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LOGとは

LOG映像 基礎講座

みなさん、こんにちは。富士フイルムの内田です。

このページではLOG映像を活用した映像製作について、今後、数回にわたりLOG映像について解説をしたいと思います。

  • そもそもLOG映像って一体どういうものなのだろう?
  • LOG映像で映像製作を行いたいが、何をどうすれば良いのだろう?
  • LOG映像を活用して映像制作をしているけれど、今一つ効率やクオリティが上がらない・・・

といったお悩みや疑問をお持ちの方々にお答えしていければと思っています。

INDEX

※講座の内容は変更になる可能性があります。

FUJIFILMならではのLOG活用

第二回 そもそもLOGって何?

みなさん、こんにちは、富士フイルムの内田です。

みなさんは映像制作におけるLOG映像についてどのようなイメージを持っていらっしゃるでしょうか?

  • ダイナミックレンジが広い、ハイライトが飛びにくく、シャドーがつぶれにくい。
  • 眠くて彩度が低いし、適正露出がわかりにくい。
  • 最終仕上がりがイメージできないので照明が決められない。
  • LOG映像を利用してみたいけれど、ワークフローをどのようにハンドリングすれば良いかがわからない。

という声が多く上がるのではないかと思います。

そこで今回は、みなさんがイメージする「LOGを使うとダイナミックレンジが広い」ということを説明しながら
「そもそもLOGとは何か」について掘り下げていきたいと思います。

映像制作において映像の色空間のグレーの階調特性を表すために「LOG」「リニア」「ビデオガンマ」という表現が習慣的に使われています。特に、みなさんが普段使用しているHD-SDIのように映像信号を10bitの整数(0から1023の数字)で表現しなければならないという制限がある場合、「どのような階調特性で映像を表現するか」は画質に大きな影響を与える極めて重要な要素といえます。

1000灯の照明の明るさを0~100までの整数で表現する方法

ここから映像制作における「LOG」の概念を理解するために、少し例え話をしたいと思います。
撮影スタジオに照明が1000灯あると仮定します。この1000灯の照明を使って表現できる明るさを
0~100までの整数(101ステップ)で表現する方法を考えてみましょう。
照明の数と同じ0~1000までの整数が使えれば、使用する照明の数をそのまま明るさとすれば良いのですが
約1/10の量の数値で表すにはどうすればよいのでしょうか?
まずは、シンプルに0から1000灯をそのまま0~100の整数にあてはめて考えてみます。
ちなみに照明の灯数(=明るさの絶対値)に比例した数値で表現することを「リニア」といいます。
リニアA

このように、照明を10灯単位で整数に割り当てることで
1000灯の明るさを0~100の整数で表現できるようになりました。


ところが、私たちがはっきりと認識できる0灯から10灯までの
明るさの違いが省略されてしまって表現できていません。
(もちろん、10灯から20灯の間も同様の問題がありますね。)


その一方で、人間にはほとんど認識出来ない990灯と1000灯の
違いに99と100という異なる数値表現を割り当てています。
どうやら明るい方の数値表現に無駄がありそうです。

0灯から10灯までの明るさの違いが省略されてしまったなぁ… 990灯と1000灯の違いはよくわからないなぁ…
次に、0灯から10灯までの明るさの違いを表現するために、100灯までの明るさを整数で割り当ててみましょう。
リニアB

照明の数そのものを整数に割り当てることで10灯以下の明るさを
表現できるようになりました。


その代わり、100灯以上の明るさは101灯も1000灯も同じ整数100に
割り当てられて違いが表現できなくなってしまいました。

10灯以下の明るさがちゃんと表現できた! 100灯〜1000灯の間が表現できなくなった…
このように、「リニア」を整数で表現しようとすると「暗い領域のステップ数が不足すること」
「それを回避するために明るい情報を犠牲にせざるを得ないこと」という二つの問題点が起こることが
おわかりいただけたかと思います。

「LOG」の概念で1000灯の照明の明るさを表現してみよう

この二つの問題点を解決するために「LOG」の概念が登場します。
まずは簡単な例で考えてみます。


照明を1灯点灯します。次に、照明を1灯増やして2灯にすると倍の明るさになりますね。
ところが、さらに1灯増やして3灯にすると、明るくなったとは人間は知覚しますが、明るくなった程度は
1灯→2灯に増やしたときより、かなり小さく感じられます。
1灯→2灯の明るさ変化と、2灯→3灯の明るさの変化は同じとは感じられないのです。


では、何灯に点灯すれば1灯→2灯の変化と同じ程度に感じるでしょうか。
答えは、4灯です。2灯→4灯に増やすと、1灯→2灯の明るさ変化と同程度に知覚されます。
要は、「明るさが2倍に増えた」ということを「相対的に同程度の変化」と感じているのです。

明るくなった 1灯から2灯の時に比べて明るくならないな 1灯→2灯の時と同じくらい違いがあるな

LOG(対数)の数値表現は、まさにこの「何倍の変化」というものを足し算で表現したものです。
上記の例を数値的に見てみると、1灯はLOGで0、2灯はLOGで0.3、4灯はLOGで0.6となり、
1灯→2灯はLOGで0.3増加、2灯→4灯もLOGで0.3増加、と同じ量変化していることがわかります。
この同じ量の変化が同じ幅の変化に知覚されるというところがLOGのポイントです。

LOGでの変化量が異なっている LOGでの変化量が同じ
LOG

それではLOGの考え方で0灯~1000灯の照明の明るさを表現して
みましょう。0~100の整数表現を、(LOG10(照明の数)+1)/4*99+1
という式で表してみます。


0~10灯の間を51ステップで表現でき、かつ1灯よりも暗い明るさを
25ステップで表現できていることがわかります。


一方で、99で表される911灯から100で表される1000灯の間は
表現できません。しかし、991灯と1000灯の変化を倍率に直すと
約1.1倍となり1の0.1灯と2の0.11灯の倍率とほぼ同じになります。
そのため人間の知覚としては同程度の差を表現していることが
わかります。

 0.11灯÷0.1灯=約1.1倍 1000灯÷991灯=約1.1倍
LOGの数式 (LOG10(照明の数)+1)/4*99+1 について ここでは、1000灯の照明の明るさを0~100の整数で表すために上記の式を用いました。これは中間調がLOGに比例し、かつ最小値が0、最大値が100となるように調整した計算式です。デジタルカメラの場合、各社独自の計算式でLOGカーブを設計しています。10bitの1024階調という限られた中で、各カメラの性能を最大限表現するために各社が最適化した結果がメーカー毎の定義となっているのです。これがLogC、SLOG、Clogなどの様々なバリエーションが存在する理由です。

「リニア」と「LOG」をグラフで見てみましょう

それでは今までの話をグラフで見てみましょう。
次のグラフは、横軸を照明の数、縦軸を1~100の整数で表したものです。

照明の数(灯)
リニアA(青)は0灯から1000灯の全領域を表せていますが暗い領域の灯数が荒っぽくなってしまっています。暗い領域の灯数の表現を重視したリニアB(赤)は、100灯~1000灯までの違いを表現できなくなっています。(ハイライトが飛んでいる、サチると同じです。)

リニアA(青)は0灯から1000灯の全領域を表せていますが
暗い領域の灯数が荒っぽくなってしまっています。




暗い領域の灯数の表現を重視したリニアB(赤)は、
100灯~1000灯までの違いを表現できなくなっています。
(ハイライトが飛んでいる、サチると同じです。)

一方、緑色のLOGは0~1000までカバーできているように見えますが、すごい曲線になっています。
これで大丈夫なのでしょうか。

それでは今度は、横軸をLOG(=対数)にしたグラフで確認してみましょう。
LOGスケールとなっているので、人間の感覚に近い軸になっています。
LOGの緑色が直線になっていることは、人間の感覚に比例した表し方になっていることを意味しています。

照明の数の対数メモリ=人間の感覚に比例
特徴的な点として、照明の数が1灯以下の領域にも十分に整数が割り当てられていること。 同時に100灯以上の明るさにも整数が割り当てられていること。 暗い領域から明るい領域まで均等の精度で数字が振られていること。階段状のステップが、どの領域をとっても同じであることがわかります。これは誤差が全領域に均等に分散されており、整数の精度を有効に使用できていることを意味します。がわかります。

特徴的な点として、

  • 照明の数が1灯以下の領域にも十分に整数が割り当てられていること。




  • 同時に100灯以上の明るさにも整数が割り当てられていること。




  • 暗い領域から明るい領域まで均等の精度で数字が振られていること。
    階段状のステップが、どの領域をとっても同じであることがわかります。
    これは誤差が全領域に均等に分散されており、整数の精度を有効に
    使用できていることを意味します。

一方のリニアは、大きな曲線で
「人間の感覚とずれていること」「リニアAでは10灯以下が割り当てがない」「リニアBでは100灯以上の割り当てがない」
など大きな問題を抱えていることがわかります。


精度に関しても
「コードバリュー60以上は階段上ステップが見えないくらい誤差が小さくなっている」
一方、コードバリュー10以下については
「階段状ステップが横に間延びしており、コードバリュー1相当の明るさ変化量が大きい」
これらのことにより精度が不足していることがわかります。

このようにLOGを活用すると、暗い領域の精度を十分維持しつつ、かなりの明るさまで表現できることがわかります。
これが「LOG映像がダイナミックレンジが広い映像に適している」と言われる理由です。

今回は0~100までの整数で考えてみましたが、明るさの絶対値で表現する「リニア」の場合でも、
整数の数を増したり、浮動小数点を使用すれば精度の高い表現は可能です。
(階段状のステップを除去することは可能です)

ですが、映像制作で一般的に使用されている10bitの画像の場合、0~1023の間の整数しか使えません。
このような制約がある場合に、LOGのメリットが出てくるのです。


次回は、今回の続きで「LOG映像は何故眠い?」について考察したいと思います。お楽しみに。

LOGカメラはダイナミックレンジが広い? 厳密に言うと、上記の表現は間違いです。LOGカメラとは「LOG階調を持った映像を出力できるカメラ」というのが正しい表現です。ここで説明したように、LOG映像は広いダイナミックレンジの映像を格納できる表現方法ですが、実際のダイナミックレンジは使用するカメラに依存します。非常に広いダイナミックレンジを記録可能なLOG形式で映像出力するカメラであっても、実際に撮影可能なダイナミックレンジはかなり狭い、ということは十分有り得ます。

内田氏プロフィール

自称、映像システム設計のお困りお助け士。コンシューマーフォトからスタートし、Cineonが発表される前、1995年頃から
LOG映像を使ったシステム設計に携わる。現在は、手間隙かけずにカメラの性能を引き出した絵作りができるような
ソリューションの実現に心血を注いでいる。

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