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月夜の楽しみ?検証ごっこ②

ZWOの冷却CMOSカメラASI1600MM-COOLについて
ゲインや露光を変えた場合の星雲の写りについて「検証ごっこ」の続きです。

★対決③ゲインと露光の両方を変えた場合

 ゲイン200+16秒×1コマ
  VS
 ゲイン400+0.5秒×1コマ
  VS
 ゲイン400+0.5秒×32コマ加算

を比較してみます。
f0346040_22260356.jpg
  左:ゲイン200+16秒露光 右:ゲイン400+0.5秒露光

当然のことながら右の方が暗くなります。また、シンチレーションの影響で星像がいびつに変形していることが分かります。
また、ゲイン400のままだと4秒露光程度でトラペジウムはサチってしまいますが、左はゲインを200まで下げているので16秒露光でもサチっていません。前回の記事の通り、この設定はゲイン400なら約1.6秒露光に相当するからです。

次にゲイン400+0.5秒露光のコマの輝度値を4倍に処理してみます。
f0346040_22295897.jpg
  左:ゲイン200+16秒露光 右:ゲイン400+0.5秒露光(レベル調整)

だいたい同じくらいの明るさになりましたが、当然ザラザラです。

次に0.5秒露光のコマを4コマ加算コンポジットしてみます。

f0346040_22422254.jpg
  左:ゲイン200+16秒露光 右:ゲイン400+0.5秒露光×4コマ加算

これでレベル調整無しでもほぼ同じ明るさになりましたが、画像の滑らかさはG200+16秒の方が圧倒的に上ですね。
ちょうど前回比較したゲイン200+16秒露光とゲイン400+2秒露光の比較と同様の結果となりました。

では、0.5秒露光のコマを32コマ加算コンポジットしてみましょう。
f0346040_22325820.jpg
  左:ゲイン200+16秒露光 右:ゲイン400+0.5秒露光+32コマ加算(レベル調整あり)

この場合、4コマ加算した段階で目標の明るさに達してしまいますので32コマ加算処理の後、レベルを下げています。
いかがでしょう??
ほとんど両者の見分けがつかなくなりました。

最後に、それぞれデジタル現像して暗部を少し炙り出してみます。
f0346040_22482311.jpg
  左:ゲイン200+16秒露光 右:ゲイン400+0.5秒露光+32コマ加算(両者デジタル現像処理)

やはりほとんど見分けがつきませんね♪

★というわけで今回の「検証ごっこ」の結論は

ゲインと露出の両方を変えても、総露光時間が同じなら、ほぼ同等の写りとなる。

ということが分かりました。


撮影が進まないので、まだ「検証ごっこ」続きます♪








# by supernova1987a | 2017-01-12 23:33 | 天体写真 | Comments(4)

月夜の楽しみ?検証ごっこ①

元旦以来のお休みが取れましたが、すでにお月様が明るくなってまして、新作が撮れそうにありません。
こんな憂鬱な夜は・・・そう、「検証ごっこ」して遊ぶに限ります。

★その前に、お断りが・・・

先日、「長時間露光+少数枚コンポ」VS「短時間+多数枚コンポ」の検証ごっこを行いましたが、訂正があります。
当初「ゲイン400の8秒露光とゲイン400の0.5秒露光を比較した」と書いていましたが、どうも輝度レベルが上手く合わないので、よくよくデータを見てみたら、「ゲイン400+8秒露光」だと思っていた画像が、なんと「ゲイン200+16秒露光」でした。
ああ、これはもう、どうしようも無いミスですね。
そう言えば、途中でVMC260Lの副鏡が結露して撮像を中断したときにゲイン400+8秒露光の画像を撮り直すのを忘れていたっぽいです。久しぶりの結露で、ちとテンパっていたようです。全く面目ない・・・。

・・・というわけで仕切り直しです。

★こんな比較データは面白いと思いませんか?

<対決①>
 ゲイン400+4秒露光+1枚撮り
  VS
 ゲイン400+0.5秒露光+レベル調整で輝度8倍
  VS
 ゲイン400+0.5秒露光+8枚加算コンポジット

<対決②>
 ゲイン200+16秒露光+1枚撮り
  VS
 ゲイン400+2秒露光+1枚撮り
  VS
 ゲイン400+2秒露光+8枚加算平均コンポジット

・・・というわけで、やってみた。


★対決①:ゲインが同じ場合の比較

VMC260L+レデューサ+LPS-P2フィルタにZWOの冷却CMOSモノクロカメラASI1600MM-COOLを装着してM42を撮影し
 A:ゲイン400+4秒露光
 B:ゲイン400+0.5秒露光
を比較してみます。(冷却温度は全て-10度です。ダーク・フラット補正は加えていません。)
ちなみに今回画像処理して気づいたのですが、短時間露光のコマにステライメージのホット&クールピクセル除去を掛けてしまうと、低輝度光子の到来頻度揺らぎ(フラクチェーション)に伴うショットノイズ(単なる揺らぎなので消すべきでは無い)ではなくダークノイズ(消すべき)として認識されることによって、正しいシグナルが消される傾向にある「らしい」ことが分かったので、今回はABともにホット&クール除去を行いませんでした。(この点はベイヤー構造からホットピクセルの弁別が可能なカラーカメラと異なり、モノクロカメラの弱点かも知れません)

f0346040_22412758.jpg
  左:ゲイン400+4秒露光 右:ゲイン400+0.5秒露光

正真正銘の「撮って出し」なので、当然、明るさには大きな差がありますね。
では、0.5秒露光の画像をレベル調整して、輝度値を8倍にしてみます。

f0346040_22441632.jpg
  左:ゲイン400+4秒露光 右:ゲイン400+0.5秒露光(輝度値8倍にレベル調整)

ああ、良い感じに明るさが揃いました。さすがデジタルですね。低照度相反則不軌特性のあるフィルムではこうはいきません。フィルムなら4秒露光の方が暗くなります。 ただし、むりやりレベルを上げたので当然画面はザラザラです。

では次に、レベル調整する前の0.5秒露光の画像を8コマ分加算コンポジットしてみます。(平均では無く単純加算です)

f0346040_22502818.jpg
  左:ゲイン400+4秒露光 右:ゲイン400+0.5秒露光×8コマ加算

おお、まるでそっくりですね♪
前回の仮説(長時間露光しても、短時間露光を加算処理しても、結果は同等)が「ある程度」検証できたと思います。

では次に、ゲインを変えた場合について見てみます。

・・・が、その前に・・・

★ゲインの基本的な考え方

デジカメのISOに相当するのが冷却CMOSカメラのゲイン設定ではあるのですが、少々特殊でして(私が勘違いしていないのであれば)「ゲインを70増加するごとに感度が2倍になっていく」と把握しています。
たとえば、ゲイン200をゲイン270にすると感度が倍になって露出時間が半分で済み、ゲイン200をゲイン340にすると感度が4倍になって露出時間が1/4で済む、などという捉え方ですね。

本当にそれに近いことが起こっているのか試してみます。

ゲイン200をゲイン400に変えた場合、
 2^((400-200)/70) = 7.246
(※^は累乗を表したつもり)
となりますので、理論上は感度が約7.25倍になる計算になります。


shiroさんからミスのご指摘をいただきましたので以下、訂正します。


デジカメのISOに相当するのが冷却CMOSカメラのゲイン設定ではあるのですが、少々特殊でして「ゲインを60増加するごとに感度が2倍」になっていきます。
たとえば、ゲイン200をゲイン260にすると感度が倍になって露出時間が半分で済み、ゲイン200をゲイン320にすると感度が4倍になって露出時間が1/4で済む、などという捉え方ですね。

本当にそれに近いことが起こっているのか試してみます。

ゲイン200をゲイン400に変えた場合、
 2^((400-200)/60) = 10
(※^は累乗を表したつもり)
となりますので、理論上は感度が10倍になる計算になります。

さて、手持ちのデータでは
ゲイン200+16秒露光とゲイン400+2秒露光がその比率に近いので比較してみましょう。
f0346040_22553276.jpg
  左:ゲイン200+16秒露光 右:ゲイン400+2秒露光

少し右の方が明るいですが、大差ありません。(本当は右の方が少し暗くなるはずなのですが・・・ね)


★対決②:ゲインを変えた場合の比較

では、本題の
ゲイン200+16秒露光 VS ゲイン400+2秒露光×8枚コンポジット
を比べてみます。

f0346040_23020817.jpg
  左:ゲイン200+16秒露光 右:ゲイン400+2秒露光×8コマ加算平均コンポジット(輝度値が揃っているので平均処理です)

ほとんど見分けがつかなくなりました。
よく見ると、シンチレーションやガイドミスの影響を受けない分、高ゲイン+短時間露光の方が恒星が明るく、全体的な解像度も勝っていますね。

では次に、デジタル現像で暗部を炙り出しつつトラペジウムがサチらないように調整してみます。

f0346040_23052656.jpg
  左:ゲイン200+16秒露光 右:ゲイン400+2秒露光×8コマ加算平均コンポジット 両者ともデジタル現像処理

いかがでしょう??
完全に右の方が解像度が高くなりましたね♪

・・・といいつつ、よく見ると左のスパイダーによる回折像が不自然なので、結露が取り切れてなかったり、ヒーターのコードによる回折の影響があるかもです。
なお、右の方がノイズが少なそうに見えるのは、恐らくノータッチガイドによる「天然ディザリング」効果に起因するものだと思います。
きちんと精密オートガイドしたり真面目にダーク減算処理した場合は、異なる結果になるかと。


★という訳で、今回の「検証ごっこ」の結論は

①同じゲインで比較した場合、
 長時間露光の1枚撮りと短時間露光の加算コンポジットは、
 総露光時間が同じなら、ほぼ同等の結果となる。

②ゲインを変えて比較した場合、
 低ゲイン長時間露光と高ゲイン短時間露光の加算平均コンポジットは、
 総露光時間が同じなら、ほぼ同等の結果となる。

※強いて言えば、①②の双方とも短時間露光+多数枚の方が解像度は高くなる(かも)

といったところでしょうか。



<お約束♪>

あくまで「検証ごっこ」という名の「遊び」です。
また、今回のデータはM42の中心付近という明るい対象を用いた比較にすぎません。
貴重な撮影時間を無駄にしないためにも、結果の判断は皆様の経験と主観を信ずべきかと思います。


# by supernova1987a | 2017-01-10 23:21 | 天体写真 | Comments(8)

モノクロCMOSの解像度は活かせないの?

★実はガッカリしてたり

分かってはいたんですがねぇ、日本のシーイングの悪さは。

ASI1600のカラー版MCとモノクロ版MMの解像度の差について、
先日、昼間の風景で比較した際には、圧倒的にMMの解像度が高いことが確かめられました。

f0346040_15313874.jpg
  ※左:MM 右:MC (いずれもシャープ処理なし)

ところが、いざ天体で撮影してみると そんなに差が無いんですよねぇ。
恐らくは、シンチレーションの影響が大きいのでは無いかと推測されるので、すこしゴソゴソ『考察ごっこ』してみます。


★0.5秒露光のM42の挙動は・・・

いざ撮影してみてビックリしました。トラペジウムがですね、まさに踊り狂ってるんですよ。・・・風も無いのに。
・・・で、どれくらい踊り狂っているのかを数値的に見てみることに♪

ちなみに、コンポジットの速度がVer6.5と比べて15倍以上低速なステライメージ7は個人的に好きになれないのですが、それでも非常にありがたい機能があります。
それは、基準星を指定して位置合わせをした際にサブピクセル単位での並進ズレ量を表示してくれるという機能です。

f0346040_14354276.jpg
こんな風にX座量とY座標について、どれだけ位置がずれたかを表示してくれます♪
この数値を(残念ながらコピペできない仕様なので)手作業でEXCELに打ち込むと、ズレの挙動が視覚化できます。


★0.5秒露光×24コマの挙動

VMC260L(1860mm)+ASI1600MM-COOLで撮像したM42について、上記の手法で並進ズレの様子を視覚化してみます。

f0346040_14445148.jpg
ちょっと分かり難いですが、横軸がY方向のズレで縦軸がX方向のズレです。(単位はピクセル)
ざっくり言って、横軸が赤経方向に近く、縦軸が赤緯方向に近いです。
・・・ぎゃー!
まるでランダムウオーク。ダメだこりゃ。

さて、ASI1600MMとVMC260Lの組み合わせの場合、1ピクセルの角度は約0.42秒となりますので、上記のグラフを秒角単位に変換してみると

f0346040_14484074.jpg
こんな感じになりました。
これを元に最小自乗法で回帰直線で近似して、そこからの偏差をスキャッタプロットしてみると

f0346040_14583383.jpg
システマチックな運動(今回の場合は主として極軸エラーに伴う並進運動)以外のふらつきが上記のようになると推定できます。
ちなみに横軸の方がふらつきが大きいのは主として赤道儀のピリオディックモーションの影響かと思われますが、それにしてもシンチレーションの影響が非常に大きく、たった12秒間の間にこんなに動き回られたのでは、せっかくのMMの高解像度も活かせるわけがありません
また、10~15秒露光した際に星像がボテッとしてしまうのも仕方ありませんね。なにしろ、肝心の被写体が動き回っているのですから(笑)。


★標準偏差を求めてみる

実際の撮像素子上における星像のふらつきを視覚化して、(データ数がたったの24個ですから有意性は低いですが)ばらつきの尺度として標準偏差を求めてみます。

f0346040_15221831.jpg
ざっくり言って、今回の撮影条件だとシステマチックな並進運動を排除したとしても、
 X軸方向に約±1.5ピクセル分のふらつき
 Y軸方向に約±3.0ピクセル分のふらつき
があることが分かりました。

・・・ということは、
横方向に3ピクセル、縦方向に6ピクセルにわたって星の光が分散してしまっていることになりますので、MMの解像度が活かせるわけが無い・・・・てな結論に達してしまいました。

あ~あ。

要するに、ASI1600MM-COOLの解像度を無駄にしたくないなら焦点距離はおよそ600mmが限界で、それ以上長焦点の望遠鏡を使ってもボケるだけ、てなことになっちゃいますね。(ベイヤー構造を持つMCの場合は、1200mmくらいまで焦点距離が伸ばせる?)もちろん補償光学系を使えば別でしょうが・・・。

いや、待てよ。
逆に考えると、MCで1200mmで撮影したのとMMで600mmで撮影したのが、ほぼ同じ解像度ということになるなあ。

・・・BORG89ED(600mm)とか、カプリ102ED(700mm)とか、R200SS(800mm)とか、結構相性が良いのかも・・・・。
あるいはVMCにレデューサ2枚重ねとか、何らかの形での縮小光学系を構築するとかも考える必要があるかも、です。


(注)春から夏にかけての高シーイング時には別の結果が出ると思います。
また、最大エントロピー法などの画像復元処理によって解像度はアップできるとは思いますが、果たしてMCとMMの差が出るほどかというと・・・・。


<お約束>
あぷらなーとは統計処理に関しては素人なので、色々と勘違いしている可能性があります。
あくまで『検証ごっこ』という名のお遊びなので、結果は鵜呑みにしないでください♪



# by supernova1987a | 2017-01-02 23:10 | 天体写真 | Comments(13)


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