あぷらなーと


あぷらなーとの写真ブログ
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カテゴリ:科学写真( 3 )

しばらくやっていた事

★ふと気づけば

週に1回更新を目指しているブログですが、前回更新から1ヶ月もブランクが空いてしまいました。
冷却CMOSカメラがらみで色々と試行錯誤していたのが原因なのですが、残念ながら(?)天体写真撮影がらみでは無く、まさかの『本業』の方(笑)。


★無謀なる(?)挑戦

夏休みに『本業』の方で「実験教室」を開くことになりまして、「ミルククラウン」を題材にしようと1ヶ月ほど格闘してました。
自分が趣味でやるならともかく、生徒達にやらせるとなると、これ、かなり難敵なんですねぇ。(たぶん、これまで実践した同業者さんはいないかと・・・)ここ数年は大学入試対策の現代文講師としての出番が一番多かったのですが、今回は小中学生相手の理科講師の役作りとなります。久々に趣味と実益を兼ねた企画なのでテンションが上がります。


★まずは、形から入る

ミルククラウン自体は、別に特殊な実験用具が必要な訳では無くて、前回の記事↓の通り

三脚か何かに穴を開けたフィルムケースをセロテープで縛り付けて、そこからお皿にでもミルクを滴下すれば事足りるのですが、これだとさすがに『みすぼらしい』ので、『それっぽい』ものをいくつかポチってみました。


★「ミルク滴下装置」完成

 普通のプラ容器に穴を開けたり、熱帯魚用の「水替え点滴装置」の転用とか色々試行錯誤しましたが、イマイチ動作が安定せず断念(少なくとも、子供では制御不可能)。結局、『理科実験御用達』のケニスさんから活栓付きロートや実験スタンドなどを取り寄せました。最近はこんなものもアマゾンからクリック一発で取り寄せできるんですねぇ。良い時代になりました。

 そう言えば小学生の頃、小遣いを貯めては分厚いケニスのカタログを手に近所の薬局に通い、試験管やアルコールランプや各種試薬をコツコツ買いそろえていたなあと、なんだかノスタルジーに浸ってしまいました。(あの頃は1年の大半を理科の自由研究に費やしてましたっけ・・・。)

 ・・・というわけで、こんな装置になりました。

f0346040_22072617.jpg
 うむー。なかなか「それっぽい」装置が組み上がったぞ。良い感じです♪
これなら、子供でも操作できそう。

 滴下するミルクは「教育上の配慮」からポスターカラーを溶いた疑似ミルクを用意。粘性率がすこし低下しちゃいますが、まさか生徒の自由研究ノートに「実験で使用したミルクは、実験後にみんなでおいしくいただきました」とか書かせられないですしねぇ(笑)。


★問題は冷却CMOSカメラ

 「最新鋭の機材を使って・・・」とか広告に書いちゃったので、普通のビデオやカメラじゃダメだろうと、ZWOの冷却CMOSカメラを『簡易版ハイスピードカメラ』として投入します。(『本物』のハイスピードカメラは高価なので無理・・・)
 ・・・ああ、こんなマニアックな製品を『本業』で使うことになるとは・・・・買った当初は、少しだけ想定してました(あれ?)

 ここで問題となるのが、3本の『赤缶』のうち、どれをメイン投入するかです。


★ASI1600MMの弱点

 実際の実験ではモノクロ画像を使用するので普通ならASI1600MMをROIでクロップしてハイスピード動作させたいところですが、ここで問題が生じます。このカメラ(というか、ほとんどの電子シャッターカメラは)ローリングシャッター仕様なのですね。要するに、全画素を一括露光して一気に読み出すCCDカメラと異なり、CMOSカメラでは1ラインごとに露光してそれを順次読み出すのですが、その間に撮影対象が動くと画像が歪んでしまうわけです。したがって「どんなに高速なシャッターを切っても、運動する物体の『瞬間の姿』は写せない」のです。俗に『コンニャク現象』と呼ばれるこの現象は、フォーカルプレーンシャッター搭載のフィルム一眼レフ(スリット走行によって高速シャッターに見せかけている)でも見られた現象でして、原理的に回避することは不可能です。


 それでは、実際にASI1600MMのローリングシャッターが起こす『コンニャク現象』が実験にどんな影響を与えるか見てみます。

下記の撮影パラメータで、滴下するミルク滴を高速撮影して『検証ごっこ』してみました。

[ZWO ASI1600MM-Cool]
Pan=844
Tilt=624
Output Format=SER file
Binning=2
Capture Area=1280x1024
Colour Space=MONO8
Hardware Binning=On
High Speed Mode=On
Turbo USB=100(Auto)
Flip=None
Frame Rate Limit=Maximum
Gain=114
Exposure=0.0001
Timestamp Frames=Off
Brightness=10
Gamma=50

f0346040_23015662.jpg
 ※左:ミルクの滴下方向と垂直にシャッター駆動した場合 右:滴下方向にシャッター駆動した場合
  (それぞれピクセル等倍トリミング)

上記の画像の左は、カメラを90度傾けて撮影したもの、右は水平を出して撮影したものです。
同じように写るはずのミルク滴が全く異なる形に変形しているのが分かりますね。さらに細かく見ると、左の写真では、水面に映った像と実際の滴とがキレイな線対称に写っているのに対して、右の写真では、全く異なる形(実態は縦長で虚像は横長)に写っている点も興味深いです(理論的に正しい挙動です)。



★左の画像は次のように解釈できます
f0346040_00180941.jpg

 このように、1ラインずつ左から右に露光している内にミルク滴が落下していくために、右斜め下に歪んだ像ができる訳ですね。
なお、水面に対して平行方向に走査しているため、実像と虚像が同じ形に歪むことも説明できます。



★右の画像は次のように解釈できます
f0346040_00191391.jpg
 このように、1ラインずつ上から下に露光している内にミルク滴が落下していくために、上下に伸びた像ができる訳ですね。
なお、水面に対して直交方向に走査しているため実像と虚像とではその像の動きが真逆となります。したがって実体と水面に映った像の歪み方が異なることも説明できますね。



★ASI174MCはスゴイ!

画素数が少なかったり、冷却しても消えない盛大なアンプノイズがあったりして『じゃじゃ馬』なASI174MC-COOLですが、このカメラにはCMOSカメラとしては画期的とも言える「グローバルシャッター」が実装されています。要するに、CMOSカメラでありながら、まるでCCDカメラのように全画素一斉露光できちゃうのです!!

では、ASI174MC-COOLを下記のパラメータで撮影したものでグローバルシャッターの実力を見てみましょう。

[ZWO ASI174MC-Cool]
Debayer Preview=On
Pan=568
Tilt=308
Output Format=SER file
Binning=1
Capture Area=800x600
Colour Space=RAW8
High Speed Mode=On
Turbo USB=80(Auto)
Flip=None
Frame Rate Limit=Maximum
Gain=348
Exposure=0.000235
Timestamp Frames=Off
White Bal (B)=90(Auto)
White Bal (R)=99(Auto)
Brightness=1
Gamma=50

f0346040_00263940.jpg
落下するミルク滴が「まんまる」です!! お見事♪
さらに、800×600のROIでも実に300FPS以上をたたき出す点も素敵すぎます。
(ASI1600で同等条件だと120FPS前後しか出せません)

・・・という訳で、使用するメインCMOSカメラは、ASI174MC-COOLに決定しました。


★あとはノートPCを・・・

実際の実験では、色々な条件を変えて大量に動画を撮像するので、ノートPCもできるだけ高速化する必要がありますね。

・・・・で、(万が一生徒に壊されてもダメージが少ない)HPの格安ノートPCを・・・・

f0346040_00345479.jpg
分解して、内蔵HDDをSSDに換装しました。

※このHPのノートPCは、各種オプションの交換を想定していないらしく、SSD換装は相当に苦戦しました。そもそも開腹する方法が(思いもよらぬ手順が必要で)膨大な時間が掛かった上、外装にも結構なキズが残っちゃいました。また、普通にクローニングしただけではOSが走らなくなったりして、いつもならものの2~3時間で完了する作業に2週間も掛かっちゃいました。真似する人がいると危ないので(笑)機種名と分解の手順詳細は伏せておきます(正直、二度と中身を触りたくないです。)

さらに、windows10に特有の、『訳の分からないタスクがCPUリソースを100%食いつぶす』現象が実験中に起こると致命的なので、怪しいプロセスには使用するコアに制限を与えて、いざという時にも無負荷のコアが生き残るように設定しました。(2コアのセレロン機なので、もともと非力ですが、なんとか使えるレベルになったかと・・・)


★・・・というわけで

約1ヶ月かかった実験教室の準備もヤマを越えました。
・・・あとは・・・生徒用のシナリオと、助手の先生用のシナリオと、想定される破損事故に備えたサブシステムの構築をやらなきゃ・・・・。

・・・ともかく、似たような機材を使う撮影であっても「趣味」と「お仕事」とではプレッシャーの差がハンパないことを再認識した1ヶ月でした。

え?公開天体観測教室は、ですか?・・・・いつかやりたいですね。
(本業では20年くらい前に一度だけ開催したことがありますが、色々としんどかったです)。



by supernova1987a | 2017-06-25 23:44 | 科学写真 | Comments(6)

冷却CMOSカメラでミルククラウンを撮る

★皆さんの冷却CMOSカメラは・・・

天気が悪い日に大人しく寝ていますか?

さて、天候不順に泣いているうちにあぷらなーとのGW休暇は終わってしまいました。
しかし、なにか新しい課題を撮影しないと面白くないので、冷却CMOSカメラASI174MC-COOLの特性を活かした屋内の撮影対象を狙ってみることにしました。
それは・・・・ずばり「ミルククラウン」です!!

一滴のミルクが着水した瞬間に花開く刹那の『王冠』・・・美しいですね。
実はこれ、ひと昔前なら相当に難敵でして、いわゆる『職人芸』が必要でした。
ちなみに、あぷらなーとは高校~大学生時代に試行錯誤の末「フィルムカメラ+ストロボでミルククラウンを撮影」するコツを(ある程度)会得したのですが、それはおよそ次のようなものでした。
(無論、本来なら光電センサーと遅延装置を組み合わせて効率よく撮影するのが正解でしょうが、そいういう『反則ワザ』は無しという方向で)


★フィルムカメラでミルククラウンを撮るコツ

デジタル時代の今、その大半はもう時代遅れでしょうがネタ的には面白いので特別公開♪

①ミルクを落下させるのは、平たいお皿。かつミルクは極力薄く張る。
 お皿の表面がミルクでうっすら隠れる程度でよく、決してミルクをなみなみと『溜め』てはいけない。 

②ミルクを落下させるのはおよそ30~50cm上方から。
 できれば一定の間隔で滴下させる。
 (例えば、上下に小さな穴を空けたフィルムケースにミルクを詰め、上の穴に画鋲を刺してその刺さり具合で滴下間隔を調整するなど)

③立体感を持たせるため、ストロボの光は斜め前方から逆光気味に当てる。

④レンズのピントは、部屋を明るくした状態でファインダー内の落下予想地点に目視で合わせる。
 またレンズの絞りは極力絞り込む(F11~22が目安)

⑤ストロボは落下予想地点までの照射距離と実効F値とフィルムISOからガイドナンバーを計算し、マニュアルで発光量を調整する。

⑥実際の撮影は完全な暗闇の中で行う。

⑦カメラのシャッターをバルブにし、シャッターを開放したらポタポタ落ちるミルク滴の音を耳で聞き、着水タイミングを推測してストロボを手動で発光させる。

⑧ストロボの発光が完了したらカメラのシャッターを閉じる。

⑨ストロボの閃光で、上手く撮れたかどうかは視認できるので、納得がいくまで⑦⑧を延々繰り返す


このうち①~③はデジタル時代の今でも使える『超重要』ノウハウではないかと思います。
特に①で失敗する人が多いんじゃないかと思います。
受け皿のミルクが多いと、ミルク滴が「ドボン」って落ちて『王冠』では無く『丼』型とか『こけし』型になります。実は成功した場合の『王冠の底』は、お皿が写っているんです!(ここに気づくまで、いったい何本のフィルムを無駄にしたことか・・・)


★ASI174MC-COOLの最大の武器は・・・

ZWOの冷却CMOSカメラASI174MC-COOLの特徴は、その超高速なフレームレートと、グローバルシャッターにより歪みの無い高速シャッターが切れることです。

ちなみに、800×600にROI(クロップ)し、HighSpeedModeをON(ADCが10bitで駆動)にした上で、出力形式を8bitRAWのSER出力にすれば、高速シャッターでのフレームレートは実測でおよそ350FPS(1秒間に350コマ連写)にまで上がりました。

今回は、その特性を活かしたミルククラウン撮影を試みることにします。



★実際の撮影風景は・・・

f0346040_23220039.jpg
 ※ASI174系はASI1600系と異なり、メーカーからカメラレンズを装着するアダプタが発売されていないので、手持ちの色んな部品を組み合わせてアダプタを自作しました。用いたレンズは、ニコンのAFマイクロ60mmF2.8(Gタイプは絞りが操作できないのでNG)です。

f0346040_23233865.jpg
今回の場合ストロボが使えない(同期できない)ので、LEDライトなどを複数用いて十分な明るさを確保します。
(ノウハウの③に準じて配光位置をセットします。)

※少なくとも1/2000秒以上の高速シャッターを切らないとミルククラウンがブレてしまいますので、相当な明るさが必要です。


★ASI174MCの撮像パラメータは

試行錯誤の末、下記のパラメータで撮影すると上手く行きました。

[ZWO ASI174MC-Cool]
Debayer Preview=On
Pan=484
Tilt=304
Output Format=SER file
Binning=1
Capture Area=968x608 (※この程度の解像度は欲しいところですが、ここはお好みで)
Colour Space=RAW8 (※この設定が最速です)
High Speed Mode=On (※ADCを通常の12bitから10bitに変わり高速駆動します)
Turbo USB=80(Auto)
Flip=None
Frame Rate Limit=Maximum
Gain=244
Exposure=0.0002 (※1/5000秒のシャッター速度ですね)
Timestamp Frames=Off
White Bal (B)=79(Auto)
White Bal (R)=99(Auto)
Brightness=1
Gamma=50


★撮像データの現像処理は・・・

RAWデータのSER動画ですので、複数のソフトを使う必要があります。
色々と試行錯誤した結果、

 ①SER Player でSERファイルを開く
 ②上手く写ったコマだけを抽出してTIFFで吐き出す
 ③シルキーピクスで色調や階調を整え、適宜ノイズ処理とシャープ処理を行う

という流れで良い感じに仕上げることが可能でした。



★まずは、NG例からどうぞ(笑)

f0346040_23372359.jpg
 ○照明が足りていない
 ○シャッターが遅く、ブレている
 ○ホワイトバランスが合っていない
 ○ピントがミルククラウンの前面に来ていない(後ピンになっている)
 ○構図が悪く、ミルククラウンが切れている(近すぎ)

f0346040_23403499.jpg
 ○ゲインを上げすぎて、ノイズまみれ
 ○まだシャッターが遅く、ブレている
 ○ホワイトバランスが合っていない
 ○階調が乏しく高輝度部がサチっている
 ○ミルクのシズル感(瑞々しい質感)が出ていない

 ※ライティングの方向、映り込みの出し方、陰の方向、撮影像の大きさはバッチリなのにもったいない(涙)



★では成功例をどうぞ♪

1.ミルク球が落下してきます。
f0346040_00091640.jpg

2.着水の瞬間! 飛沫が上がり始めます。
f0346040_00124204.jpg

3.誕生したミルククラウン
f0346040_00140395.jpg

4.成長するミルククラウン
f0346040_00153820.jpg

5.王冠の『角』が開き始めます
f0346040_00162420.jpg

6.ミルククラウンの完成♪
f0346040_00170471.jpg

7.でも、一瞬で崩れます
f0346040_00190854.jpg

8.無数の玉が飛び散ります
f0346040_00201546.jpg

9.王冠は消滅し、飛び散った玉だけが宙を舞います
f0346040_00205368.jpg
・・・この間(1~9まで)実に0.032秒の出来事です!

ASI174MC-COOLの超高速グローバルシャッターの威力、しかと見届けたっ!

という訳で、
今回は、あぷらなーとがお届けする「刹那のドラマ」でしたー♪

※注:ASI174系以外のCMOSカメラ(ASI1600系など)の場合はグローバルシャッターではなくローリングシャッター仕様のため、いわゆる『コンニャク現象』で王冠が歪むと思われます。(王冠が変形し、左右対称でなくなる可能性がある)ただし、ローリングシャッターの『走行方向』が鉛直方向に一致するようにセットすることで、(ミルククラウンの撮影においては)歪みの影響を目立たなくなることが予想されます。



by supernova1987a | 2017-05-07 23:14 | 科学写真 | Comments(10)

ミルククラウンに時代の進歩を感じて・・・

★高校生の頃
一時期、ミルククラウンの撮影に悪戦苦闘していたことがありました。
色々と試行錯誤した結果、編み出したノウハウは次の通り

 ①フィルムケースの上下に小さな穴を空け、その中にミルクを入れる
 ②フィルムケースの上の穴にピンを刺し、滴下間隔を調整する
 ③受け皿は平たいものを用いて、できるだけ少量のミルクを張る
 ④部屋は真っ暗にし、バルブであらかじめシャッターを開いておき、手動でストロボを照射した後シャッターを閉じる
 ⑤クラウンに立体感を持たせるために、ストロボの光はクラウンの斜め後方から当てる

実は特に大切なのは③でして、受け皿のミルクは少ないほど好結果が得られるのですが、これに気づくのに随分時間がかかりましたっけ・・・・。
また、撮影のタイミングは実質ストロボを照射することで調整するのですが、こればかりは「勘」と「運」ですね。
撮影機材はニコンのFG20に50mmF1.8レンズと中間リング。それにサンパックの安物ストロボでした。もちろん、撮影はネガフィルムです。

・・・とにかく、初めてきれいなミルククラウンが撮れたときは感激したものです。

★時代は変わって・・・
今はデジカメの時代。
ISO感度も好きなように上げられますし、高速連射も思いのまま。
さらに、お手軽なLED照明もありますので、思いの外簡単にミルククラウンが撮れそうです。
そこで、久しぶりににミルククラウンを撮影してみたくなりました。

★というわけでやってみました
1秒間に60コマの超高速連射が可能なニコン1V3にマウントアダプターをかましてマイクロ40mmを装着します。前述の①と②はそのままですが、ここは現代風にLEDで光量を稼いで普通に高速連射でシャッターを切ってみます。
f0346040_00432380.jpg
撮影風景はこんな感じです♪

★現代風お手軽撮影によるミルククラウン
ニコン1V3+マイクロ40mmF2.8 絞りF8 絞り優先オート ISO3200
f0346040_00445635.jpg
着水の瞬間です。ちとブレていますが、お手軽撮影なので仕方ありません。
f0346040_00464797.jpg
きれいに開いたミルククラウン。美しいですねぇ。
※本当は、もう少し「突起」が長く出て欲しいのですが、たぶんミルクの量が多すぎるか、滴下高度が低すぎたかと・・・。
f0346040_00545251.jpg
「角」を残してクラウンが低くなり、次の球が落下してきます。
f0346040_00560350.jpg
菊の文様のような独特な形状の中、2滴目のミルクにより小さなクラウンが開いています。
f0346040_00570991.jpg
全体に広がっていきます。

★しかし、まあ・・・
驚きました。試行錯誤するまでもなく、一発で撮影できちゃいました。
・・・なんとあっけない・・・。

もう少し照明を明るくして絞りを絞り込むことと、滴下高度の最適化、そして受け皿にたまるミルクの量の調整を工夫すれば、もっと美しいクラウンが撮れそうですが、とにかく撮影機材の進歩に脱帽です。


by supernova1987a | 2016-04-19 06:28 | 科学写真 | Comments(2)


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