暗い場所でカメラで写真を撮ろうとすると、使える光子の数は限られています！ 冗談抜きで、写真撮影の肝心なのは光であり、光は光子であり、光子が不足すると夜間の写真は悪くなります。
Appleは、iPhone 11とiPhone 11 Proにナイトモードを導入することで、この問題の解決に大きな前進を遂げました。この機能は、iPhone 11の広角カメラの感度向上と、コンピュテーショナルフォトグラフィー技術を活用し、カメラの光学性能だけでは実現できない、はるかに優れた画像を構築します。
ナイトモードは一種の「ダークHDR」です。わずかに異なる露出で写真を素早く撮影し、それぞれの最も表現力豊かなトーンレンジを組み合わせるのではなく、ナイトモードでは、より長い間隔で多数の画像を取得し、より複雑な一連の判断を用いて最良の部分を巧みにインターリーブすることで、ピクセルノイズやぼやけの少ない夜間写真を生成します。
なぜ暗闇で写真を撮るのはこんなに難しいのでしょうか？Appleはこれまで何を試してきたのでしょうか？そして、最も重要なのは、ナイトモードがどれほど成功しているのかということです。
電子、光子
暗闇の中では、文字通り光がほとんどないため、カメラで光を捉えるのは困難です。光を光源から噴き出す一種の拡散と考えるのは簡単ですが、実際には、電子を前後に移動させるような励起を受けた原子から放出される無数の光子であることが分かっています。
通常、暗くなるまで光の光子特性を意識する必要はありません。フィルムカメラやデジタルカメラは、快適に読み取れる程度の光量があれば、概して良好な写真から素晴らしい写真まで撮影できるからです。捉えるべき光子が多ければ、不足することはなく、トーン（光の強度）は正確に表現されます。
従来のカメラでは、より多くの光子を捉える方法は 2 つあります。1 つはレンズにある円形の絞りをはるかに大きく開き、明るいショットのときよりも多くの光をフィルムに取り込む方法、もう 1 つはシャッターが開いている時間 (露出時間) を長くして、より多くの光子をフィルムに取り込む方法です。露出時間を長くすると、動きをうまく捉えることができず、動きの速い被写体がぼやけてしまいます。高速カメラは、非常に短いシャッター時間を使用することで、ランナーがゴールラインを通過するときなどを鮮明に捉えることができますが、鮮明な写真を作るには大量の光が必要です。スマートフォンのカメラでは、この計算が少し異なります (フィルム カメラにも ISO/ASA 番号があり、これは光を受け取る結晶の粒径を表します。結晶が大きいほど、つまり ISO/ASA が高いほど、色調を捉えるのに必要な光量は少なくて済みますが、結果として「粒度の粗い」写真になります)。
デジタルカメラのセンサー（通常はCCDまたは電荷結合素子）は、本質的に光子コレクターです。このセンサーは、いわば特殊なコンピュータチップです。カメラのセンサー上の各ピクセルは、光子がバスケットボールのように落ちていくフープのような役割を果たします。光子がフープに入り、センサーに当たると、エネルギーを放出し、光電効果によって電子を生成します。この電子はCCDによって「ウェル」と呼ばれるバケツに捕らえられ、露光時間が終了するまでそこに集められます。そして、センサーは捕らえられた電子の集合体を用いて、ピクセルの階調値を決定します。
(デジタル カメラのセンサーが捉えるのは色調のみです。カラー画像は、赤、緑、青のフィルターで個々のピクセルを覆うことで作成されます。通常、緑のピクセルの数は他の 2 つのピクセルの 2 倍です。これは、緑の光がシーンのニュートラルな色調範囲を最もよく捉えるためです。)
被写体に光が多い場合、デジタルカメラはセンサーのウェルが急速に満たされてディテールが白飛びするのを防ぐため、露出時間を短くする必要があります。光が少ない場合は、露出時間を長くすることでバランスの取れた写真を撮ることができますが、被写体が動いている場合はぼやけてしまう可能性があります。
しかし、外が完全に暗い場合、センサーに当たる光子はほとんどなくなります。背景ノイズがあり、センサーはシーンを画像化するために電荷に依存しているため、センサーは良い電子だけでなく、誤った電子も拾い上げてしまいます。
夜景を撮影する従来の方法は、露出時間を長くすることですが、少しでも人が動いているとうまくいきません。露出時間が短いと、十分な光を捉えられなかったり、カメラがISO感度を上げすぎてノイズ（本来は存在しないはずの様々な色の斑点）を発生させたりするからです。
1兆人もの人々が、高いところから四角いバスケットがぎっしり詰まった海に向かってゴルフボールを投げるところを想像してみてください。投げた人が狙ったバスケットにまっすぐ落ちるボールもあれば、バスケットの縁に当たって跳ね返り、別のバスケットに落ちるボールもあります。さらに、投げるボールの数が少ないと、投げる人の狙いが悪くなり、間違った場所に落ちるボールが増え、誤ったカウント、つまり暗い写真に点状のピクセルが現れる可能性が高くなります。
カメラメーカーは、この問題を改善するために微調整できる要素を数多く持っており、それらはすべて、あらゆる光条件において結果を改善します。レンズの絞りが大きいほど、より多くの光を取り込むことができます。センサーの電子井戸が深いほど、より多くの電子を集めることができ、センサーの感度を高めることで、最も暗い影の中でも、より多くのトーンをより正確に識別できるようになります。センサーのピクセルが大きいほど、最も暗い状況でもより多くの光を捉えることができます。
ここ数年、Appleはカメラのあらゆる要素を微調整してきました。iPhone 6sからiPhone 7へのアップデートの間に、絞りは約50%開放され、メインレンズはf/2.2からf/1.8に拡大しました（f値は絞りの直径を表します）。iPhone X以降のモデルでは、より大きなピクセルとより深いウェルを備えたセンサーが搭載されています。
（逆説的ですが、ピクセルを大きくするのではなく、センサーの面積を増やしてピクセル数を増やすと、小さなセンサーに当たる光が少なくなるため、感度が低下します。そのため、数年前に12メガピクセルという十分なサイズが達成されて以来、メガピクセル数の重要性は大幅に低下しました。それ以来、すべての焦点は感度と色調範囲と識別に移っています。これは、フィルムの粒子サイズを大きくしてISO/ASA速度を上げるのとまったく同じように機能します。）
iPhone 11モデルの広角レンズセンサーはさらに進化しました。センサーサイズとピクセル数は変わりませんが、Appleは感度を33%向上させました。（Appleは、最も明るい環境下でも感度を劇的に向上させ、現行のカメラは最短1/125,000秒の露出で撮影でき、これはiPhone XSの6倍の速さです。）
iPhone 11 ProとiPhone 11 Pro Maxの望遠レンズもナイトモードで使用できます。Appleは望遠レンズの絞りをf/2.4からf/2.0に開放し、約50%向上させました。同時に、センサーの感度も40%以上向上しました。
iPhone X以降、広角レンズと望遠レンズの両方に光学式手ぶれ補正機能が搭載されています。これは、小さな動きを補正し、同じ光の中でより長い露出時間を可能にすることで、実効絞り値を上げる機械システムです。（光学式手ぶれ補正機能は、実際の露出時間が同じままであるため、シーン内の動きにはあまり効果がありません。）
ナイトモード導入以前、Appleはレンズとセンサーの改良により、低照度撮影における画質を最低限のレベルにまで高め、多くの場合、ぼやけたり濁ったりした写真ではなく、まずまずの画質で撮影できるように努めていました。Appleはこの時期に内蔵フラッシュの改良も進めましたが、フラッシュ素子は角度調整ができずLEDベースであるため、フラッシュの使用は最終手段に過ぎません。iPhoneのフラッシュは、派手な写真や明るすぎる写真を作り出すことがよくありますが、これまで撮影不可能だったシーンを、記録可能なものに変える可能性を秘めています。
ナイトモードは、これまでの取り組みを飛躍的に向上させました。洗練された多角的なアプローチにより、単なる最後の手段ではなく、優れた写真を生み出すことができます。Appleがこの手法を採用した最初の企業ではありません。Googleや他のスマートフォンメーカーも、低照度下での合成写真の開発に取り組んできましたが、ナイトモードは最高のソリューションの一つと言えるでしょう。
ナイトモードを効果的に使う
ナイトモードを設定する必要はありません。カメラアプリは、状況が適切だと判断すると、常にナイトモードを提案するか、自動的にオンにします。ナイトモードアイコンは、カメラアプリの左上（横向きの場合は左下）に表示されます。明るさがギリギリの条件に遭遇すると、白いアイコンでナイトモードを提案します。タップしてオンにします。ただし、カメラアプリの分析結果により、ナイトモードでないと良好な写真が撮れないと判断された場合は、ナイトモードがオンになり、アイコンが黄色に変わり、秒数で持続する時間が表示されます。
シャッターボタンをタップしたら、画像がフェードインして最大の明るさになり、タイマーがカウントダウンするまで、じっと動かないようにしてください。もっと長時間撮影したい場合は、ナイトモードアイコンをタップするとスライダーが表示され、撮影時間を調整できます。また、カメラアプリのナイトモードを無効にしたい場合は、スライダーを右にスワイプして「オフ」にすることもできます。ナイトモードを全体的に無効にする方法はなく、撮影ごとに無効にする必要があります。
ナイトモードでは、電子シャッターを長時間開いたままにすることはありません。HDRと同様に、カメラアプリは指定された時間内に一連の画像を収集します。これらの画像は、動画のデジタル手ぶれ補正に似た方法で合成されます。（ナイトモードでは、実際に多くの異なる露出で撮影するため、撮影時間を「露出」ではなく「持続時間」と呼ぶのはそのためです。）
カメラアプリは内蔵センサーを使って、iPhoneが三脚、一脚、あるいはその他の安定した状態にあるかどうかを検知します。その場合、より長い撮影を提案することがあります。撮影時間は最大28秒まで調整可能です！（ただし、この最大値はナイトモードによって設定される値なので、場合によってはより短い時間で撮影されることがあります。）
三脚を使って長時間撮影した写真には、長時間露光による多重露光の効果がよく表れています。シアトルの飛行経路の下に住んでいるので、飛行機が南に向かって直線的に家の上空を飛ぶことがよくあります。ナイトモードで飛行機の光を撮影すると、芸術的なぼかし効果が得られます。ある晴れた夜、ナイトモードをテストしていたとき、国際宇宙ステーションと思われる衛星も捉えました。肉眼では見えませんでしたが、十分な時間ごとに点滅する様子が捉えられました。
Appleは説明会で、撮影された画像には「アダプティブブラケット」が使用されていると説明した。これは、同じシーンを異なる設定で複数回撮影する技術だ。動きを捉えるために短い露出時間で撮影するショットもあれば、影の部分のディテールを際立たせるために長い露出時間で撮影するショットもある。iPhone 11の新しいセンサーは、最悪の照明条件でもナイトモードでこれらの異なる露出を作り出すのに必要な品質を提供しているようだ。
カメラアプリは、iPhone 11のA13 Bionicプロセッサに内蔵されたNeural Engineを介して、機械学習を用いてこれらの画像を処理します。これらの機械学習アルゴリズムは、人間によるトレーニングに基づいて画像の最も望ましい特徴を捉え、それを新しい斬新な入力に適用します。アルゴリズムはトレーニングから人々が好む外観、色、ディテールを把握し、ナイトモードで撮影した大量の写真から1枚の画像を構築する際に、その特徴を重視します。（Neural Engineは、iOS 13.2で初めて搭載された、スーパーHDRの一種である新しいDeep Fusion機能も駆動します。）
Appleによると、得られる画像は夜景の雰囲気を保つように設計されており、夕景を偽の昼光のように見せようとしているわけではないとのことです。そのため、ナイトモードでは明るさを上げながらも色彩を保つことに重点を置いています。しかし、必ずしもうまくいくとは限りません。部屋の中、街灯、家屋から発せられる光など、ほんのわずかな光以外は非常に暗いシーンを撮影すると、夜というより夜明けのような写真になり、色彩も変化することがあります。
しかし、機械学習に大きく依存するナイトモードの利点は、Appleのアルゴリズムが今後も進化し続けることです。さらに、私たちは最適な結果を生み出す条件を学習し、写真アプリやLightroomを使って、より好みに合わせて結果を微調整できるようになります。
いずれにせよ、ナイトモードのおかげで、写真を撮ろうと思った瞬間に劇的な変化が起きたと感じています。以前は、低照度下での撮影品質が凡庸で、どうしても撮りたい時や、ある瞬間を記録する時以外は写真を撮らない、という気持ちが強くありました。今では、夜の屋外や、薄暗いレストランでの遅い夕食時など、ついつい写真を撮ってしまいます。実際、ナイトモードの斬新さのせいで、写真好きが少し変わってしまったかもしれません。でも、魔法と見分けがつかないほど高度な技術はどれもそうですが、きっとすぐに慣れるでしょう。