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比較明コンポジットの弱点②

前回の続きです♪

これまでに、簡単なモデルケースについて考察してみて
比較明コンポジットでは
f0346040_04005686.jpg
このように、そもそも光跡が途切れる可能性が見えてきました。
上記の表をプロットしてみると、
f0346040_04253888.jpg
実際に比較明コンポジットしてできた恒星の光跡部分の明度分布の実測データ↓とよく似た傾向を示します。
f0346040_04274477.jpg
★新しいコンポジット法

私が『イーブンオッドコンポジット法』と勝手に名付けたコンポジット方法は
次のようなものです。


 ここまでの考察から、比較明コンポジットで光跡が途切れるのは、たとえば本来10で有るはずの明るさが、6と4というように前後のコマに分散された結果、それらの最大値をとっても本来の10には戻らず6になってしまうという、ロジック上の問題が効いているようです。これを合計して本来の10に戻すことができればいいのですが、単に加算したり加算平均をとったのでは、夜空のバックグラウンドも強調されるため、恒星が背景に消されてしまいます。

 そこで、撮影したデータを2群に分けることを思いつきました。
  撮影番号が奇数であるものを「オッド群」と命名します
  撮影番号が偶数であるものを「イーブン群」と命名します
それぞれの群の中で比較明コンポジットを行うと、どうなるでしょうか?

<奇数グループ(オッド群)>
f0346040_04370900.jpg
<偶数グループ(イーブン群)>
f0346040_04371672.jpg
ここで重要なのは、コマ間を1つ飛ばしたため、比較明合成する際にコマ同士のデータが重ならないことです。したがって、たとえばオッド群の1コマ目の5番センサーの「1」というデータですら、棄却されずに残っています。

次に、各グループの比較明コンポジットデータを加算平均することを考えましょう。
f0346040_04372843.jpg
平均したため、合成後の値が小さくなりましたが、光跡の途切れはなくなりそうです。


★単なる加算平均と何がちがうのか?


 確かに、単なる加算平均コンポジットした値を2倍すると、「イーブンオッド法」でコンポジットした値と全く同じになったように見えます。
f0346040_04444211.jpg
しかし、それは夜空のバックグラウンドを考慮に入れていないためで、実際にバックグラウンドがあった場合、加算平均値を2倍した段階でバックグラウンドも2倍されてしまい、SN比が悪くなります。

-----------------
次回は、バックグラウンドがあった場合について考察します♪

---Byあぷらなーと☆---


# by supernova1987a | 2014-05-28 09:10 | 天体写真 | Comments(0)

比較明コンポジットの弱点

前回のブログで、比較明コンポジットで生じる星の光跡の途切れを解消するための秒案を思いついたと書きましたが・・・・。

そもそも、なぜ、比較明で星の光跡が途切れるんでしょう??
いや、星だけではないのです。実は、もっと顕著にこの現象が現れるケースがありまして
たとえば、

f0346040_03090524.jpg
こんなケースですね。
これは瀬戸大橋と北斗七星の日周運動を狙ったものですが、途中から雲にやられて大失敗!という写真です。
33コマの画像を比較明でコンポジットしてあります。
・・・・・が、よく見ると、星よりもなにより、この「雲」が奇妙なのです。
拡大してみます。

f0346040_03124197.jpg
・・・あまりにもシマシマすぎます(笑)
コマとコマとの間のデッドタイムにしては、切れ目が長すぎますよね?
カメラ内のシャープ処理などの影響にしては、現象が巨大すぎます。

さっそく、今回の妙案『イーブンオッドコンポジット法』で再処理してみました。
・・・すると・・・

f0346040_03174057.jpg
おお♪
完璧ではないにしろ、
ほとんど切れ目が消えちゃいましたよ!残るムラは、デッドタイムの影響と言っても納得できるレベルです。
やはり『イーブンオッド法』使えそうです♪

★そもそも、なぜ光跡が途切れるの??


実際の撮影データから判断して、比較明コンポジットで恒星の光跡が途切れる原因は撮影間のデッドタイムが主要因ではないことがはっきりしました。
そこで、単純なモデルで何が起こっているのかを考察してみました。

たとえば
 28mmのレンズを APS-Cデジタル一眼で使った場合
 ①水平(撮像素子の長辺))画角は約45度となります。
 ②天の赤道上の天体は約24時間で360度移動します。
 ③ニコンD7000の水平方向の画素数は4928画素です。
モデルを単純化するために、次の条件を設定します
 (実際はベイヤー配列なので、正確には4画素で1ピクセル相当でしょうが)
モノクロのセンサーが水平方向に4928個並んでいるとします。

以上の条件で天の赤道付近の天体を固定撮影した場合、
 天体の点像が撮像素子上を移動する速度は、約0.45ピクセル/秒となります。
さらに、実際の天体の像がレンズの収差やローパスフィルタによって(R×1+G×2+B×1の)4画素上に拡散されていると仮定します。

そうすると、
 像の先端が1個のセンサーを横切るのにかかる時間がおよそ2秒
 像が完全に1個のセンサーを覆っている時間がおよそ2秒
 像の終端が1個のセンサーを横切るのにかかる時間がおよそ2秒

という非常に単純なモデルができあがります。そこで、センサーが受け取る露光量を見積もるために、下記の3つの状態に分けて考えてみます。
 A:センサーを像の先端が横切る間
 B:センサー全体が像に覆われる間
 C:センサーを像の後端が横切る間


Bの場合、
 この場合、センサー全体に2秒間光が当たっている状態ですので、これを露光量「2」と定義します。

Aの場合、
 センサーの1辺を1と定義すると、像の先端がセンサーを通過し始めてからの経過時間をtとして、センサー上に光が当たっている面積は0.5tとなります。
露光量は光が当たっている面積と時間との積に比例しますので、光が当たっている面積をtで積分すれば0.25t*tとなり、先端が横切る2秒間の露光量は「1」となります。

Cの場合、
 時間を反転させれば、Aと同じなので露光量は「1」となります。

以上をまとめると、このモデルでは
1つのセンサーについて、恒星の像が通過する間
 0~2秒で露光量1
 2~4秒で露光量2
 4~6秒で露光量1

を得ることになります。


<記載ミスがありましたので以下加筆修正しました(5/30)>
同様に、下記の理想的モデルでは
 ①星の像が3×3ピクセルに拡散
 ②センサー上の像移動速度は0.5ピクセル毎秒
 ③センサー上のベイヤー配列は無視
 ④横に(像面の移動方向に)20個並んだラインセンサーを想定
 ⑤像にセンサー1個が1秒間おおわれた場合の露光量を1と定義
露光量を得るタイムラインは下記のようであると推測できます
(横がセンサーの番号、縦がタイムライン)

f0346040_03483004.jpg
ここで、カメラ側で10秒間の露光を4回行い、ドライブモードがデッドタイム無しの連写であるという理想的条件を想定すると、たとえば、1コマ目の露光は、上記のタイムラインの0~2、2~4、4~6、6~8、8~10をそれぞれのセンサーについて加算したものとなるので
f0346040_03514186.jpg
1コマ目の画像をピクセル等倍で観察すれば、
1番センサーから5番センサーまでに像が写っており、その明るさは
 8・7・5・3・1

となっているはずです。
 ※あくまで単純かモデルのためベイヤー素子の画素混合プロセスは無視しています。

重要なのは、センサー番号1~5まですべてのセンサーの明度が異なることです。この点が、今回の新しいコンポジット技法考案のヒントとなりました。

 さて、同様に、2コマ目の撮影では
f0346040_03535568.jpg
 となり、2番センサーから10番センサーまでが
 1・3・5・7・8・7・5・3・1

という明るさの像をとらえているはずです。
以下同様に、4コマ目露光までをまとめるとこのようになります。

f0346040_03552173.jpg
次に、これらの4コマの画像をコンポジットすることを想定してみましょう。

加算平均は、まさに、上記の表を縦に足し、4で割るだけだけですので
f0346040_03585120.jpg
このようになることが予想され、この明度データの列が、恒星の光跡像と考えられます。
次に、比較明コンポジットでは、比較した画素データのうち、明度が最も高い値が採用されるというものですので、上記の表を縦に見て、最大値を拾うと

f0346040_04005686.jpg
となります。この表から明らかなように、恒星の光跡は一様の明るさではなく、このケースなら3番4番や8番9番などのセンサー値が暗くなっており、おそらく光跡が途切れる主要因になっているのではないかと推測されます。
このように、
比較明コンポジットでは、
 ①デッドタイム
 ②ベイヤー素子の画像生成処理
 ③各種の輪郭強調処理
 ④各種のノイズリダクション
などなど、数々の(画像を劣化させる恐れのある)要因をすべて排除したとしても、そもそも「原理的に恒星の光跡が途切れる」
コンポジット法であるということがはっきりしました。

-----------------------------
ふう・・・長くなったので、以下次回に続けます♪

---Byあぷらなーと☆---



# by supernova1987a | 2014-05-27 04:03 | 天体写真 | Comments(0)

★★★星景写真作成時の妙案??★★★



思えば、2001年のしし座流星群のときフィルムで撮影していた流星写真を合成してきれいに表現するために
試行錯誤して身につけたのが比較明コンポジットの手法。

あのころは技法自体が目新しかったので、
うまく撮影できたアマチュア天文家さんが
少なかったのでしょうねぇ。
私の流星群の写真が
天文雑誌や児童生徒用の書籍、はたまた
某保険会社さんのリーフレットとかに使用されたりと、
ずいぶん楽しかったのですが、
あれから、ずいぶんと経ちました。

本業が忙しくって、
気合い入れて写真撮ることもめっきり減ってしまいました。

幸い、今はデジカメ全盛の時代。
フィルム時代に比べれば、相当に技術的な制約が少なくなってきました。

・・・・というわけで、本業の仕事も少し落ち着いてきたことだし
ぼちぼち活動再開してみますか。


★「比較明コンポ」と言えば・・・・

フォトショップやステライメージなどでおなじみの
「各画像のうち、明るい方を優先して合成」
するコンポジット法で、
かつての私が流星写真でなぜ比較明コンポを選んだのかと
言えば、
「背景は暗く・流星は明るく」合成できるから、
でした。

もともとフィルムには低照度相反則不軌特性があるので、
流星写真には向いているんですが、これを比較明コンポ使うと
その特性が最大限に活かされて、
こんな風↓に、いい感じに作品ができるわけですね。
f0346040_02425383.jpg

   ※2001年しし座流星群の「流星嵐」の様子
   ニコンFG20+トキナーATX-17+スペリア1600ネガ
   ニコンCOOLSCANⅣでデジタイズして比較明コンポジット処理
   撮影:あぷらなーと

近年では、デジカメの進化と比較明コンポジットの応用で、数々の天体写真の名手の方々が
地上風景と星の日周運動を組み合わせた美しい作品を生み出されています。

たとえば、私が撮ると(へたくそですが)こんな感じ↓でしょうか。

f0346040_03015145.jpg
   ※香川県丸亀市 青の山から飯野山を前景にして・・・・
   ニコンD300+シグマ10-20mmF4.5-5.6
   比較明コンポジット処理
   撮影:あぷらなーと


★頭の痛い問題・・・・

最近は、あまり気合いを入れずに「気軽~に」撮影、「のんびり」画像処理
なので、技術力が追いついていたかったり、勉強不足の可能性もありますが
どうも、釈然としない現象に
「星景写真の星の光跡がブチブチ切れる」
という問題がありました。
たとえば、こんな↓やつですね。
f0346040_03190586.jpg
 星景写真の比較明コンポジットは、10秒~30秒程度の比較的短時間の露出で
ひたすら連写し続けて、あとから全部のコマを重ねていくんですが・・・・・
フィルムで30分とか60分とかかけた「一発撮り」固定撮影では出ない「ブチプチ」が
出ちゃうんですね。写真を拡大しなければ、あまり分かりませんが、どうも気分が悪いこの現象。
最初は、「デッドタイムか?」などと考えていたのですが、冷静に考えるとどうもつじつまが合いません。

 たとえば、パワーバッテリーグリップ装着のニコンのD300で、長秒時ノイズリダクションをオフにして撮影すると、
(元々の連写速度が8コマ/秒なので)原理的に、デッドタイムは0.125秒以内のハズですよねぇ。
上記の例だと、1コマの露出を30秒にしているので、明るい部分の長さと「切れ目」の長さの比は、
およそ「240:1」じゃないと計算が合いません。それなのに、実際は、ざっくり見積もって
およそ「5:1」~「4:1」くらい有るようにしか見えません。
もしも、この現象がデッドタイムなら・・・これって、

30秒の露出に対して、「実に6~7秒」くらいカメラが寝ていた

という奇妙なことになります。

・・・・絶対変です。

★ここまで考えていて、ふと思いついたことが

「あ、ひょっとして、コレって・・・単に」

確かに、
 ベイヤー素子の特性だったり、
 シャープ処理の輪郭強調効果だったり
も寄与しているのでしょうが、あまりにもブチブチが大きすぎるので
なんか、根本的な問題のような気がして、ちと実験してみました。

同じデータをコンポジットするときの
「ほんの少しの工夫」
・・・・・やってみました。

f0346040_03441646.jpg
・・・・あ、これ「正解」だったかも・・・・・です。

うーん。あまりにうれしかったので「勝手に」命名しておきましょう(笑)

名付けて「イーブンオッド・コンポジット法」
 
・・・・詳細は、もう少し実験検証してみてから書きましょう。

---Byあぷらなーと☆---



# by supernova1987a | 2014-05-20 03:50 | 天体写真 | Comments(0)


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