KLV大学マシンビジョンコース

明るさ、露光／露出、ゲインの設定の違い

露光や露出、ゲインを始め、カメラには「明るさ」に関わる要素がたくさんあります。
ただ「明るく撮影したい」というだけなのに「何を調整すれば明るくなるのかわからない」と頭を抱える方もいらっしゃるのではないでしょうか？

当ページでは、カメラの「明るさ」に関わる要素を「カメラ」と「データ」、2つの観点から整理してみました。2つを軸に、明るさ（Brightness）、露光・露出（Exposure）、ゲイン（Gain）を解説していきます。

そもそも「明るくする」とは？

撮影した後、私たちが「明るくしたい」と思うのは「撮影データ」です。
そのため、撮影データを調整することで、十分な明るさの写真・動画を得られます。
とはいえ、望んだ明るさのデータを撮影するのは「カメラ」ですので「カメラの設定」も問題になります。

つまり、明るさの設定には「カメラ」と「データ」の2つが関わっています。

カメラで「明るく撮影する」

十分な明るさのデータを撮影するために、カメラ側の設定（シャッタースピード、絞り値、ゲイン）を調整します。

データを「明るく編集する」

撮影データが暗い場合、データの明るさ（明度）を編集することで、明るく見せることができます。

カメラの設定で「明るいデータを撮影」できますし、データの調整では「データを処理して明るくする」ことができます。
要は、カメラで明るさを調整するのか、ソフトウェアで明るさを調整するのか、という違いです。

カメラで行う明るさ調整：露光・露出、ゲイン
ソフトウェアで行う明るさ調整：明るさ

ここからは、「露光・露出」と「ゲイン」、「明るさ」を解説していきます。

「カメラ」で行う明るさ調整

私たちが「明るいデータ」を撮影するために、注意したい設定が「露光・露出」と「アナログゲイン」です。

これらを正しく設定することで、カメラが十分な光を取り込み、狙った明るさの写真や動画を撮影できます。
とはいえ、そもそも「露光・露出」や「アナログゲイン」とは何か、明るさとどう関わっているのでしょうか？

露光・露出（Exposure）

露光・露出（Exposure）とは、フィルムや撮像素子に光を当てることです。フィルムや撮像素子が受け取る光の量（照度×露光時間）を指すこともあります。

デジタルカメラの場合、どの程度の「光の量」を受け取るかで「明るさ」が変わります。

何故「光の量」が問題になるのでしょうか？

そもそもカメラは「光」を撮影しています。
例えば、林檎を撮影する場合「リンゴから反射した赤い光」が、レンズを通り、撮像素子に焼き付きます。これによってリンゴの画像を撮影できるという仕組みです。

つまり、明るい画像や動画を撮影したいなら「撮像素子が受光する光の量」を多くすればいいということです。

撮像素子が光を受け取る

シャッターが開いている時には、レンズから光が入り、センサーが光を受け取ります。

シャッターが光を遮る

シャッターが閉じると、レンズから光は入らないため、センサーも受光しません。

もうお分かりかと思いますが「カメラが撮影する光の量」を調整する役割を担っているが「シャッター」です。
シャッターは撮像素子に光が当たっている時間＝露光時間を調整できます。
露光時間が長ければ長いほど、カメラはたくさん光を取り込むため、撮影データは明るくなります。

シャッターに加え「絞り」も、光の量の調整には欠かせません。

「絞り」で、穴を大きくしたり小さくしたり調整することで光の量をコントロールできます。

「絞り」が開いている場合は、光が通る穴が大きいため、光を多く取り込めます。よって、明るい画像を撮影できます。

明るくするためには、撮像素子に当たる「光の量」を多くする必要があります。
カメラに入ってくる光の量の調節に関わっているのが「シャッター」と「絞り」です。

「シャッター」は露光時間、つまりセンサーに光が当たる時間を制御しています。
「絞り」は光が通る穴の大きさを制御して光の量を調節しています。

つまり露光・露出は「シャッタースピード」と「レンズの絞り値」によって決定されます。

シャッタースピードが遅い場合、より多く光を取り込めるため、明るくなります。（露光時間が長くなり、撮像素子に当たる光の量が増えるため。）絞り値が小さい場合は、光が通る穴が大きくなるため、撮像素子が受光する光の量が増えて、明るくなります。

ゲイン（Gain）

ゲイン（Gain）とは、カメラでの撮影時に明るさの調整を担う機能です。
撮像素子が受光した光を電気信号に変換する際に、電気信号を増幅することを指します。

こちらが、通常のデジタイルカメラの撮影プロセスと、撮影データの明るさです。

カメラの撮影では、撮像素子が光を受け止め、光を電荷、電気信号に変換します。

電荷、電気信号の大きさは「撮像素子が受け止めた光の量」によって変化します。

撮像素子は「光の強弱」を電気信号として記録しており、強い光なら「明るい撮影データ」が生成されます。

光を多く取り込むことで、大きな電気信号へと変換され、明るい画像データが生成される、ということがわかります。

しかし、いつも光が十分にある明るい環境で撮影できるとは限りません。

光が足りない環境で撮影する場合、シャッタースピードや絞り値の調整で、露光・露出を増やすには限界があります。
そこでゲインの出番です。受け取る光の量は調整できませんが、画像データが生成される過程で電荷を増幅することで、撮影データを明るく見せることができます。（ただし、ゲインを上げるとノイズが発生します。）

つまり、電荷を増幅させること（＝ゲイン）によって、明るさを調整できます。
カメラの場合は「電荷を増幅し明るさを調整する機能そのもの」を、ゲインとも呼びます。

ソフトウェアで行う「データ」の明るさ調整

明るさを調整する場面は「撮影時」だけではありません。「撮影後」のデータをソフトウェアで調整することで、必要な明るさを確保できる場合もあります。

明るさ（Brightness）

明るさ（brightness）とは、色の明るさの度合いを示す「明度」を指しています。
色の明るさ（明度）は、RGB（Red, Green, Blue）の「最大値と最小値の平均」です。

明度が高いと、白に近づき、明るい色に見えます。明度が低いと、黒に近づき、暗い色に見えます。

コンピュータディスプレイでの色の表示はRGBと3色の明るさで表現されます。
言い換えれば、RGBそれぞれが、0〜最大値までの階調（明暗のグラデーション）で表わされる、ということです。

コンピュータのデータはbitで表されますが、これは階調も同様です。
比較的多く使われる「8bit」の場合、2の8乗で「256」の情報を表せるため、RGBそれぞれの階調も、それぞれ0〜255の階調（256階調）で表現されます。
ディスプレイに表示される色は、赤なら「Redが255、Greenが0、Blueが0」のように、RGBそれぞれの階調の値によって表すことができます。

つまりRGB、3つの階調は「赤が256階調、青が256階調、緑が256階調」を持ち、これらの最大値と最小値の平均が、明るさ・明度（brightness）です。