この記事は、実画像のノイズ評価(その1): 各ノイズの貢献度合
の続きになります。
かなり前の記事になってしまうので、私自身忘れてしまったことも多くて記事を読み返しながら今回の記事を書いています。前回の記事で何がポイントだったのか、復習がてら少しまとめ直してみます。
前回の記事では読み出しノイズ、ダークノイズ、スカイノイズの3つについて、実際に撮影した画像を元に数値的に具体的な値を見積もりました。特にこれまでスカイモイズをどう見積もるかが難しかったこともあり、あまりきちんと評価されてこなかったようです。前回の記事では画像の明るさからコンバージョンファクターを使いスカイノイズを見積もるという手法を提案し、実際のスカイノイズを数値で出すという試みをしています。
その結果、撮影地で有名な暗いと言われる開田高原の空でさえ、スカイノイズが支配的で、15.9[e] 程度ありました。読み出しノイズ、ダークノイズがそれぞれ1.8[e] と1.5[e] で10分の1程度です。実際の効きは2乗して比較すべきなので、それぞれスカイノイズに対して(15.9/1.8)^2 = 1/78、(15.9/1.5)^2 = 1/112と78分の1とか、112分の1とかしか影響していないことがわかります。
これが富山の街中の自宅になると、スカイノイズがさらにひどいことになり48.0[e] となり、3倍近くの大きさです。開田高原と同じクオリティーにしようとしたら、(48/15.9)^2 = 9.1で9.1倍ほどの露光時間を必要とします。開田高原で5時間45分かけているので、自宅だと52時間20分かけて撮影すると同じになるというわけです。自宅だと平日も撮影して放って置けるのですが、北陸で冬に1週間も連続で晴れることはほぼありえないので、実質不可能です。こうやって具体的な数値を入れてみると、大きな違いになることがわかります。
このように、スカイノイズが支配的な場合は読み出しノイズやダークノイズはほとんど効いていないので、露光時間をもっと増やしてもいいのではないかと疑問を投げかけた形で前回の記事を終えています。今回はその疑問に応えるような形で、撮影条件やパラメータを変えながら、検討してみます
簡単のため、L画像のみを考えます。カラー画像も原理は同じですが、ディベイヤーなど計算が複雑になるので、とりあえずここではモノクロとします。
読み出しノイズ:
まずは露光時間を短くして、スカイノイズを小さくして、読み出しノイズと同程度になるような状況を考えてみましょう。露光時間をどこまで短くできるかを求めてみます。
今回使った開田高原で撮影したM81の画像では、露光時間300秒の時に、スカイノイズと読み出しノイズの比が
で約9倍の差があります、スカイノイズを約9分の1にすればいいので、明るさで考えると2乗で81分の1にしてやればいいことになります。露光時間で考えると300秒を81分の1にしてやればいいので、300[s] / 81= 4.8 [s]と、露光時間をわずか3.7秒にまで短くするとやっとスカイノイズが読み出しノイズと同等になります。こんなに短くていいんですね!?
ダークノイズ:
次に、スカイノイズがダークノイズと同程度になる温度を求めてみます。まずは300秒露光だとすると、スカイノイズとダークノイズの比は前回記事の計算から
今回は露光時間とセンサー温度について、本当に理屈通りでいいのか、実際の撮影などのことも含めて少し検証してみました。実用上はフィルターなどの変更もあるので、これまで通りの露光時間やセンサー温度でも構わないかもしれませんが、これらのパラメータを変更する場合にどれくらい余裕があるかを知っておくことは、今後の方針を立てる上で有利になるのかと思います。
まだまだ検証したいことはたくさんあって、ゴールまではかなり遠いです。これまではノイズのみの議論で、ノイズ同士がどうなるかだけを問題にしていて、信号についてはまだ何も議論していません。ノイズに対して、撮影目標の天体が信号ということになるのですが、信号SとノイズNの比S/N (SN比)が重要になります。また、スタックすることでS/Nを稼ぐことができます。でも真面目に信号部分を考えるのって結構大変なんですよね。またゆっくり考えてみます。
この記事の続きは
になります。実際に信号を考えてS/Nを求めています。
の続きになります。
前回の復習
かなり前の記事になってしまうので、私自身忘れてしまったことも多くて記事を読み返しながら今回の記事を書いています。前回の記事で何がポイントだったのか、復習がてら少しまとめ直してみます。
前回の記事では読み出しノイズ、ダークノイズ、スカイノイズの3つについて、実際に撮影した画像を元に数値的に具体的な値を見積もりました。特にこれまでスカイモイズをどう見積もるかが難しかったこともあり、あまりきちんと評価されてこなかったようです。前回の記事では画像の明るさからコンバージョンファクターを使いスカイノイズを見積もるという手法を提案し、実際のスカイノイズを数値で出すという試みをしています。
その結果、撮影地で有名な暗いと言われる開田高原の空でさえ、スカイノイズが支配的で、15.9[e] 程度ありました。読み出しノイズ、ダークノイズがそれぞれ1.8[e] と1.5[e] で10分の1程度です。実際の効きは2乗して比較すべきなので、それぞれスカイノイズに対して(15.9/1.8)^2 = 1/78、(15.9/1.5)^2 = 1/112と78分の1とか、112分の1とかしか影響していないことがわかります。
これが富山の街中の自宅になると、スカイノイズがさらにひどいことになり48.0[e] となり、3倍近くの大きさです。開田高原と同じクオリティーにしようとしたら、(48/15.9)^2 = 9.1で9.1倍ほどの露光時間を必要とします。開田高原で5時間45分かけているので、自宅だと52時間20分かけて撮影すると同じになるというわけです。自宅だと平日も撮影して放って置けるのですが、北陸で冬に1週間も連続で晴れることはほぼありえないので、実質不可能です。こうやって具体的な数値を入れてみると、大きな違いになることがわかります。
このように、スカイノイズが支配的な場合は読み出しノイズやダークノイズはほとんど効いていないので、露光時間をもっと増やしてもいいのではないかと疑問を投げかけた形で前回の記事を終えています。今回はその疑問に応えるような形で、撮影条件やパラメータを変えながら、検討してみます
どこまで露光時間を縮めることができるか?
簡単のため、L画像のみを考えます。カラー画像も原理は同じですが、ディベイヤーなど計算が複雑になるので、とりあえずここではモノクロとします。
読み出しノイズ:
まずは露光時間を短くして、スカイノイズを小さくして、読み出しノイズと同程度になるような状況を考えてみましょう。露光時間をどこまで短くできるかを求めてみます。
今回使った開田高原で撮影したM81の画像では、露光時間300秒の時に、スカイノイズと読み出しノイズの比が
15.9[e] : 1.8[e] = 8.8 : 1
で約9倍の差があります、スカイノイズを約9分の1にすればいいので、明るさで考えると2乗で81分の1にしてやればいいことになります。露光時間で考えると300秒を81分の1にしてやればいいので、300[s] / 81= 4.8 [s]と、露光時間をわずか3.7秒にまで短くするとやっとスカイノイズが読み出しノイズと同等になります。こんなに短くていいんですね!?
ダークノイズ:
次に、スカイノイズがダークノイズと同程度になる温度を求めてみます。まずは300秒露光だとすると、スカイノイズとダークノイズの比は前回記事の計算から
15.9[e] : 1.5[e] = 10.6: 1
と10.6倍程度の余裕があるので、−10℃で撮影した時のダークノイズが10.6倍程度になるには、暗電流で考えると2乗になるので、−10℃での暗電流が10.6^2 = 112倍程度になるところの温度を暗電流のグラフ（縦軸が2倍ごとの対数グラフであることに注意）から読み取ってやればいいはずです。−10℃での暗電流が0.007程度なので、112倍だと0.79とかなってしまい、もう30℃超えとかの温度になってしまいます。今回くらいスカイノイズが支配的ならばもう冷却に関しては全然気にしなくていいと言うことになってしまいます。
開田高原の暗い空でさえ、露光時間は3.7秒以上ならOK、温度は30℃以下ならOKと、にわかには信じ難い数字が出てきました。さらに（今回撮影した日の）開田高原より明るい空ではこの条件は緩和され、さらに短い露光時間でも、高い温度でもよくなります。これまでおまじないのように露光時間を伸ばし冷却をしてきたのですが、実際にはほとんど効いていなくて、1枚あたりの露光時間を減らしていいし、センサー温度ももっと高くてもいいということになります。
答えは原理的にはYesですが、実用上はNoでしょう。まず、暗い空に行けば行くほどこのパラメータの余裕は少なくなっていきます。また光害防止フィルターを使うと、実質的に暗くなるのでスカイノイズは小さくなり、上記露光時間と温度の余裕は少なくなっていきます。これらの場合1枚あたりの露光時間を増やした方が有利になるし、センサー温度も低い方が余裕が出ます。
例えばHαのようなナローバンド撮影の場合を考えます。典型的な7nmのナローバンドフィルターを使うとしましょう。7nmというのはフィルターを透過する光の波長の（多分ですが）FWHM（Full Width Half Maximum、半値全幅、縦軸のピークの半分の値をとる時の横軸の全部の幅、他にも半値半幅などがある）が7nmということなので、仮にASI294MMが可視である波長のFWHMを380nmから800nmの420nmとしましょう。420nmが7nmとなるので、単純に考えると明るさは60分の1になります。スカイノイズにするとルートで効くので8分の1程度でしょうか。
今回の計算ではスカイノイズと読み出しノイズの比が8.8分の1、スカイノイズとダークノイズの比が10.6分の1と見積もっていたので、大きく余裕あると思っていました。でもナローバンド撮影の場合スカイノイズが8分の1になるいうことは、この余裕を全て取り去ってしまいます。ナローバンド撮影だと300秒露光と−10℃での撮影で、スカイノイズと、読み出しノイズと、ダークノイズが大体一緒くらいになるということになります。
ナローバンドでは300秒という露光時間も、−10℃というセンサーの温度も妥当だということは分かったのですが、明るいL画像ではやはりこれまでの検証に特におかしなところはなく、露光時間も温度も全然余裕があるということは（私が大きな勘違いをしていなければですが）事実です。
でも、途中の複雑な機器設定の変更で撮影が失敗するリスクなどを考え、同じようなセッティングで全ての光学フィルターに対して対応しようとするのは戦略として全然おかしくはなく、その場合、一番厳しいところにセッティングを合わせることは十分妥当でしょう。
本当にそんなに余裕はあるのか?
開田高原の暗い空でさえ、露光時間は3.7秒以上ならOK、温度は30℃以下ならOKと、にわかには信じ難い数字が出てきました。さらに（今回撮影した日の）開田高原より明るい空ではこの条件は緩和され、さらに短い露光時間でも、高い温度でもよくなります。これまでおまじないのように露光時間を伸ばし冷却をしてきたのですが、実際にはほとんど効いていなくて、1枚あたりの露光時間を減らしていいし、センサー温度ももっと高くてもいいということになります。
でも、ここまでの検証、本当に正しいでしょうか？
答えは原理的にはYesですが、実用上はNoでしょう。まず、暗い空に行けば行くほどこのパラメータの余裕は少なくなっていきます。また光害防止フィルターを使うと、実質的に暗くなるのでスカイノイズは小さくなり、上記露光時間と温度の余裕は少なくなっていきます。これらの場合1枚あたりの露光時間を増やした方が有利になるし、センサー温度も低い方が余裕が出ます。
例えばHαのようなナローバンド撮影の場合を考えます。典型的な7nmのナローバンドフィルターを使うとしましょう。7nmというのはフィルターを透過する光の波長の（多分ですが）FWHM（Full Width Half Maximum、半値全幅、縦軸のピークの半分の値をとる時の横軸の全部の幅、他にも半値半幅などがある）が7nmということなので、仮にASI294MMが可視である波長のFWHMを380nmから800nmの420nmとしましょう。420nmが7nmとなるので、単純に考えると明るさは60分の1になります。スカイノイズにするとルートで効くので8分の1程度でしょうか。
今回の計算ではスカイノイズと読み出しノイズの比が8.8分の1、スカイノイズとダークノイズの比が10.6分の1と見積もっていたので、大きく余裕あると思っていました。でもナローバンド撮影の場合スカイノイズが8分の1になるいうことは、この余裕を全て取り去ってしまいます。ナローバンド撮影だと300秒露光と−10℃での撮影で、スカイノイズと、読み出しノイズと、ダークノイズが大体一緒くらいになるということになります。
現実的な露光時間と温度
ナローバンドでは300秒という露光時間も、−10℃というセンサーの温度も妥当だということは分かったのですが、明るいL画像ではやはりこれまでの検証に特におかしなところはなく、露光時間も温度も全然余裕があるということは（私が大きな勘違いをしていなければですが）事実です。
でも、途中の複雑な機器設定の変更で撮影が失敗するリスクなどを考え、同じようなセッティングで全ての光学フィルターに対して対応しようとするのは戦略として全然おかしくはなく、その場合、一番厳しいところにセッティングを合わせることは十分妥当でしょう。
このように全部一緒のセッティングにするということも一理ありますが、明るい場合にはパラメータに余裕があることを理解した上で、フィルターによっては露光時間を変える、ゲインを変えるという戦略を立てることは次の可能性につながるのかと思います。例えばHαをRGBに混ぜる赤ポチ画像を作るのに、StarNetなんかで背景と恒星を分離するときなんかは特にそうです。この場合、恒星は大きさも色情報も使えなかったりもするので、背景のみにダイナミックレンジを振ることができ、余裕ができるはずです。
ただし、露光時間やゲインを変えてパラメータ数を闇雲に増やすと、その後の画像処理に対して必要なダークファイル、フラットファイル、フラットダークファイル、バイアスファイルなどの種類も増えていく羽目になります。少しまとめておきます。
露光時間とゲインという観点では:
特にダークファイルは撮影に時間がかかるので、できるだけ種類を少なくしておきたいです。明るい時と暗い時の2パターンくらいに決めておけるなら、ダークだけ設定ごとに一度撮ってしまって使いまわすことで、後の手間はそれほど変わらないと思います。あらかじめダークライブラリーを作っておくと気にしないでよくなるかもしれません。バイアスもゲインごとのライブラリを作ることができますね。
フラットはホコリなどの状況でかわってしまうので、その都度撮影した方がいいかもしれませんが、センサー面やフィルター面を暴露しないようにしてホコリなどの混入があまりない状況を作れるのなら、使い回しが効くと思います。
多分大丈夫だとは思うのですが、フラットとフラットダークはできれば同時に取ったほうがいい気がしています(温度が変わると縞ノイズに影響があるかも、でも未検証)。
ただし、露光時間やゲインを変えてパラメータ数を闇雲に増やすと、その後の画像処理に対して必要なダークファイル、フラットファイル、フラットダークファイル、バイアスファイルなどの種類も増えていく羽目になります。少しまとめておきます。
露光時間とゲインという観点では:
- 露光時間もゲインも変えたくないもの: ダークファイル
- ゲインを変えたくないもの: フラットファイル、フラットダークファイル、バイアスファイル
- それぞれのフィルターに対して撮影するもの: フラットファイル
- 共通で撮影できるもの: ダークファイル、フラットダークファイル、バイアスファイル
特にダークファイルは撮影に時間がかかるので、できるだけ種類を少なくしておきたいです。明るい時と暗い時の2パターンくらいに決めておけるなら、ダークだけ設定ごとに一度撮ってしまって使いまわすことで、後の手間はそれほど変わらないと思います。あらかじめダークライブラリーを作っておくと気にしないでよくなるかもしれません。バイアスもゲインごとのライブラリを作ることができますね。
フラットはホコリなどの状況でかわってしまうので、その都度撮影した方がいいかもしれませんが、センサー面やフィルター面を暴露しないようにしてホコリなどの混入があまりない状況を作れるのなら、使い回しが効くと思います。
多分大丈夫だとは思うのですが、フラットとフラットダークはできれば同時に取ったほうがいい気がしています(温度が変わると縞ノイズに影響があるかも、でも未検証)。
まとめと今後
今回は露光時間とセンサー温度について、本当に理屈通りでいいのか、実際の撮影などのことも含めて少し検証してみました。実用上はフィルターなどの変更もあるので、これまで通りの露光時間やセンサー温度でも構わないかもしれませんが、これらのパラメータを変更する場合にどれくらい余裕があるかを知っておくことは、今後の方針を立てる上で有利になるのかと思います。
まだまだ検証したいことはたくさんあって、ゴールまではかなり遠いです。これまではノイズのみの議論で、ノイズ同士がどうなるかだけを問題にしていて、信号についてはまだ何も議論していません。ノイズに対して、撮影目標の天体が信号ということになるのですが、信号SとノイズNの比S/N (SN比)が重要になります。また、スタックすることでS/Nを稼ぐことができます。でも真面目に信号部分を考えるのって結構大変なんですよね。またゆっくり考えてみます。
この記事の続きは
になります。実際に信号を考えてS/Nを求めています。
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