを付けた場合と、ノイズの大きさが同等である、ということが分かります。

 簡便性のために、撮像素子サイズごとの換算係数を、下表1にまとめました。換算F値=F値×換算係数です。先の例ならば、F値2.0×換算係数3.7=換算F値7.4、となります。
<表1>
撮像素子サイズ撮像素子の幅[mm]換算係数
1/2.3型6.23.7
1/1.7型7.63.0
1型(CXフォーマット)13.21.7
マイクロフォーサーズ17.31.3
1.5型19.41.2
APS-Cサイズ231.0
フルサイズ360.64

 
 上の表1を見ると、現在の一般的なコンデジの撮像素子サイズ:1/2.3型が、一般的なデジイチの撮像素子サイズ:APS-Cに比べて、ノイズレベル(すなわち暗所撮影能力)がどれだけ及ばないか、よく分かります。コンデジで「明るいF値2.0」などと言っていますが、そのノイズレベルは、デジイチではF値7.4程度の水準でしかないのです。(ただし実用的には、ソフトウェア側のノイズ低減策で、かなり改善されているかもしれませんが。)


★まとめ
 「F値が小さい=暗所撮影に強い」というのは、正確ではありません。
 同じ撮像素子サイズで比べる限り、F値が小さいほど暗所に強いのは事実です。しかし、暗所でのノイズ低減という観点からは、撮像素子サイズが2倍(面積は4倍)になると、F値が1/2になったのと同様の効果があります。
 撮像素子サイズが異なるカメラで暗所撮影の強さを比較するためには、F値ではなく、撮像素子サイズを勘案した「換算F値」での比較が必要です。(換算F値は、当ブログのオリジナル概念です。)
 例えば、1/2.3型のコンデジのF値2.0は、APS-CのデジイチのF値7.4に相当します。コンデジにおける「明るいレンズ」は、デジイチ基準では「暗いレンズ」に過ぎません。


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暗い部屋でもよく写るデジカメの選び方2013
【今日の夕食】
 しばらく比較的涼しい日が続きましたが、今日は久しぶりに暑い一日でした。体力を奪われる感じです。
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★米飯

★野菜炒め
 味噌とコチュジャンで味付けした、ピリ辛味です。夏らしい味です。

★4点もりプレート
・ひじき煮
・じゃがいも
・厚揚げ
・れんこんきんぴら、煮豆


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【今日のおじさん】暗い部屋でもよく写るデジカメの選び方2013
 4月に新しいデジタルカメラ(オリンパスTG-630、防水コンデジ)を買ってから、レンズやカメラに興味を持つようになりました。少し前から、レンズやカメラの実験を記事にしています。 (→一覧はこちら

 今回は、室内での撮影能力に注目した、デジカメの選び方を書きます。特に、デジカメの買い替えを検討するときに便利だと思われます。


★我が家のデジカメ「TG-630」の欠点
 我が家で所有するデジカメは、オリンパスの「TG-630」です。いわゆる「防水カメラ」で、レンズが伸び縮みしない構造が自慢です。娘(2歳6ヶ月)がゴリゴリといじったり、投げたりしても、ぜんぜん大丈夫です。安心感があって、たいへん気に入っているカメラです。
 20130430z1.jpg
 ただ、不満点がないわけではありません。レンズのF値(開放絞り)が3.9-5.9と暗いことです。このため、日が落ちた後の部屋の中では、あまり良い写真がとれません。すなわち、次の問題があります。
・オートで撮影すると、ISO感度が高くなりすぎて、ノイズが目立つ。
・ISO感度を下げると、シャッタースピードが遅すぎて、動く娘を撮れない。

 具体例を示します。夜間、我が家の部屋の中で、写真を撮りました。照明は、蛍光灯(白色)です。
s_I800.jpg
 ISO感度を変えて撮影したときの写真を、部分的に切り出した結果です(画像縮小なし、1:1表示)。
a)ISO400、F5.3、シャッタースピード1/15
aI0400.jpg
b)ISO800、F5.3、シャッタースピード1/30
aI0800.jpg
c)ISO1600、F5.3、シャッタースピード1/50
ai1600.jpg
 ISO1600では、ザラザラとしたノイズが目立つとともに、全体にノッペリとした「塗り絵画質」になっています。どこまで許容するかは、好みや用途によりますが、個人的には、ISO800の画質程度に抑えたいところです。(ISO感度が高いときのノイズの実例については、こちらの記事にも書きました。)

 そこで、ISO800にして、普段の娘を撮影してみました。
 ISO800、F4.6、シャッタースピード1/40
A_ISO800.jpg
 適正な画面の明るさ(露出)にするためには、シャッタースピード1/40が必要です。このシャッタースピードでは、娘がブレてしまいます。動く娘を撮るには、シャッタースピードを1/100以下にできないと厳しいようです。ISO感度を上げればシャッタースピードは短くなりますが、ノイズが増すのでできません。(なお、日中の屋外であれば、低いISO感度で短いシャッタースピードにできるので、まったく不便を感じていません。)

 以上のように、「我が家の部屋の中で、動く娘をまともに撮りたい」というのが、私の願望です。

 この願望を満たすためには、現在のカメラではダメです。では、どのように新しいカメラを選べば、娘をうまく撮影できるのか、考えてみます。


★画像の明るさとノイズの検討
 以前の記事(→こちら)で示した通り、デジタルカメラに記録される画像の明るさ、すなわち輝度p(ビット)は、次式1で表せます。
20130830s01.jpg<式1>
 ここで、
 ・Q0:被写体の放出する光エネルギー[W](被写体で決まる)
 ・d1:被写体のサイズ(直径)[mm](被写体で決まる)
 ・K1:光量から電圧への変換係数(カメラで決まる)
 ・K2:電圧から輝度への変換係数(カメラで決まる)
 ・M:撮像素子サイズ(幅)[mm](カメラで決まる)
 ・n:撮像素子の画素並び数(幅方向)[個](カメラで決まる)
 ・F :F値(絞り値)
 ・KISO:ISO感度(400,800など)
 ・ts :シャッタースピード[s]
 また、画像の輝度に乗るノイズΔpは、次式2です(詳しくは→こちら)。ノイズには色々ありますが、ここでは、撮像素子(撮像センサー、CMOSやCCDなど)が受ける光量が、内部回路で電圧に変換までに受けるノイズを考えています。
20130830s02.jpg<式2>
 ここで、Δ1:光量から電圧までの変換の際に受けるノイズ[J]

 新しいカメラのスペックを、記号’(ダッシュ)を付けて示します。撮像素子サイズM’[mm]、画素並び数n’、変換係数K1'、K2'です。カメラを変えても、同じ露出設定(絞り、ISO感度、シャッタースピード)では、同じ明るさの画像が記録されるはずなので、次式3が成り立ちます。
20130830s03.jpg<式3>
 これを整理すると、次式4になります。
20130830s04.jpg<式4>

 次に、新しいカメラで、新しい露出で撮影することを考えます。すなわち、ISO感度KISO'、シャッタースピードts'[s]に設定します。シャッタースピードts'=1/100[s]でノイズの小さい写真を撮影するのが、今回の目的です。新しい露出で、現在のカメラと同じ明るさの画像を得るためには、次式5が成り立つ必要があります。
20130830s05.jpg<式5>
 式5を整理して、次式6を得ます。
20130830s06.jpg<式6>
 式4と式6から、次式7が得られます。
20130830s07.jpg<式7>

 次に、ノイズについて考えます。新しいカメラ、新しい撮影条件でのノイズΔp’は、次式8となります。
20130830s08.jpg<式8>
 新しいカメラで、ノイズを現在のカメラ以下に抑えなければなりません。すなわち、Δp’≦Δpが必要です。この条件は、式2と式8から、次式9となります。
20130830s09.jpg<式9>
 式9から、次式10が得られます。
20130830s10.jpg<式10>
 式4,7,10をあわせると、次式11を得ます。
20130830s11.jpg<式11>
 式11を書き換えて、次式12になります。これが、新しいカメラのF値(F’)が満たすべき条件です。
20130830s12.jpg<式12>
 最近のカメラでは、撮像素子の有効画素数は1200万画素前後で、高級機でも廉価機でも大差ありません。そこで、撮像素子の並び数n=n’とします。すると、式12は、次式13のように簡単になります。
20130830s13.jpg<式13>
 式13を満たすような新しいカメラを選べば、「我が家の部屋の中で、動く娘をまともに撮りたい」という要望を満たすことができるはずです。


★新しいカメラの必要スペック
 式13において、ts’とtsは、それぞれ新しいカメラと現有カメラのシャッタースピード[s]です。また、Fは、現有カメラでのF値です。これらは、次のように決まります。
 ・F :現有カメラでの所定条件(場所、被写体)でのF値(オート設定値)。
     F値はズームによっても変わります。撮影テストでは、F=4.6でした。
 ・ts:現有カメラでの所定条件(場所、被写体)での必要シャッタースピード(オート設定値)。
     ノイズが目立たないギリギリまでISO値を上げて撮影します。私のカメラではISO800。
     私のカメラで、私の部屋でF4.6で撮影したところ、1/40[s]でした。
 ・ts’:新しいカメラで希望するシャッタースピード。
     私の要望は、1/100[s]です。動く娘をブレずに撮るためです。
 上の値を使うと、√(ts'/ts)=0.63 となります。

 そして、式13を使って新しいカメラを選ぶ場合、決めるべきスペックは、次の2つです。
 ・F’:開放F値(ズーム全域に渡り)
 ・M’:撮像素子サイズ(幅)[mm]

 F値は、カメラによって相当幅広く変わります。一方、撮像素子サイズは、カメラによって異なるものの、市場では何種類かに限定されています。そこで、まず撮像素子サイズを決めて、次にその撮像素子での必要F値を決める、という手順をとると、新しいカメラを選びやすいです。
 撮像素子のサイズには、おおむね、次の種類があります。
 ・M'= 6.2mm:1/2.3型 …一般的なコンデジ
 ・M'= 7.6mm:1/1.7型 …一般的な高級コンデジ、廉価デジイチ(Pentax Q7)
 ・M'= 8.8mm:2/3型  …一部の高級コンデジ(フジフイルム X20ほか)
 ・M'=13.2mm:1型   …一部の高級コンデジ(SONY RX-100)、廉価デジイチ(Nikon CXフォーマット)
 ・M'=17.3mm:マイクロフォーサーズ …デジイチ、主にミラーレス(Panasonic、OLYMPUSほか)
 ・M'=19.4mm:1.5型    …一部の高級コンデジ(CANON G1X)
 ・M'=23.5mm:APS-Cサイズ …一般デジイチ(CANON、Nikon、SONYほか)
 ・M'=36.0mm:フルサイズ  …高級デジイチ

 それぞれの撮像素子サイズで、式13を満たすF’は、次のように計算されます。ここで、√(ts'/ts)=0.63、現有カメラのF=4.6で計算しています。
 ・M'= 6.2mm:F≦2.8
 ・M'= 7.6mm:F≦3.5
 ・M'= 8.8mm:F≦4.0
 ・M'=13.2mm:F≦6.0
 ・M'=17.3mm:F≦7.9
 ・M'=19.4mm:F≦8.8
 ・M'=23.5mm:F≦10.7
 ・M'=36.0mm:F≦16.4
 ここで、注意が必要なのは、上のF値は、「ズームの全域で」満たす必要があることです。室内で子供を撮るためには、広角域ではダメで、どうしてもズームが必要です。カタログではF値の小さい側、すなわち広角側でのF値を大々的にアピールする傾向があるので、注意しなければなりません。

 上の条件を見ると、小型デジイチ(Pentax Q)を除くデジイチ(M≧13.2)であれば、F値≦6.0が条件です。したがって、デジタル一眼であれば、上の条件を満たすことは、それほど難しくなさそうです。そこで、以下では、コンデジ(コンパクトカメラ)で条件を満たす製品を、検討することにします。


★要望を満たすカメラを選ぶ
 上の条件を満たすコンパクトカメラを、ピックアップしました。ここで調査対象としたのは、以前のデジカメの画質ランキング調査(→こちらの記事)で調査したカメラ、91機種です。上のF値の条件に加えて、次の選定条件を追加しました。
 ・発売が2011年以前のカメラは除外する。
 ・ズームなし(単焦点レンズ)のカメラを除外する(単焦点コンデジのダメさは→こちら)。

 91機種中、条件を満たすのは次の8機種でした。いずれも、いわゆる「高級コンデジ」の部類です。価格帯は4~5万円が中心です。
メーカー機種
撮像素子
開放F値余裕度価格
オリンパスXZ-101/2.3型1.8-2.71.026800
パナソニックFZ2001/2.3型2.8-2.81.042600
パナソニックLX71/1.7型1.4-2.31.536800
オリンパスXZ-21/1.7型1.8-2.51.443600
キャノンG151/1.7型1.8-2.81.341000
フジフィルムX202/3型2.0-2.81.455400
ソニーRX100
RX100M2
1型1.8-4.91.254600
74100
キャノンG1X1.5型2.8-5.81.553100
※価格はヨドバシドットコム。2013/8/30現在。
 表中の「余裕度」は、上で検討したF値の制限値÷望遠側の開放F値で算出しました。余裕度が大きいほど、F値に余裕があります。余裕度=1だと、今回の希望条件での撮影がギリギリ可能、ということを示します。安全を見ると、余裕度が大きいほうが望ましいです。余裕度が1.4あれば、同じ暗さの室内でもISO感度を一段下げられるので、よりノイズを低減できます。
 個人的なオススメは、価格と明るいF値から、パナソニックのLX7あたりでしょうか。ソニーRX100やキャノンG1Xは大型センサー(1型、1.5型の撮像素子)がウリですが、この価格(RX-100:高い)やサイズ(G1X:大きい)になると、ミラーレス一眼のほうが魅力的に感じます。






★まとめ:暗い部屋でもよく写るコンデジの選び方
 「我が家の部屋の中で、動く娘をまともに撮りたい」という要望を満たせるカメラを探しました。
 私の要望を満たすカメラは、次の2種類でした。
 ・デジタル一眼(CXフォーマット、マイクロフォーサーズ、APS-C、フルサイズ)
 ・高級コンパクトカメラ(価格帯の中心:4~5万円)

 なお、「ISO感度の高さ」だけでは、暗い部屋での撮影能力は判断できません。私のカメラTG-630はISO6400まで選べますが、実際は高ISOではノイズがひどくなり、実質ISO800~1600が限界です。きちんとスペックを見て、失敗しないように選びましょう。


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デジカメ実験~ノイズによるISO感度の限界
【今日の夕食】
 今日は、妻と娘(2歳6ヶ月)と、大和市(神奈川県)の「引地川公園ゆとりの森」[1]に行きました。車を使えば、家からそう遠くなく、遊具が充実した良い公園でした。ただ、すぐ隣が海上自衛隊の基地のために、飛行機がすぐ上を飛んで、ひどい爆音がありました(おちおち、遊んでいられないほどの騒音です)。もう一度行く気にはなれず、残念でした。
[1]日産クリエイティブサービス;引地川公園ゆとりの森
http://www.nissan-nics.co.jp/yutori/
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★ピザ
 妻の手作りです。ゴーヤが乗っています。ゴーヤは、ピザに乗せてみるとピーマンに似た苦味と触感で、違和感はありませんでした。手作りピザソースの味もよく、おいしく頂きました。

★ポテト
 じゃがいもを刻んで、炒め焼きしたものです。

★冷奴

★きゅうり浅漬け、ミニトマト


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【今日のおじさん】 デジカメ実験~ノイズによるISO感度の限界
 4月に新しいデジタルカメラ(オリンパスTG-630、防水コンデジ)を買ってから、レンズやカメラに興味を持つようになりました。少し前から、レンズやカメラの実験を記事にしています。 (→一覧はこちら

 今回は、デジカメのISO感度とノイズの関係を調べました。


★ISO感度とノイズ
 デジカメでは、「ISO感度」を自由に設定できます。ISO感度は、簡単に言えば、撮像素子への入力光量と、記録画像の明るさとの関係性を決める係数のひとつです。撮像素子への入力光量(エネルギ)が同じならば、ISO感度が高いほど、明るい画像が記録されます。反対に、ISO感度が高い場合には、同じ明るさ(露出)の画像を記録するときに、撮像素子への入力光量が少なくて済みます。すなわち、ISO感度を高めることで、シャッタースピードを速めたり、絞りを絞ったりすることができます。これによって、撮影条件の自由度が増します。
 ISO感度は、電気的なゲインと考えられます。ISO感度を高めても、撮像素子への入力光量が増すわけではありません。このために、過度にISO感度を高めると、ノイズが大きくなって、見栄えの悪い写真になってしまいます。下の写真は、ノイズの多い写真の一例です。クリックして拡大すると、水面など黒っぽい部分でのノイズ(ザラザラ)が目立ちます。
 オリンパスTG-630;ISO6400、シャッタースピード1/20、F値3.9
05ISO6400.jpg
 ノイズの大きさについては、以前の記事(→こちら)で書きました。このときの考察によると、記録画像のノイズには、次の性質があります。
・撮像素子のエネルギ→電圧の変換係数[V/J](ゲイン)に比例する。
・ISO感度に比例する。
 同じ明るさの画像を記録する場合、エネルギ→電圧の変換係数は、素子の受けるエネルギが大きいほど、小さくてすみます。撮像素子ピッチが2倍(1素子あたりの幅が2倍、面積が4倍)になると、同じ被写体・同じ露出条件(絞り・シャッタースピード)でも、撮像素子の得るエネルギは4倍になります。したがって、変換係数は1/4になります。これが、「大きい撮像素子ほどノイズが小さい」といわれる理由と考えられます。
 変換係数はカメラ内部の係数ですが、ISO感度は撮影者が調整可能です。ISO感度は、電圧→画像の輝度の変換係数と考えることができます。使用カメラが決まっている場合、ノイズを小さくするには、ISO感度を小さくすることで対処するしかなさそうです。


★ISO感度とノイズの関係を調べる
 ノイズを避けるためには、適正なISO感度の設定が必要です。そこで、当方所有のデジカメについて、ISO感度とノイズの関係を調べました。
 実験装置を、下の写真に示します。
 ・デジカメ オリンパスTG-630(撮像素子:1/2.3型≒幅6.2mm)
 ・グレーカード(18%グレー反射板)
 ・はんごう
20130825z1.jpg
 実験手順は、以下の通りです。
1)デジカメの設定はプログラムオート。
2)グレーカードを使って、ピント・露出を合わせる。
 このとき、ISO感度とシャッタースピードを、所定値に合わせる。
3)セルフタイマー(12s)でシャッターを切る。
4)デジカメをはんごうの中に入れて、光を遮断する。
5)撮影完了を待つ。

 撮影条件は、次の通りです。ISO感度のみ変化させて、シャッタースピードと絞り(F値)は一定です。すなわち、撮像素子に入る光量(エネルギー)は、すべて一定です。
a)ISO400 、シャッタースピード1/80、絞りF3.9
b)ISO800 、シャッタースピード1/80、絞りF3.9
c)ISO1600、シャッタースピード1/80、絞りF3.9
d)ISO3200、シャッタースピード1/80、絞りF3.9
e)ISO6400、シャッタースピード1/80、絞りF3.9

 なお、このデジカメには、絞りやシャッタースピードをマニュアルで設定する機能がありません。ISO感度はマニュアル選択可能です。そこで、ISO感度を変化させて、露出補正を調整して、所望のシャッタースピードを選ぶことにしました。絞りは2段絞りのため、開放側(F3.9)になっていることを確認しました。

 また、エネルギーでなく、露出(ISO値×シャッタースピード)を一定にする条件でも、実験を行いました。しかし、上の条件と結果がほとんど変わらなかったため、今回は割愛します。


★各条件でのノイズ比較
 結果です。まず、撮影画像を示します。画面ではすべて真っ暗に見えます。クリックして拡大すると、高感度(ISOが大きい)では赤やグレーのノイズが、ぼんやりと見えます。

a)ISO400、シャッタースピード1/80
I6400S80.jpg

b)ISO800、シャッタースピード1/80
I800S80.jpg

c)ISO1600、シャッタースピード1/80
I1600S80.jpg

d)ISO3200、シャッタースピード1/80
I3200S80.jpg

e)ISO6400、シャッタースピード1/80
I6400S80.jpg

 このノイズの確認結果から、当方のデジカメでは、ISO3200でも、それほどノイズは見えないように思えます。ISO6400では、ちょっとノイズが気になります。


★ノイズの定量的な評価
 定量的な評価のために、画像閲覧ソフト「Irfanview」で「ヒストグラム」を確認しました。結果を下図にまとめます。横軸が輝度、縦軸がそれぞれの輝度を持つピクセル数です。画像サイズは1920×1280=2457000画素です。
20130825z2.jpg
 真っ暗闇を撮影しているはずですが、ヒストグラムはゼロではありません。これは、ノイズが原因と推定されます。次のことが分かりました。
・ISO感度が大ほど、輝度の最頻値が大きい。すなわち、ノイズの平均値が大きくなる。
・ISO感度が大ほど、輝度のバラツキが大きい。すなわち、ノイズの最大値が大きくなる。

 ISO感度ごとの、ノイズのピーク輝度(最頻値)と、ノイズ最大値を調べました。ここでノイズ最大値は、最頻値から輝度が大きくなるほうに頻度を調べていって、最初に頻度<1000となるところの輝度としました。
20130825z3.jpg
 上のグラフから、次のことが確認できます。
・ISO感度大ほど、輝度のピーク、最大値とも大きくなる。すなわち、ノイズが大きい。
・ISO1600→3200では、ノイズがあまり増さない。

 ISO1600→3200でノイズが増さない理由として、高感度では、低感度と異なるノイズ低減アルゴリズムがとられている可能性があります。最近のデジカメでは、ソフト的に高度なノイズ低減処置がなされているので、高いISO感度での撮影が実現できているのだと思われます。
 ただ、ソフトウェアでのノイズ低減は、画像を歪める可能性があります(たとえば、「塗り絵画質」になるなど)。このため、このデジカメでは、ISO3200以上の撮影は、なるべく避けたほうが良さそうです。


★まとめ
 ISO感度を変化させて、暗闇での撮影を行いました。この結果、次のことを確認できました。
・ISO感度を上げるほど、ノイズが大きくなる。
・ISO感度が低い(~1600)と高い(3200~)場合で、ノイズの不連続な変化があった。

 当デジカメでは、ISO3200までならば、暗闇画像のノイズは気になりませんでした。
 しかし、ISO3200以上では、ソフト上で強力なノイズ削減が行われている可能性があり、画像を歪めるおそれがあります。このため、実際の撮影は、ISO1600までに抑えたほうがよさそうです。

 なお、ISO感度の限界は、カメラによって違います。撮像素子サイズが大きいカメラならば、内部ゲイン(光量→電圧)が小さくなって、ノイズを大幅に低減できるはずです(面積2倍でノイズ1/2)。


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北海道・リアル宝探し「キロロの森の精霊」で遊ぶ
【今日の夕食】
 今日の妻と娘(2歳6ヶ月)は、私の実家の父母のところに、遊びに行ったそうです。娘は、踊ったり食べたり、終始ご機嫌だったそうです。そして妻は、うとうと寝てきたそうです。
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★米飯

★ゴーヤチャンプルー
 実家でもらったゴーヤと、北海道土産のソーセージ(おこっぺハム)です。山盛りです。ちょっと苦味がありましたが、ゴーヤらしく、おいしかったです。

★ミニトマト、きゅうり大根塩昆布


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【今日のおじさん】北海道・リアル宝探し「キロロの森の精霊」で遊ぶ
 今年(2013年)の夏休みは、妻と娘(2歳6ヶ月)と、妻の父の住む北海道・小樽で過ごしました。
 滞在中、小樽から少し足を延ばして、「キロロリゾート」(余市郡赤井川村)の「ホテルピアノ」に宿泊しました。今回は、このクチコミ情報を少し。


★謎解きアドベンチャー「キロロの森の精霊」
 キロロリゾートでは、謎解きアドベンチャー「キロロの森の精霊」を開催中でした。手がかりを元に敷地内を捜索して、隠された宝物を探す、いわゆる「リアル宝探し」ゲームです。開催期間は、2013/7/6~10/20です。初級編・小さな瞳コースと、中級編・森の勇者コースがあります。それぞれ、600円です。
[1]キロロアソシエイツ;謎解きアドベンチャー
http://www.kiroro.co.jp/summer/topics/tresure.php
 受付を済ませると、「冒険の書」がもらえます。1枚のパンフレットです。ストーリーが書かれています。
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 冒険の書のほかに、カードを4枚もらいました。それぞれのカードの裏面には、暗号じみた「手がかり」が書かれています。
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 手がかりを元に、キロロリゾート内の各地を探します。「精霊の呪文」が見つかったら、パンフレットの裏面にメモをしておきます。精霊の呪文をすべて集めると、最終目的である「宝のワード」を探すための手がかりが分かる仕組みです。
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★「精霊の呪文」を探す
 所要時間は、2時間程度とあります。ホテルでのんびり過ごす場合には、ちょうどよいアトラクションかもしれません。しかし、私たちは、周辺のドライブや昼食の予定があり、あまり時間をとれませんでした。私たち以外にも、同様の方も、いらっしゃるかもしれません。そこで今回、宝探しの体験記を残します。何らかのヒントに役立つかもしれません。※ネタばれ注意。

 駐車場のこの木は、ワイヤーで地面に引っ張られるように固定されていました。老木なのでしょうか。まるで「とらわれた木」のように見えます。
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 この近くで見つけた「精霊の呪文」。
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★飲食店を探す
 キロロリゾート内には、飲食店もあります。どれも似たような店(バイキング系)で、ちょっと価格が高い。予算3000円くらいから。それはともかく、宝探しをしているならば、地図の左下にある建物の形に、ピンとくるかもしれません。
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 集い場で見つけた手がかり(精霊の呪文へのヒント)です。
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 テナントは多数あるのですが、空き店舗も多いようです。6×17個の窓のある、こんな扉もありました。
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 この近くで見つけた手がかり(精霊の呪文へのヒント)です。
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 そして、こんな壁画もありました。たばこをくわえた人が描かれています。宝物と、関係があるのかないのか。
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 トラの帽子をかぶった羊のぬいぐるみ。なぜ、こんなところに。横に、「精霊の呪文」が見えます。
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★紋章と時刻表
 カードの手がかりには、丸で囲まれたスズランの絵(紋章)もありました。ショッピング街に、見つかるでしょうか。「RESORT○MARKET」の看板(ネオン)の○印に注目したりして。
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 紋章は3個あり、それぞれの裏に手がかりがあります。これは、3個のうちの1個の写真です。
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 3個のヒントを集めて、見つけたのがこの「時刻表」でした。バスの時刻表に見えます。そういえば、ホテルの前には、シャトルバスの停留所があった気もします。(私はレンタカーでした。)そして、この時刻表には、「精霊の呪文」も書かれています。
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★教会の近くで
 これで、3個の「精霊の呪文」がそろいました。それはそうと、キロロリゾートの敷地内には、教会(チャペル)があります。ここで、結婚式を挙げることもできるようです。(夏はスズメ蛾が大量にいるので、やめたほうが良さそうです。)
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 教会の近くには鐘があり、鐘の前には十本の柱があります。そして、この近くで意味深な文字を見つけました。写真の「り」のほか、あわせて4文字があります。
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 この4文字を、手がかりが示唆する順番で線で結ぶと、「矢印」のような形になりました。そして、矢印の先を探して見ると…。「宝のワード」です。
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★まだ続きます
 受付をした場所に戻り、宝のワードを報告します。すると、2枚のカードを渡してくれました。まだ、終わりではないようです。この6枚から、最後の宝の場所が分かると言いますが。
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 6枚そろったカードを、並べて写真撮影しました。各カードの上端と下端には、2次元バーコードのような模様があります。よく見ると、文字がつながっているようにも見えますが。ちなみに、これらのカードは、カードの裏面の記述を参考に並べてみました。たとえば、イヌワシは「いつも『オオルリ』の背中を見て」とあるので、オオルリの写真の背中側に配置してあります。
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 そして、6枚のカードから導かれる場所を見つけました。ここは、室内です。この建屋には、「グランシップ」という室内遊び場と、温泉ランド「遊湯館」があります。いわば、「船」と「湯」(フネトユ)があります。写真は、ロッカーの上になぜか置いてあった鏡。鏡に写るのは、水着売り場でしょうか。
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 そして、ついに宝物を見つけました!
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 宝箱は、応募箱になっています。スタンプを押して、住所氏名を書いた「冒険の書」を入れると、豪華商品があたるそうです。

 楽しい宝探しができました。今回の宝探しは、時間がないのと、考えすぎて広い範囲を探しすぎてしまったので、とても難しかったです。建物周辺だけを探せば、大丈夫です。裏の森に行ったり、暗い駐車場に行ったり、パターゴルフの向こう側に行ったりする必要はありません。
 ずいぶん苦労してしまいましたが、最後は妻の協力で解決しました。解けてみるとスッキリ、楽しい時間をすごせました。


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HABA社「スティッキー」で遊ぶ娘(2歳6ヶ月)
【今日の夕食】
 今日も蒸し暑い一日でした。会社から家まで歩く間に、汗だくです。
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★米飯

★子持ちニシン丸干し
 北海道土産です。ニシンは、普段なかなか食べない魚です。ニシンらしい、独特な香りがありました。おいしかったです。

★4点盛りプレート
・冷奴
・ミニトマト
・ゆでたまご
・きんぴらごぼう

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【今日のおじさん】HABA社「スティッキー」で遊ぶ娘(2歳6ヶ月)
 水曜日は、娘(2歳6ヶ月)について書きます。

 最近の娘は、自分のことを「赤ちゃん」と呼ぶように主張します。以前のように名前で呼ぶと、「違う!赤ちゃん。」と怒ります。
 同時に、ひとときはオムツが外れそうだったのが、すっかりオムツに戻ってしまいました。赤ちゃんだからオムツをはくの、と言います。しかし、昨日で、オムツが終わってしまいました。オムツが終わったらパンツだよ、といってありましたので、当面は、納得してパンツをはいているようですが。どうなることでしょう。(先ほど、ウンチをもらして、大騒ぎしていました。)

 先週は夏休みで、私と妻と娘と、妻の父の暮らす北海道・小樽で過ごしました。小樽の玩具店「Kinderlieb(キンダーリープ)」[1]で、妻が玩具を衝動買いしました。
[1]キンダーリープ;
http://www.kinderlieb.info/
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 ドイツ・HABA社の「ZITTERNIX(ツィッターニクス、ジッターニクス)」です。ドイツ語で、「zittern」は震える、「nix」は「nichts」と類義で、否定の意味のようです。「震えないで」、「揺らさないで」という意味でしょうか。ちなみに英題では「Keep it steady」と書いてありました。
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 そして日本では、「スティッキー」という名称のようです。箸のようなスティックを、パスタを鍋に入れるかのように、リングに束ねて入れます。
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 2歳半の娘と、試しに遊んでみました。まず、サイコロを振ります。黄色が出ました。
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 サイコロと同じ、黄色の棒を抜きます。棒を倒してしまったら、「負け」です。
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 負けの人を除いて、勝ちの人を決めます。3色の棒は太さが異なっており、細いほうから1点、2点、3点、の点数がついています。点数が一番高い人が勝ちです。
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 サイコロの色の棒を抜くだけならば、娘とも普通に遊べました。
 このほか、棒を抜きたくないときには、棒を抜く代わりに、自分の持っている同じ色の棒を「放棄箱」に捨ててもよい、などのルールもあるようです。しかし、これは娘と遊ぶには少々複雑です。

 そして、こちらが娘のオリジナル遊び。箱に入れた棒を「バシャバシャバシャー」と言いながら、周囲に投げて散らかします。
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 娘は、ちょっと短気なようです。妻に似たのかもしれません。


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