＜前回同様のご注意＞本記事は、特定のカメラをDisる目的ではなく、その個性を味わい活用法を探る遊びとして書いていますので、ご理解ください。（不要な誤解を与えるとマズいので、これまでブログでの公開を控えていました。
前回の記事で書いたとおり、シベットさんからお借りしたASI482MCは概ねカタログスペックを満たしている正常個体であることが分かりました。それなのに暗い天体が写らないという難題に直面してしまいました。
そうなると、カタログスペックには現れない『何か』が悪さをしていることになります。
一応、ASI482MCの名誉のために言っておくと、この手の『何か』は天体用CMOSカメラにはよくあるお話で、たとえば
ASI1600MM系には、盛大なクールピクセルが出る個体があり、それに当たると『黒い縮緬ノイズ』まみれになる場合があります。
また、ASI1600MM系の中には、チャンネル毎のオフセット調整が誤っているエラー個体も見られ、それに当たった場合には『モノクロカメラなのにカラーカメラに先祖返りした』ようなベイヤー状の構造が写ってしまう場合があります。
また、SV405CCを初期ドライバで運用した場合には、ピクセルマッピングの代わりに随時補正型のメジアンフィルタか何かが効いている気配があり、全体的に甘い像になったり、背景がモジャモジャしたり、星喰い現象が起こったりする場合がありました。
また、ASI294系のカメラは14bitADCを持つ優秀な機種ですが、ゲインを390よりも上げると（ゲインを60上げる毎にデータが１bitずつ）低下してしまうという困った特性を持ちます。
もちろん、これらの「カタログスペックから判読不能の困った特性」は無いに越したことはないのですが、個人的にはどのカメラも好きなので個性を把握した上でそれぞれに適した画像処理方法を工夫して末永く愛用したいものだと考えています。（多連装している身としては、不良個体に当たる度に買い換えていたら破産するし・・・）
さて、それではASI482MCが写らない秘密はどこにあるのでしょうか？
くっくっく、面白くなってきやがった（やせ我慢）
★出力データは本当に12bitか？
あぷらなーとは悪い子なので、カタログスペックはもちろんのこと撮像ソフトの設定パラメータやFITSファイルのヘッダに記録された情報ですらあまり信用しません。
おかげで、先述のような様々な個性を見つけられたり独自の画像処理方法を考える楽しみを味わえているわけですが、今回のASI482MCは全く未経験の個性を示していたので、少しずつ謎に迫ることにしました。
まず疑ったのは「12bitで駆動しているはずのADCが、実はそうではない」のではないかということです。仮にそうだとすると、ASI294系のように使ってはいけないゲインが存在するのかも知れません。では、早速やってみましょう。
結論から言うと「あるゲイン以上に上げるとマズそうだが釈然としない」です。
補足しておくと、SharpCapを用いて16bitRAWで出力した場合は、カメラのADC駆動ビット数が不足した分を「隙間を入れて散らす」ことで擬似的に16bitにみせかけています。たとえば、14bit機なら輝度ヒストグラムに４ずつ隙間が空き、12bit機なら16ずつ隙間が空くのが正常です。
では、ASI482MCの場合はどうだったのかというと、下記のようにゲイン360までは隙間が16で正常なのですが、ゲイン420では隙間がおかしくなっていることが分かりました。
残念ながらこの解析をする前に実機を返却してしまったため、この現象が発生する閾値を正確に求めるには至っていませんが、とりあえず、ゲイン360までは正常でゲイン420以上は異常、とだけは言えそうです。
さて、困りました。
前回の記事中の実写テストで撃沈したアンドロメダ大銀河M31は、ゲイン300で撮影したものです。
※ASI482MC Gain300 30secx128 Dark・Flat・FlatDark各256適用
したがって、bitギャップ異常が生じない範囲の適正ゲインです。それにも関わらず写らないということは、別要因が効いているということになります。
★ダークノイズの特性はどうか？
先ほどの作例M31ではダークを引いたにも関わらず盛大にホットピクセルが生き残っています。もちろん「非冷却カメラあるある」ではありますが、ひょっとするとダークノイズに珍しい特徴が隠されているかも知れませんので、あぷらなーとの十八番『時系列解析』を試みてみましょう。
M31を試写した時と同等のゲイン300で30秒露光したダークフレーム64コマについて、各ピクセルがどのような輝度中央値を持ちどのように揺らいでいるかを解析してみました。
ちなみに、あくまでも独自解釈ですが、この時系列解析グラフの見方はおよそ下記の通りです。
まず、下記のようにクールピクセルは少ないがホットピクセルが異常に多いことが分かります。
下記のように、明瞭な補正痕跡が認められます。※公式には、ほとんど謳われていない機能です。
１．広範囲にアンプグローが生じていること
２．ピクセルマッピング対象となったピクセルにアンプグローが重なっていること
ちなみに、このような群はASI174MC-Coolで観察されます。
これは、ASI482MCのダークフレームについて、全ピクセルの輝度揺らぎ（標準偏差）を解析したヒストグラムです。
これは、本来のノイズ（輝度揺らぎ）とは別に１／２のノイズになったピクセルが多数存在していることを示唆します。経験上、このようなピクセルは隣接する４ピクセルの平均値で書き換えられていることが予想されます。４コマ加算平均コンポジットを行った場合にノイズが１／２になるのと同じ原理です。
では、早速ピクセルマッピング的な処理で不良ピクセルが消されているのかどうかを解析してみましょう。
一応、自作ノイズ解析プログラム『邪・我流道（ザ・ワールド）』には下記の３５種類のパターンマッチング判定機能を実装しているのですが、先述のとおり輝度揺らぎの２山ピーク位置の関係から「参照ピクセル数は４でメジアンでは無く平均値を用いた」ことが示唆されましたので、可能性の高いパターンから調べました。
ででん！
※水色は偶然一致する場合の予測値、赤は実測した一致数。これが乖離するとパターンマッチに成功したと判断します。
ちなみに、ASI174MC-Coolの場合は4687個（約0.2%）、Uranus-Cの場合は8917個(約0.11％)の補正痕跡らしきものが観察されましたので、この0.16％という値は決して少なすぎる訳ではありません。要するに他のセンサーに比べて異常にホットピクセルが多いため「他機種と同等のノイズ補正を施しても、なお全然足らなかった」と解釈できます。
結果として、ダーク無しでも実用に耐えるほど低ノイズなXena-Mなどのライバル機と異なり、ASI482MCではダーク減算が必須と考えられるのですが、困ったことにダーク減算すると酷くなるケースが散見されました。
一体、どういうことなのだ・・・？？
ここで、ダークフレームを時系列解析した結果を眺めてみて「はっ」としました。
これ、かなりマズいッ！！
推定される原因は２つ。「オフセットが高すぎる」か「ダークカレント（暗電流）が異常に多い」のどちらかです。
これを特定するために、次はバイアスフレームの解析をしてみましょう。
★ASI482MCのバイアスフレームは奇妙
一般的には、露光ゼロ（実際には暗闇で最高速度シャッターを切る）で得られた画像であるバイアスフレームは、リードノイズを調べるために重宝しますが、実際にはもうひとつ利用価値があって、それがピクセル毎のオフセット調整不良を推測するというものです。
撮影時に設定するパラメータの１つとしてのオフセットは、下記記事でも検証ごっこしたように、揺らぎによりマイナス側に振れたシグナルを救済する目的で用いられます。
このように、適切なオフセットを与えておかないと、シグナルの下方（暗い方）が欠けてしまって悪影響が出ます。そのため、画像の輝度ヒストグラムの左すそ野が切れないようにオフセットするのが常套手段なのですが・・・・
ASI482MCの場合は、ダークの解析を通じてオフセットが異常に高すぎるように感じられた訳です。
では、本当にそうなのか、バイアスフレームの解析をやってみましょう。
まずは、普通のカメラの場合のバイアス輝度ヒストグラムです。
※リードノイズの表現には輝度値ではなく光電子に換算した値が用いられるため、一種のS/N比の逆数として機能します。
では、注目のASI482MCのバイアスフレームを解析してみましょう。
数値を読むまでも無く、本来ゲインアップの影響を受けないはずのバイアス輝度値がモリモリ増加してしまっています。これまで、色んなカメラを扱ってきましたが、こんなに個性が強い子は初めてです。バイアスフレームは露光ゼロの明るさですから、この現象は極端に言えば「露光する前にサチってしまう」（乱暴な例えだと、露光前に感光してしまっているフィルムのような）ことを想起させます。
要するに、実用面から解釈した『ダイナミックレンジ』が恐ろしく狭いのです。
ところで、前回の記事では「実測の結果、ASI482MCのダイナミックレンジは公称値を満たしている」と書きました。どうしてこんなパラドキシカルなことが起こるのかというと、撮影者が想像するダイナミックレンジとEMVA1288で規定されるダイナミックレンジとの間には乖離があるからです。
前回、フルウェルをメスシリンダーの容量・リードノイズをメスシリンダーの最小めもりになぞらえて、ダイナミックレンジの説明を試みました。このモデルに基づき、誤解を恐れずに例えると、ASI482MCはメスシリンダーに水を入れる前に砂が積もってしまっているのです。
それでも定義上のダイナミックレンジは低下しません。そのため、実測されたダイナミックレンジがカタログスペックどおりの仕様を満たしていても、実際の写真はひどく階調が乏しいものになっても不思議ではありません。
★では、ゲインを下げまくれば良いのか？
では、ゲインを上げるとまるで「露光前にセンサーが感光してしまう」ような特性をもつASI482MCで星雲写真を美しく撮るには、どうすれば良いのでしょうか？
普通はここで撮影時のオフセットを下げるのですが、残念ながら先ほどの結果はオフセットをゼロにしたもので、これ以上下げようがありません。では、ゲインを下げまくれば良いのかというとそうとも限りません。
下記はFMA135+IR/UVcut＋ASI482MCで屋内の木彫り置物を1/100秒で露光してピクセル400％で比較したものです。
※左からゲイン０・２４０・４８０
このように、ゲイン０では盛大なノイズが発生していることが分かります。
実測結果でも示されたように一般的にゲインを下げるほどリードノイズが増加してしまうため「サチらない範囲で、できるだけゲインアップする」が正解だと考えます。
ところが、ASI482MCはゲインアップするとあっという間にサチってしまうため、非常に扱いが難しい機種だと言えそうです。
★より分かりやすい対象で解決策を模索する
M31で撃沈したM482MCですが、実はこの夜はM31・M45・M42という「超メジャー３天体」を撮影していました。その中でもM31は市街地からは比較的写しにくい対象です。そこで、光害に強い輝線スペクトルを持ち、抜群に明るいオリオン座大星雲M42を素材として活路を見出すことにしました。
ちなみに、M42を普通に画像処理した結果がコチラです。
※StarQuest80+LeXtreme+ASI482MC Gain300
30sec x128 Dark+Flat+FlatDark x128
ぱっと見ただけでも変な事が起こっているのは明らかですが、画像を拡大してみると色々な不具合が見えてきます。
①ダーク減算したにも関わらずホットピクセルが消えていない
②よく見るとホットピクセルが『点滅』している
③バックグラウンドが滑らか過ぎる
④星雲の淡い部分が消し飛んでいる
このうち、③④を説明するために、画像処理前のライトフレームとダークフレームを観察してみましょう。
国立天文台のマカリを使ってそれぞれの輝度を観察してみます。
なんと、ダークフレームの方がライトフレームよりも明るいのです！！
常識ではありえなさそうな現象ですが、非冷却カメラで暗い天体を撮影した場合は可能性があります。実は、ライトフレームのセンサー温度29℃に対してダークフレームのセンサー温度は33℃だったのです。
このように、ノイジーなカメラで撮影したダークフレームの撮影温度が高すぎた場合は、各種ノイズが増大し全体的に明るすぎるダークになってしまいます。
このような素材を通常処理すると、非常に厄介な現象が起こります。
例えば私がメインで使用しているステライメージの場合、ダーク処理ロジックには「マイナス値を強制カット」する演算が含まれています。要するに、ライトフレームから明るすぎるダークフレームを引くとマイナスの値になったピクセルが全て「ゼロ」の輝度になってしまうのです。M31やM42のバックグラウンドがノッペリしていること・星雲の淡い部分が消し飛んだことは、この影響と考えられます。
この現象を回避するためには、ダーク減算をした際に生じたマイナスの輝度値をカットせず大切に温存することが必要です。
たとえば、ステライメージの場合は下記記事で紹介した『手動ダーク減算法』によって回避できます。
では早速、秘技『手動ダーク減算法』を用いて、悲惨なM42を救済することを試みてみましょう。
すると・・・
ででん！！
拡大すると明らかですが、ダーク減算時のマイナス値カットにより消されていた淡い部分の階調が見事に復活しました。
また全く消せていなかった強いホットピクセルも大半が消えました。
そのため、下記のようにプラスマイナス両方に揺らぐ値の一方だけをカットすると平均値がズレてしまうという理屈です。
★ここまでくればもう一息
ここまで来ればあとは簡単です。星雲の階調が復活した代わりに大量のイエロー＆シアン＆マゼンタの『縮緬ノイズ』が生じてしまいましたが、これは普通のカメラでも頻発するありふれた現象です。非冷却カメラのダーク撮影時の温度が高すぎた場合は、ダーク減算によって過補正が起こり、ホットピクセルの色の補色を伴う『黒い縮緬ノイズ』が発生するのが普通だからです。
たとえば過補正となったホットピクセルをクールピクセルに見立てて『クールファイル補正法』で退治したり
ディザリングやノータッチガイドの場合は、天体に対してホットピクセルが動き回ることを利用してσクリップで軽減したり、
コンポジットやディベイヤーをする前にステライメージのホット＆クール除去フィルタを掛けたり、などです。
ただ、それでは面白くないので、今回はちょっと変わった処理法を試してみましょう。
完全では無いのですが、ASI482MCのホットピクセルが温度とともにどのように変化するのか、ザックリと調べてみたことがあります。その結果、今回の温度条件ではダークフレーム中のホットピクセルの値が正しい値の約1.5232倍になることを突き止めていたのです。
というわけで、ダークファイルを減算する前に、その輝度を1.5232で割ってみました。
すると・・・
ででん！！
※左：通常処理 中：手動ダーク減算法 右：ダークファイルに補正係数適用
まだ、不完全な所はありますが、ここまで写るようになれば、このカメラで撮ったとはバレないかも知れません。
★暫定的結論
①ASI482MCのカタログスペック（数値）は本当
②カタログスペックには現れない特徴として、ゲインアップでバイアス輝度が異常上昇するという不具合が認められた。そのため通常の12bit機と比べて表現できる階調幅が狭い
③ピクセルマッピングは施されている気配だが不完全で、大量のホットピクセルが生じる
④バイアス輝度が高いため、通常のダーク処理では不具合が起こるやすい
⑤普通に撮るとまるで写らないが、画像処理を工夫すれば、なんとか写る。
色々な策を講じた最終画像がこれです。
＜追記＞
M31についても同様の工夫を施したところ、ここまで改善しました。
※左：通常の処理 右：今回の工夫
★★★お約束★★★
①本検証ごっこにおける評価は、シベットさんの個体を約１年間お借りして運用し、あぷらなーとが感じた個人的な感想です。
②各種の結果について、その信憑性は全く保証できません。
③現在のドライバやキャプチャソフトの仕様により、性能が大幅に変わっている可能性もあります。
④もう手元に実機は居ないため、あらたな検証作業は不能です。
by supernova1987a
| 2024-03-10 22:06
| 機材レビュー
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