レンズの裏側：iPhone 5sカメラ内部の技術を覗いてみよう

外出先で写真を撮るとなると、スマートフォンの便利さに勝るものはありません。かさばる一眼レフカメラよりも軽く、一般的なコンパクトカメラと違って、写真を撮ろうなどとは全く思っていない時でもポケットの中に入っています。

この事実はAppleの社員たちも承知しており、ここ数年、ハードウェアとソフトウェアの高度な組み合わせを継続的に改良することで、iPhoneを世界で最も広く使われているカメラにすべく尽力してきました。この伝統はiPhone 5sにも引き継がれ、驚異的な新カメラ技術が内蔵されています。

大きいほど良い

メーカーはカメラの解像度を大々的に宣伝するのが大好きです。メガピクセル数が多いほどマーケティング効果は大きく、数値の比較は消費者にとって理解しやすいからです。しかし、CPUのメガヘルツやテレビのインチ数のように、メガピクセルは全体像の比較的小さな部分しか表しません。そして、ある一定の数値を超えると、もはや「より良い」写真を撮ることはできず、ただ大きな写真が撮れるだけになります。

したがって、AppleがiPhone 5sの開発時にiPhone 5のカメラの解像度を8MPから引き上げなかったのは、それほど驚くべきことではありません。その代わりに、Appleは、説明が難しいかもしれないものの、一般ユーザーがより良い写真を撮れるようになる可能性のある他の機能に注力しました。

おそらく最も良い例は、新しいカメラのセンサーの大型化でしょう。その表面積はiPhone 5のセンサーよりも15%広くなっています。ピクセル数は変わっていないため、iPhoneの受光素子一つ一つがより多くの光を捉えられるようになり、Appleによると最大33%も増加しています。これに、F値2.2の大きな絞り値を備えた新しい5枚構成レンズ（iPhone 5から大幅に改良されたことで、センサーに届く光量が大幅に増加）を組み合わせることで、動きの速い被写体の撮影や暗い場所での撮影において、はるかに優れた性能を発揮するカメラが誕生しました。

舞台裏のチップ

しかし、iPhone 5sのカメラの真の魔法は、レンズから隠された、A7 CPUの特殊な部分、画像信号プロセッサ（ISP）にあります。これは、センサーからの生の入力を実際の画像に変換するハードウェアです。Appleはサードパーティ製のハードウェアに頼るのではなく、iPhone 4sの発売時に独自のISPを導入し、それ以来、チップの機能を改良し続けてきました。

iPhone 5sでは、ISP（インターネット・インタラクション・プロセッサ）は、スマートフォンというよりはむしろハイエンドの専用カメラに搭載されているような機能をいくつか搭載しています。例えば、ホワイトバランスや露出補正といった機能に加え、このチップはローカル・トーナル・マッピングと呼ばれる技術を用いて、写真の各部分を個別に撮影し、それぞれのコントラストを個別に高めます。例えば、非常に明るい背景を背景に暗い被写体を撮影した場合、iPhoneは背景が白っぽくならないように調整し、被写体を明るくして視認性を高めます。

しかし、それだけではありません。新しいISPはマルチゾーン測光機能も搭載しており、フォーカスやカラーバランスなどの要素を判断する際に、写真の複数の領域を分析できるようになりました。これにより、オートフォーカスの応答性が向上し、コントラストが向上し、より鮮明な画像が得られます。

速いほうが良い

より高感度なセンサーと高速なISPは、ソフトウェアレベルの機能向上にもつながります。例えば、カメラアプリには新たに「バーストモード」が搭載され、連続して複数の写真を撮影できるだけでなく、最もよく写った写真を自動的に選んでくれる機能も搭載されています。

カメラアプリでは、カメラの揺れによるぼやけた写真を防ぐために、同様の技術が使用されています。非常に短い時間内に連続して写真を撮影し、最もコントラストの高い写真を選ぶことで、足元が安定していないときでも、カメラはより鮮明な写真を撮影できます。

これらすべてが、5sのスローモーション動画モードを可能にしています。「時間を遅くする」ために、カメラは通常の動画撮影時の4倍の速さで画像を撮影する必要があり、各フレームでシャッターを開いている時間を約25%に抑えます。これは、5sが誇るより高感度な光学系と高速画像処理能力の組み合わせなしには実現が非常に困難です。（残念ながら、従来の電源は場所によって異なりますが、1秒間に50～60回オンオフするため、人工照明の下では依然としてわずかなちらつきが見られます。）

より高速で高性能な画像信号プロセッサにより、バーストモードやスローモーションなどの新しい機能が可能になります。

ひらめき

フラッシュを使って人工照明の下で写真を撮ったことがある人は、おそらく私が「ゾンビポートレート」と呼んでいるものになったことがあるでしょう。これは、周囲の光（通常は黄色がかっている）とフラッシュから放射される青みがかった光の色温度の違いにより、ISP が露出のバランスを適切に調整できず、結果として写真の人物がまるでジョージ・ロメロの映画から飛び出してきたかのような印象を与えるものです。

この問題は、デジタルカメラが登場する以前から写真家にとって悩みの種でした。当時は、フラッシュの前に特殊なゲルフィルターを取り付け、専用のタングステンバランスフィルムを使用するしか解決策がありませんでした。この問題は非常に一般的だったため、多くの現像所では、顧客から「子供の誕生日写真を台無しにした」と技術者に非難されることを防ぐため、カラーバランスの問題全体を説明した印刷済みのカードを配布していました。

デジタルカメラではフィルムは問題にならないのは明らかですが、最先端の信号処理アルゴリズムをもってしても、色合いの異なる2つの光源を補正することは現状では不可能です。この問題を解決するため、Appleはわずかに異なる色の光を発する2つ目のフラッシュを効果的に追加しました。ISP（インターネットサービスプロバイダ）は周囲の光を測定し、2つのフラッシュをその温度に近づけるように合成することで、特別な機材を必要とせずに「ナイト・オブ・ザ・リビング・デッド」の静止画を少なくすることができます。