イーブンオッド法の問題点考察

★イーブンオッド法の問題点の解消に向けて

先日来、色々と実験しているイーブンオッド法なのですが、ここで問題点をまとめておきましょう。

＜比較明コンポジット法では＞

明るい星はつながりますが、暗い星に「黒い切れ目」ができます。

＜イーブンオッド法では＞

暗い星はつながりますが、明るい星に「白い切れ目」ができます。

まとめると
「イーブンオッド法の弱点は」
①比較明コンポジット一発にくらべてＳ／Ｎ比が１／２に低下する
（バックグラウンドが明るくなる）
②比較明で問題となる暗めの星はうまくつながるが
　逆に明るい星でつなぎ目が「明るく」なりすぎる。

①については、比較明の１／２の露出にとどめ
イーブン群とオッド群の合成を行う際に
加算平均ではなく、加算を選べば回避できるのですが

②については、頭を抱えてしまう問題で
正直、納得がいきません。

★犯人は誰だ？
詳しい考察＆実験に入る前に
考えられる原因を列挙してみましょう。

①そもそもイーブンオッド法などという手法が幻想
②レンズ光学系上の問題（レンズの収差）
③撮像素子上の問題（ベイヤー素子の特性）
④カメラ光学系上の問題（ローパスフィルタの特性）
⑤カメラ内ソフト上の問題（ＲＡＷデータ生成プロセスの特性）
⑥現像ソフト上の問題（ベイヤーデモザイク処理の特性）

本当は、③④⑤の検証のため
　Ａ：ローパスフィルタを取り除いたデジタル一眼で実験
　Ｂ：天体用冷却カラーＣＣＤで実験
　Ｃ：天体用モノクロＣＣＤで実験

をやろうと意気込んでいたのですが、どうも天候が回復しません。
（本業の関係で、撮影は週に１回が限界です。）

★できることからやってみよう♪
しかたがないので、⑥から検証してみることにします。
実は、先日の考察で、強引な仮定がありました。
　＜撮像素子は＞「モノクロ」のラインセンサーで
　＜ローパスフィルタで＞２×２もしくは３×３に拡散
明るさを想定する上で必要な事とはいえ、むちゃくちゃですね（笑）
もしも、ここできちんとベイヤー型のセンサを仮定するとどうなるでしょうか？

ちと考えてみましょう。
デジカメ内の撮像素子は（シグマのFOVEONなど特殊な例をのぞき）
およそ下記のようなベイヤー配列をしています。

もし、理想的な超高性能レンズを用いて撮影した白色の恒星像が下記のように、１ピクセルに収まってしまうと

センサーのＧだけが感光したことになり、本来白色であるはずの星が緑に写ってしまいます。
（これが、いわゆる偽色とかモアレの主要因です。）
そこで、ほとんどのデジカメは（ごく最近の機種を除き）複屈折現象などを利用したローパスフィルタが２枚装着されていて、たとえば、１枚目で像を上下に『分身』させて、さらに２枚目で像を左右に『分身』させることで、結局下記のように

１つの像を４つの素子で共有できるように分散させます。

これにより、偽色やモアレが出るのを防止しているというわけですね。
（※最近のデジカメでローパスレスが流行っているのは、撮像素子の高画素化にくらべ、撮影レンズの解像度が低いため、レンズによるボケがローパスフィルタの代わりになっているからだと思われます。）

さて、問題は、上記のようなベイヤー型センサーから実際の画像データを生成するために何が行われているかです。
本来ならば、上記のＧＲＢＧの４画素で１ピクセル分のデータとなりますので、たとえば、ベイヤー素子１２００万画素のデジカメなら３００万ピクセルのデータを吐き出すはずなのですが、実際には、「補完処理」によってデータを水増しして画素数と同等のピクセル数データが出力されています。この処理を、ベイヤーデータの「デモザイク」と呼びます。

ベイヤーのデモザイク処理にはいろいろな手法が考えられるのですが、一例として（素人の）私が考えるなら、

上記のように①（赤のエリア）→②（青のエリア）→③（緑のエリア）→④（紫のエリア）
という具合にデータを読み出して、ＲＧＢ合成して、９画素から４ピクセルの画像を得る、などということを一番に考えます。（この手法なら、たとえば、４０００×３０００の１２００万画素データから理論上、１２００万－４０００－３０００＋１＝１１９９万３００１ピクセルのデータが手に入る計算になります。
また、人間の目は輝度差には敏感でも色の差には鈍感であるという性質を利用して、もっと大胆に画像を補完する方法も考えられます。

たとえば

こんなベイヤー配列を

こんな３つのマトリックスにわけて、それぞれのマトリックスの隙間（白いセル）を

　Ｇなら近傍の上下左右４つのセルの平均値、
　ＲとＢなら対角上の４つのセルの平均値を真ん中に埋めてからＧと同じ処理をする
など、です。

素人なりの勝手な予想なのですが、おそらく、上記のようなプロセスをさらに洗練させたバイリニア方式やバイキュービック方式で画素補完しているのではないかと想像します。（※注：あくまで素人なので、勝手な妄想です。）

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・・・・書いてて、ちと疲れてきましたが、なんかこういうお話って、大昔に、宇宙線使って天体の『撮影めいた』ことをしているときに、「レゾリューションをもっと上げろ！！」って教授に言われて、泣きながら色んな『怪しい処理』を考えていた頃を思い出しますね（笑）。ま、たった４０個あまりの撮像素子（フォトマル）使って全天を『撮像』して、最終的には０．５～１度位の解像度を得ていたんですから、研究の執念ってたいしたもんですねえ。懐かしい。
・・・最近の学生も、こんなことで悩んだりしてるのかなあ？
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さて、気を取り直して行きましょう♪

そうすると、今回の仮定で理論的には下記のように感光すると考察した恒星像は

実際には

このように感光していることになり

さらに補完処理が行われると

こんな感じのデータになってしまうので

本来、

このように写るはずの恒星像は

こんなＧチャンネル像と

こんなＲチャンネル像と

こんなＢチャンネル像を合成した

こんな嫌な画像になってしまうことになります。
・・・・・肥大してるわ、偽色まみれだわ、どうしようもない画像です。要するに、固定撮影による恒星像撮影の場合、恒星像が刻一刻と色んな色の素子を渡り歩いている上に、恒星像の先端通過時と末端通過時には不十分な露光となるために、一般的な写真では起こらないはずの色ズレが起こってしかるべきなのではないでしょうか？

えっ？ひょっとして、本来暗い星を写したとき、ベイヤーでは偽色は回避できないものなの？？
いやいや、機種によっては、うまく偽色が出ないように処理してくれているし・・・・・
処理して・・・・・・あ！

「そもそも、デモザイク処理が原因なのではないか？」


★ともかく、論より証拠

というわけで、ベイヤーデータをデモザイクする前のＲＡＷデータを用いて、ベイヤーデータのまま「イーブンオッド法」をやってみました。

上記のように、ＲＡＷデータを現像しＪＰＥＧにしてから「イーブンオッド法」に持ち込まず、ＲＡＷデータをベイヤーのまま「イーブンオッド法」の最終処理まで演算し、最後にデモザイクすると、次のようになりました。

おおっ♪
明るい星も暗い星も、切れ目が消えたっ！

あ・・・でも偽色まみれですね。
でも、これは、先ほどの考察で想定済み。
こんなときは・・・・・

ベイヤーデータを「イーブンオッド」した画像をＬ画像にし、
ＪＰＥＧデータを「イーブンオッド」した画像をＲＧＢ画像にし
ＬＲＧＢ合成すればっ！

おおっ♪
偽色も消えました！

「満濃池と東天の日周運動」
ニコンＤ３００＋シグマ１０－２０ｍｍＦ４．５－５．６
焦点距離１０ｍｍＦ５．６
露出３０秒×１００コマを「イーブンオッドコンポジット」
撮影：あぷらなーと

★今後の課題
①ベイヤー処理のままだと途中にキャプチャーＮＸ２を挟まないのでアストロノイズリダクションが使えない
別処理を考えないと・・・。

②ＬＲＧＢ合成の前だとあまりにもすさまじい偽色が出る。
色んな意味で、これ、大丈夫か？

③星の色が出にくいような気がする・・・。

④現像後のデータと異なりアンチエイリアシングされてないので、
なんか、光跡データがガクガクして見える。

⑤ステライメージのデモザイク処理は、処理後もベイヤー構造っぽい格子が見える。
（私の勉強不足？？）

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注）あくまで「素人」の考察です。
特にカメラ内での処理・現像ソフトの動作などは「妄想」のレベルです。

ＢＹあぷらなーと☆