写真にモアレが発生するのはなぜですか？科学的解説

モアレ効果とは？

コンピュータの画面、縞模様のシャツ、またはレンガの壁の写真を撮ったことがあるなら、モアレ効果として知られる奇妙な、波打つ、虹色のパターンに遭遇したことがあるでしょう。これらのパターンは現実世界には存在しません。被写体とカメラの相互作用によって生成される光学的アーティファクトです。それは完璧なショットを、気が散るようなプロらしくないサイケデリックな混乱に変えてしまう可能性があります。

「モアレ（Moiré）」という用語（発音は mwahr-ay）は、フランスの繊維産業に由来し、波打った、または水のような外観を持つ布地を表しています。絹織工は美的美しさのためにこの効果を意図的に作り出しましたが、デジタル写真では、それはほとんどの場合、写真家が避けようと戦う不要なエラーです。

科学：干渉パターン

その核心において、モアレパターンは干渉パターンです。これは、2つのグリッド状のパターンが重なり合っているが、完全に整列していない場合に発生します。写真において、これらの2つのグリッドは次のとおりです。

被写体のパターン： 撮影しているオブジェクトの細かい詳細（例：画面のピクセル、布の糸、超高層ビルの線）。
センサーのパターン： カメラのデジタルセンサー上のフォトサイト（ピクセル）の固定グリッド。

被写体のパターンの周波数がセンサーのピクセルグリッドの周波数に近いか、それを超えると、カメラは詳細を正確に解像できなくなります。この現象は空間エイリアシングとして知られています。センサーは真の細い線をキャプチャする代わりに、画像の上に新しい低周波の波パターンを作成します。これがモアレです。

ナイキスト・シャノンのサンプリング定理

なぜこれが起こるのかを理解するには、信号処理理論を見る必要があります。ナイキストレートは、信号（この場合は視覚的な詳細）を正確に再現するには、信号に含まれる最高周波数の少なくとも2倍のレートでサンプリングする必要があると述べています。

簡単に言えば、1インチあたり100ラインの詳細をキャプチャしたい場合、カメラセンサーは少なくとも1インチあたり200ラインを解像できる解像度を持っている必要があります。詳細がセンサーがキャプチャできるものよりも細かい場合（ナイキスト限界に違反する場合）、「余分な」データは単に消えるわけではありません。それは誤ったパターン、つまりモアレとして可視スペクトルに折り返されます。

カラーモアレと輝度モアレ

目にする可能性のあるモアレには主に2つのタイプがあり、それらはしばしば一緒に現れます。

輝度モアレ： 明暗の湾曲した波線として現れます。これは画像の細部と質感に影響を与えます。それは池の波紋のように見え、建築の細部や白黒の布地でよく見られます。
カラーモアレ： 虹色の縞模様（多くの場合、紫、緑、または黄色）として現れます。これは、ほとんどのデジタルセンサーが色をキャプチャするために使用するベイヤーフィルター配列のために発生します。赤、緑、青のピクセルは特定のモザイクグリッドに配置されています。細かい詳細がこのカラーグリッドと干渉すると、カメラは特定のピクセルの色を「推測」し間違え、誤った色のアーティファクトを生成します。

光学ローパスフィルター（OLPF）の役割

長年の間、カメラメーカーは、センサーの直前に光学ローパスフィルター（OLPF）（アンチエイリアシングフィルターとも呼ばれる）を取り付けることで、ハードウェア側でモアレと戦ってきました。

このフィルターは、入ってくる画像を意図的にわずかにぼかすことで機能します。エイリアシングを引き起こす最も細かい詳細を滑らかにするのに十分ですが、（願わくば）写真の鮮明さを損なうほどではありません。それは高周波がセンサーに到達する前に効果的に遮断します。

しかし、最大の鮮明さと解像度を追求して、現代のハイエンドカメラ（Nikon Zシリーズ、Sony Alpha Rシリーズ、Canon R5など）は、しばしばOLPFを省略しています。それらは、パターンを解像するために高いメガピクセル数に依存しています。これはより鮮明な画像をもたらしますが、特にファッションや建築写真において、モアレが復活していることを意味します。

修正が難しい理由

モアレパターンは画像の生データに焼き付けられています。センサーが文字通り間違ったパターンを「見た」ため、それを削除するには、画像が本来どのように見えるべきだったかを複雑に数学的に再構築する必要があります。それは「シミを取り除く」ほど単純ではありません。あなたは誤ったパターンを本当のテクスチャから分離しようとしているのです。

これが、従来の編集ツールがしばしば苦労する理由です。それらはパターンを隠すためにテクスチャをぼかす傾向があります。MorieのようなAI搭載ソリューションは、幾何学的な干渉パターンを差し引きながら、可能性の高い元のテクスチャを「幻覚」または再構築できるため、標準になりつつあります。