機材

ASI294MCの謎④

★ゲインを上げすぎると14bitじゃなくなる?!
前回のエントリーでASI294MC-Proのバイアスファイルを『解析ごっこ』していて、『高ゲイン時に出力データのbit数が低下している疑惑』を見つけちゃいました。

f0346040_00385066.jpg
このように、ゲイン400以上だと輝度値に隙間が生じて階調が乏しくなっている模様。
ただし
 ①これはバイアスファイルのみに見られる現象なのか?
 ②輝度の刻み幅が変化する正確なゲイン値はどこなのか?
の2点の疑問を解決するには手持ちのデータでは不可能。

そこで・・・


★ライトフレームの『解析ごっこ』開始
ASI294MC-Proのライトフレームを『解析ごっこ』するために、新たなデータを収集してみました

その手順として、下記のような作戦を立てました。

 ①ASI294MC-ProにND100000フィルタを装着する
 ②LEDトレース板をフル光量で発光させる
 ③ゲイン300~400の間を10刻みで撮像する
 ④輝度間隔が変化するゲインを見出す
 ⑤④の周辺のゲインを1刻みで撮像する
 ⑥変化の様子を分析する

④の結果、ゲイン390~400の間で輝度間隔が変化していることが分かりました。
次にゲインの刻み幅を細かくして探った結果、どうもゲイン391付近が怪しいです。

では、ゲイン388~393の間をゲイン1刻みで撮像してみます。

すると・・・

ででん!!
f0346040_06540188.jpg
ああ、これは『揺るぎない』ですなー。
通常、ゲインを上げると輝度分布グラフのピークが右にズレつつ、その分布幅が大きくなっていきます。ところが、上のグラフはゲイン390とゲイン391の間が乖離しています。どうやらココで何かが起こっているようです。

では、その付近の輝度分布データを見てみましょう
f0346040_07040428.jpg
上の表の輝度値は16bit→14bitの補正無しの「素の値」です。
ゲイン390までは理論値通り4刻みの値のみが生きています。
ところがゲイン391を境に8刻みの値以外が死んでいます。

ただし、単に輝度値を2倍しているのでは無い証拠に、輝度分布を低輝度側から積分(累積)して等頻度法を用いてチェックしてみると・・・
f0346040_07311395.jpg
輝度間隔を倍に広げたという訳ではなく、輝度bin幅(輝度の最小幅)を広げただけのように見えますね。
つまりゲインを391に上げた瞬間に階調が14bitから13bitに低下してしまうということです。

この現象はゲイン450付近でも生じており、この場合はゲイン451を境に階調が13bitから12bitまで低下していることを確認しました。
(※最大ゲインでは11bitまで低下していることを確認しましたが、この付近ではさらに奇妙な現象が起こっていますので、まだ言及しません。)


★暫定的結論
さらにデータを取って検討する必要がありますが、暫定的な結論としては・・・
ASI294MC-Proは本来14bitのADC性能を有するが
 ゲイン391以上だと13bit
 ゲイン451以上だと12bit
に低下してしまう(ようだ)
というところでしょうねぇ。

・・・ううむ。
ここまでの『解析ごっこ』の結果から言えるのは・・・・

実際のASI294MC-Proの運用においては
「リードノイズが激減する」ゲイン120
 から
「輝度bit数が低下しない」ゲイン390
 まで
を用いるのが良さそうだ

ということかなぁ。

どうです?面白いでしょう?
興味のある方は一度ライトフレームの輝度分布を観察してみませんか?

あ、ダメだ。
SharpCapが自動生成する輝度分布CSVファイルは以前のエントリーで述べたとおり最初から12bitに丸められてるんだった!
これじゃ11bitまで低下する領域以外『この現象』は見えないよぉ・・・。
(だからこそ、これまで話題になっていなかったのかも??)

ええと・・・・
では、以前独自に試行錯誤して見つけた「ASIシリーズのFITSファイルの記録ロジックと読み込みロジック」の(推定)概念図を貼っておきますね。
f0346040_08000189.jpg
ほら・・・あなたも素のFITSファイルを読み込んで解析する独自コードを書きたくなってきたでしょう?
『解析ごっこ沼』へようこそ♪
うひひ・・・。


Commented by 是空 at 2019-02-04 15:10 x
こっ、こっ、これは・・・
また、世界が騒ぎ出す予感がする。
ASI1600の時を超えるか?
Commented by supernova1987a at 2019-02-04 15:30
> 是空さん
いやー別に騒ぎ立てるつもりは無くて・・・ですねぇ。
14bitADCとその他特殊機能(?)のおかげでサチリにくいからと言って無闇にゲインを上げちゃいけなそうだということを確認しただけですねぇ。

あ、ちなみに慌ててASI1600MCの輝度データを解析ごっこしてみたら、このような不可解な現象は発現していませんでした。(でも、こちらはバイアスノイズの量がメーカー公称値と合わないっていう・・・)ま、適材適所ってことで(笑)。

あとは、ゲイン570付近で生じる『奇妙な現象』の解析ごっこが残ってますよ~。
Commented by えあ at 2019-02-04 15:52 x
初めまして。えあ といいます。
高Gain時に出力bitが低下する境界があるというのは驚きました。
私もASI294MC Proを使っているので、Gainを決めるのにとても参考になります。
Commented by supernova1987a at 2019-02-04 16:00
> えあさん
初めまして、ようこそ拙ブログへ♪
今回の『解析ごっこ』を始めて早々に怪しい気配はしてたんですが、ようやく閾値を突き止めました。
これが実写結果に影響するのかどうかは不明ですが、とにかく『気色悪い』のは事実ですね。
Commented by タカsi at 2019-02-04 16:44 x
こ、これは!!
「アナログゲイン」の有効範囲は120~390と頭に叩き込んておきます^^
であれば、歩留まりの高さを考えると、Gain390常用でもいいんじゃないでしょうか。
Gain390はiso換算だと12800くらいなんですかね。
時代は超高感度x短時間露光x多枚数に向かっているので間違いないでしょうか??
Commented by りっくん at 2019-02-04 16:50 x
う〜ん。これだと、ゲインを390までにして、あとは露光時間を伸ばす方がいい写真が撮れるということかなあ?
ますます王道のオートガイドの必要性がでてきますね。
Commented by supernova1987a at 2019-02-04 17:22
> タカsiさん
ほんとに『アナログゲイン』の限界値なのかどうかはさておき、ゲイン120~390での運用が安全そうな『気配』はしますね。

デジカメのISOとの相関は非常に複雑だと思います。デジカメの機種により、また解析する人により「ISO200前後がユニティゲイン」という説から「ISO800がユニティゲイン」という説まで色々な意見を見かけます。仮にユニティゲインをISO200だと仮定すると、ゲイン390はISO4636に相当することになりますが、さて・・・・??

実際にどの程度のISOに相当するのかは、条件を揃えて比較撮影してみないと分からないでしょうね。(ダークノイズやバイアスの影響も効いてくるでしょうし、一般のデジカメは映像エンジンが色々な細工を施してくるので、ますます複雑です。)
Commented by supernova1987a at 2019-02-04 17:34
> りっくんさん
短時間露光の場合はゲインを上げた方が相対的にリードノイズが減少してくるので有利になると思うのですが、階調が乏しくなってしまうのは怖いですね。現実的にはゲイン120で長時間露光するか、ゲイン390で短時間露光×多数枚コンポするのが効率的なのかも知れません・・・が、これはあくまで机上の空論なので、実写テストの結果が一番大切なんだと思います。

最終的には
 プランA:「M-GEN」+『自作の秘密兵器』で長時間露光
 プランB:『超』多連装+『超』短時間露光の一発撮り
をダブルで構想中なんですが、材料費が捻出できません。
・・・・うーん・・・ペリクルミラーと液晶シャッターが欲しいです。
Commented by kem2017 at 2019-02-04 19:16
ASCOM ドライバ経由だと ASI294MC の Gain は Max 390、ASI1600 は 300 に設定されています。
これ以下で使えって事なんだと思います。
Commented by supernova1987a at 2019-02-04 20:47
> kem2017さん

>ASCOM ドライバ経由だと ASI294MC の Gain は Max 390
おおーなるほど!
なんか妙に納得♪

でもいつか天体の実写で色んなゲインを試してみなきゃ・・・といいつつ、いつになることやら。ここのところ休日の前日は必ず曇りか雨ですもん(涙)
Commented by Sam at 2019-02-04 21:12 x
いや本当に、一つ一つ自分で確かめていく素晴らしい解析だと思います。FITSの独自解析もとても参考になります。

昔、ASI224MCのときに、ゲイン300までが回路での増幅で、それ以上がソフトでの増幅という話をきいたことがあります。391以上がソフト増幅という可能性はないでしょうか?もしソフトなら本当にゲイン391以上はほとんど何もメリットが無くなります。ジャンプがゲイン391のところだけでかつハードでの増幅なら、暗いところを出すメリットは残るかもしれません。それでもサチるぶんが増えるのは言うまでもないですが。

沼ですよね、はっきり言って。わたしもどんどん切りが無くなってきそうで怖いです。でもカメラ一個あればいいのでまだ安上がりな沼の気もします。
Commented by Sam at 2019-02-04 21:34 x
前回の記事も読み直していたのですが、ゲイン390より上でももう何段階かビットを落とすところがあるので、メリットないみたいですね。390が境だとすると、それ以降450、510で飛びがあるのでしょうか?最後は570なので、ぴったりの気もします。kem2017さんのコメントであったASCOMの話と合わせるとやはりソフトゲイン考える方が良さそうですね。
もし39dBが実ゲインだとすると、2桁いかないくらいなのでDSLRに比べて少し寂しい気がします。もっと取れそうな気もするのですが。
Commented by 是空 at 2019-02-04 21:46 x
私の場合、そもそもISO感度(=ゲイン)を上げる意味があまりよくわかってないんですよね。
ビニングに関しても同様。

※例の私のお遊びモードなんで軽くスルーしてください。^^;
Commented by supernova1987a at 2019-02-04 22:06
> Samさん
実は、データの取得に失敗して11bitに落ちるゲインがいくらかは特定できていません。
今のところ判明しているのは391と451とでそれぞれ13bit・12bitまで低下しているというところまでです。
ちなみに391と451の差がちょうど60で6dBに相当しますので輝度出力値が約2倍になるタイミングだと言う点で合点はいきます。・・・となると次にbit数が落ちるのは511のような予感がします。・・・で570がギリギリ次のbit現象タイミングの寸前で11bitで止まっているという予測です。
ハード的な増幅とソフト的な増幅が併用されているのか、(何らかの事情で)輝度値弁別のbin幅のみが多段階で変わっているのか、あるいは全く別の意図で駆動されているのか、謎が尽きません。その点、ASI1600シリーズはシンプルで考察しやすかったです。
・・・こりゃ次の休みにでもデータの取り増しですねぇ。
Commented by supernova1987a at 2019-02-04 22:12
> Samさん
>391以上がソフト増幅という可能性はないでしょうか?

なんとも言えませんが、可能性はあると思います。
さきほどのレスでも書いたように、bit数がガタッと落ちるタイミングはゲインが60アップする場合なんですよねぇ。・・・となると、ある値を1.1倍とか1.2倍とかしている内は複数のbinに跨がってカウントされますが、2倍ピッタリになった瞬間に隙間が生じる・・・という発想なんですが、どうなんでしょ??
Commented by supernova1987a at 2019-02-04 22:25
> 是空さん

ゲインを上げる意味は、ノイズとシグナルを分離しやすくすることだと思っています。
一般的にバイアスノイズはゲインの上昇とともに減少していくからです。
例えるならば・・・声優さんがマイクを使って音量を上げても滑舌が良くなるわけではありませんが、周りに雑音があるときは音量を上げることによって聞き取りやすくなる・・・というイメージで如何でしょう?当然周りの雑音もマイクを通して増幅されますが、声の増幅ほどでは無いので、結果としては台詞が明瞭になるという感じです。

一方、ビニングは複数のピクセルを1まとめにすることによって、ピクセルの受光面積を増やすことに似た効果をもたらします。これにより(2x2ビニングなら)理論上は『感度』が4倍、ショットノイズが1/2倍、ダイナミックレンジが4倍になることが期待できます。(バイアスノイズはたぶん2倍になると思いますが)
ただし、冷却CMOSカメラはその機構上ハード的なビニングができないので、ソフトウェアで誤魔化しているに過ぎません。さらに悪いことにASIシリーズのビニングはビット数が10ビットに落ちちゃうので、ほとんどメリットがありませんね。

ところが、ASI294MCは元々強制的に2x2ビニングを行う仕掛けになっているらしいので、かなり特殊な例だと言えそうです。(本当の画素数は公称値の4倍あります)
Commented by noritos1047 at 2019-02-05 09:19 x
これがIMX294CJKの特性なら設計者にどうしてこういう仕組みにしたのって聞いちゃいましょう。
SONYのHPに写真まで出てますし。
企業秘密かな。
それとも設計者も気付かなかった新発見?
分からんことはすぐ人に聞く悪い癖が出ました。すいません。
Commented by supernova1987a at 2019-02-05 10:37
> noritos1047さん
撮像チップの仕様をカメラが引き出せているのかどうかも不明ですが、今回の『解析ごっこ』の結果と皆様のコメントから判断して、そもそもゲイン390までの使用しか想定していないチップなのかも知れません(そこから上は『なんちゃってゲイン』になっていて単なるレベル調整に過ぎないとか)。そう言えばZWOさんの公式資料では各種特定グラフのゲインは元々390付近までしか掲載されていませんし、使うこと自体がメーカー推奨外なのかもしれませんね。(だからkemkemさんのコメントの通りASCOMドライバではゲインが390より上に上げられない仕様なのかも)

・・・とは言え、ゲイン391でbit数が13bitに落ちたとしてもASI1600MCの12bitよりはまだ階調が多いのでスゴいんですが(笑)。
Commented by 是空 at 2019-02-05 14:57 x
いつも丁寧な回答ありがとうございます。

ゲインについては非常にわかりやすく、100%納得&理解できました。
ビニングについてもゲインと同じくS/N比の効果というのは理解できたのですが、例の「ダイナミックレンジ」的疑問がふつふつと・・・
最小の感度(=最初の1e-ができる条件)は4倍の面積と2x2ビニングとでは違いますよね?
あくまで、4つの受光素子分のフルエルキャパで諧調表現できると考えた方が、私の場合は納得しやすいかも。
ゲインは底上げした分頭打ち(白飛び)するのが早くなるが、ビニングはそれがないということなんでしょう。(あくまで自分の中の理解)

>(本当の画素数は公称値の4倍あります)
これにはビックリ。
先日、シャープが「マイクロフォーサーズで8k」という記事でビックリしたんですが、これって強制的に2x2ビニングする仕掛けをとれば8kセンサーということですよね。(◎_◎;)
Commented by supernova1987a at 2019-02-05 23:20
> 是空さん
ビニングに関してはZWOのCMOSカメラの場合はソフト的にやっている疑似版なので後から画像処理ソフトでビニングした方が理にかなっていると思います。特にステライメージの場合は階調がほぼ無制限なのでダイナミックレンジが(計算上は)4倍になりますし、輝度のビット数も2増えます。
なお、基本的には最初の1eが出る条件は面積が4倍になった場合と同じと解釈できますが、このあたりは少々複雑ですので機会が有れば色々と考察ごっこしてみますね♪
Commented by 是空 at 2019-02-06 17:57 x
どうもありがとうございます。

変な疑問を持たずに、素直にビニングするとその面積分の画像素子と同等になると考えてよさそうですね。

Commented by いーぐる at 2019-02-06 21:43 x
こんばんは。
またまた、有益な情報で、感謝です。
昨年末にこのカメラを買っていらい、いろいろ自分なりの設定を試していたのですが、Gain200から始めて、Gain390まで振って撮影した結果、350が自分のシステムはちょうど良さそうと、なんとなく感覚で選びました。この分析結果を見て、納得してしまいました。
Commented by Yamashita at 2019-02-07 01:10 x
こんにちは、面白い結果ですね、どうもありがとうございます。
いやまだ十分理解できたわけではないのですが。

実際問題、SharpCapではバーチノフマスクでのピント合わせや暗い天体の導入時に、見やすくするためにゲインを450以上に上げて使用しています。撮影前にゲインを300~350程度に落として。
もしゲインが390で切られたら、少々使いづらくなってしまいます。

またゲインを上げすぎると明るい星が周りまで飽和して小さくならないという弊害もありますが、それ以外については、ビット数低下は多数枚コンポジットでの加算平均でビット数が上がるので大したことはないのでは、という感触をもっています。
Commented by supernova1987a at 2019-02-07 06:34
> 是空さん
一応は、そうですね。
ただしASIシリーズの場合はビニングで輝度bit数が10bitまで低下してしまうので、データが軽くなる事以外のメリットは無さそうですね。
Commented by supernova1987a at 2019-02-07 06:41
> いーぐるさん
ゲイン350、なかなか絶妙な選択ではないかと思います。普通なら120まで下げたいところですが、このカメラはサチりにくいですからねぇ。
私は当面、ゲイン300付近を彷徨いてみようと思います。
Commented by supernova1987a at 2019-02-07 06:53
> Yamashitaさん
この高ゲイン下でのbit数低下はASI1600では見られなかった現象だったので見つけたときは仰天しましたが、仰るとおり、コンポジットすれば影響は軽減できますね。ただし、ビット数が低下した直後のゲイン(391や451)は一つ前のゲインと比べて輝度が増す訳でもなく階調が乏しくなるだけなので、避けた方が良さそうです。
高速モード(ADC10bit駆動)での挙動は、今度調べてみます。

ゲインを上げることはライブビューを見やすくするメリットも大きいので、私もピント合わせ時や目標導入時には500以上のゲインを用いています。
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by supernova1987a | 2019-02-04 08:08 | 機材 | Comments(26)

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