前回の記事で4月12日にシーイングの持続時間を評価してみましたが、もう一つ試したことが太陽の全景撮影です。



全景撮影に関しては、前週の4月5日にも口径102mm 焦点距離1000ｍｍの国際光器のMAGELLAN 102で試しています。面積の広いフォーサーズを使い、一応全景を入れて撮影はできました。でもPST的には、BFの5mmという径も、エタロンの良透過波長エリア的にも、プロミネンスがほとんど出ていなかったことからも、限界を超えていると言っていいでしょう。


問題点は焦点距離が長すぎるために、太陽の径が大きくなりすぎてしまい、BFで蹴られることでした。これはBFのマウントの穴径を広げることで、ある程度回避しました。もう一つは、エタロンの良像範囲がリング状に変化していき、Hαに一致する範囲に制限があることです。焦点距離1000mmでの太陽径では、この波長が合う面積内に全体を入れることが難しかったということです。

いずれにせよ、焦点距離が問題なので、鏡筒を変更する必要があります。レデューサーは像が決まった後に入れるものなので、今回は使えないでしょう。



とにかく全景に関しては、焦点距離1000mmではこれ以上解がなさそうなので、焦点距離の短い鏡筒を考えます。

また、カメラもフォーサーズのASI294MM Proはそもそも冷却も使う必要がないのでちょっと勿体無いです。しかも、冷却をしないとしても12V電源を別途繋がなければ使えないので、余分なケーブルが必要となり取り回し的にも面倒です。元々は、高分解能目的でbin1のピクセルサイズ2.3μmを狙っていたのですが、bin1だと(いまだに理由はわからないのですが) 4x4のピクセルパターンがどうしても出てしまうので、bin2での撮影にせざるを得ないということがわかりました。このことは、Phoenixで試したときもそうでしたし、4月5日に試したときもそうだったので、今のところ少なくとも太陽にASI294MM Proのbin1を使うことはできないという結論です。DSOにどこまで影響があるのかは、今のところ気付いたことはないのでよくわかっていません。

というわけで、カメラはモノクロでピクセルサイズが小さいものという観点から、とりあえず手持ちのASI290MMで入る範囲ということにしました。センサーサイズは1/3''とかなり小さいので、全景を入れようとしたら、計算上は焦点距離は400mmよりもかなり短くなってしまいます。実際、焦点距離400mmのPhoenixでもASI290MMだと全景は一度に入りませんでした。ただ、400mm以下だと分解能がかなり悪くなってくるので、とりあえず今回は焦点距離400mmにASI290MMで2枚のモザイクというので妥協します。今後センサーサイズの大きいカメラを使うことを検討しているので、そのうち1枚で写せるようになるかと思います。

さて口径です。順当に行くとPSTの鏡筒がちょうど焦点距離400mmなのでそれでもいいのですが、以前手持ちの口径8cmで焦点距離400mmのiOptronの安価な鏡筒を太陽で試して、口径4cmのPSTよりも分解能がよくなったので、今回も同じことをやってみます。


適当にレールを組み合わせ、PSTを無理やりっぽいですが、何とか鏡筒に取り付けます。でも全然ピントが出ません。上の記事を改めて見て写真を確認してみると、PSTをかなり鏡筒内部に入れ込むような状態で取り付けています。同じような距離になるくらいに組み直してみると、やっとピントが出ました。やっぱり記録のための写真は撮っておくものですね。




その状態でそれぞれ1000フレーム撮って上位75%をスタックしたもの2枚をモザイク合成したものになります。細部出しはImPPG、カラー化にはSolar Toolboxを使いました。カラー化後にモザイク合成を、Photoshopを使って手作業でやりました。

中心部の分解能と周辺部のHαの出方にまだ違いがあるので少し不満はありますが、口径10cm、焦点距離1000mmのMAZELLANで撮ったものよりも、はるかにHαの模様が出ています。全然出なかったプロミネンスも、少なくとも形が判断できるくらいには十分出ています。分解能も、モザイクで2枚に分けている効果もあり、同じASI290MMで1枚で撮ったものよりも出ています。

まあとりあえず全景撮影用として何とか使えると思うことにしますが、特にHαのコントラストでPhoenixには劣るので、いいエタロンが欲しくなります。

分解能は口径10cmの時よりもよくなっているので、10cmという口径は全景撮影には全然貢献していなくて、ほとんど意味がないことを示しています。カメラの解像度や、Hαの良像範囲のほうが聞いていたと言っていいでしょう。では、今回の口径8cmは分解能に貢献しているのでしょうか？同じ焦点距離で口径4cmと比較してみればわかるはずです。一応以前の結果では意味があったと結論づけているので、もし時間があれば今一度同じことをやってみてもいいかもしれません。



さて、ここで疑問になってくるのが、そもそも「PSTのエタロンはF10を仮定してあるはずのでは?」ということです。もう少し正確にいうと「エタロンのところで平行光になるようにエタロン手前にレンズ(調べた限り焦点距離200mmの凹レンズらしい)が入っていて、そのレンズがF10の光に対してエタロンに平行光を作り出すはずなのでは？」という意味です。

でも今回使った鏡筒は口径10cmで焦点距離400mmなので、F5です。今のレンズだと平行光にならないはずなのに、なんでこれでうまくエタロンが働くのでしょうか?

いくつかわからないことが出てきました。

• 平行光を生み出す200mm凹レンズの位置に対する要求はあるのか?焦点より後ろにレンズを置いた場合は、光がさらに広がっていくのダメなことはすぐわかります。じゃあ焦点の前ならば、どこでも平行光になるのか?特に、焦点に近づくと変なことは起こらないのか?
• エタロンは本当に平行光しか受け付けないのか？鏡の間の距離が短くてフィネスが10程度のオーダーなら平行光にこだわる必要はないのではないか？
• そもそも、F値ってなんなのでしょう?今の口径8cm、焦点距離400mmの鏡筒の対物側に、直径4cmの穴を中心に空けたキャップをつけたらF10になるのでしょうか?
• 口径を制限する穴は、カメラレンズで言う「絞り」と同等なんだと思いますが、絞りの位置はどこでもいいのでしょうか?エタロンの後に入れたら無意味なのはわかるのですが、例えばエタロンより前の対物側にだったらどこにつけてもいいのでしょうか？

ここら辺の疑問が、なぜPSTのエタロンは現状リング状に良像範囲が変わっていくのか？という疑問につながります。これまでは単純にモードが合っていなくてLaguerre-Gaussianモードが見えていると思っていたのですが、これだと上の疑問に全く答えられません。



ちょっとトリッキーですが、何とか太陽全景をそこそこの分解能で写し出すことができました。でも、なんでF5鏡筒でPSTエタロンが問題ないのかがよくわかっていません。とにかく事実としては、特に平行光を注意して作らなくてもエタロンは少なくとも働いているように見えることから、もしかしたら全くの思い違いをしている可能性もあります。ちょっとまだ答えは出ていないので、もう少し考えて、今後色々試していこうと思います。

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前回の記事で、4月7日にタイムラプス用に1分おきに撮影した画像を使って、シーイングの時間変化を検証してみました。今回の記事では、翌週の4月12日にもっと短い間隔で撮影し、シーイングの持続時間を検証してみました。



4月5日の撮影では、
を撮影したもので検証しました。1本あたりのserファイルの容量は800MB越えです。

次の週の4月12日に、どれくらいの時間間隔で撮影すればいいのかと、必要フレーム数のあたりをつけるために

• 20秒毎に1.25ms露光で200フレーム、30分で合計90本
• 10秒毎に1.25ms露光で100フレーム、30分で合計180本

で撮影してみました。1本あたりのserファイルの容量はそれぞれ800MB越えと、400MB越えで、トータル量は共にそれぞれ75GB程度になります。



この日は4月5日と比べると、(昼近くからだったこともあるのか) シーイングは全然良くありませんでした。といっても特別悪い日でもなくて、これまで見てきた経験から言うと、ごく平均的なシーイングなのかと思います。そのため、前回分けた
というようなランク分けで言うと、6クラスが半分以上、5クラスが3割程度、4クラスでさえも1割くらい、3クラスが数えたら7枚 / 270枚 ~ 2.5%程度あるだけといったところです。1、2クラスはありませんでした。

「2025/4/5 太陽(その1): 望遠鏡2台での撮影」で見せた、4月5日の中で適当な時間に撮ったものが「ランク4の悪い方か、5のいいほうくらい」という評価だったので、シーイングがいい日に適当な時間に撮影するよりも、シーイングが悪い日に最もいいものを選んで採用した方がいい確率が高いということが言えそうです。



一番興味のある、同じようなシーイングがどれくらい続くかということを検証してみます。

前回の4月5日での結論は

• 1分おきに3−4秒ほど撮影していて、1分毎にシーイングが大きく変わっているのがわかった
• 撮影中の3−4秒でもシーイングは変化しますが、1分毎の平均的な大きな変化には至らず、いい時はいい中での変化、悪い時いは悪い中での変化

というものになります。

今回の4月12日の画像からわかったことですが、

• 20秒おきの撮影ではそこまではっきりとした傾向は見られない。
• その一方、10秒おきの撮影ではある程度はっきりとした傾向が見られた。
• 悪いシーイングの画像がほとんどで、その分いいシーイングが目立ち、一旦いいシーイングになると、2から4枚とか連続して続く。
• ただし、その2−4枚の中でも良い悪いは結構変わるが、他の悪い時画像よりは明らかにいい。
• シーイングがいい時間は、20秒ごとの撮影では30分間で2回、10秒ごとの撮影でも30分で2回だった。

もし今回のことが典型的なケースとすると、

• ごく一般的な、そこまで良くないシーイングの日でも、1時間も連続で撮影すれば、少なくとも数回はいい時があり、そのいい時間は数十秒程度続く。
• 1分毎の撮影だといい時を逃す可能性があり、30秒毎の撮影ならとりあえずチャンスを逃すことはない。
• ただし、いい時の数十秒の中でも良い悪いがあるので、ベストの時を得たいなら更に半分の15秒毎程度の撮影が安全そう。

というようなことが言えそうです。



もう一つ、一回あたりのフレーム数についても検討してみましょう。前回の経験から

• 200枚撮影して、そのうちの上位100枚程度を処理すれば、多少ノイズは目立ちますが、ノイズ処理前提なら十分な枚数

ということがわかりました。

今回10秒毎の撮影を処理してみたところ、

• 100フレームでの撮影だとちょっと心許なく、ノイズがかなり目立つ。多少きつめのノイズ処理をしても、ノイズを消し切ることができない、もしくは無理して不自然になってしまう

という結論です。

なのでやはり

• 1回で最低200フレーム撮るか、
• 1回100フレームで撮影して、いい分解能の何本分かを合わせて使う

とかでしょうか。



こう考えると、静止画を作るのにいいシーイングを探すのには、30秒毎に200フレームくらいをトータル1時間くらいが限界な気がします。これでもファイル総量は100GB程度になります。

タイムラプスの場合は、プロミネンスで30秒毎に200フレームでトータル1時間、太陽表面で1-2分毎に200フレームでトータル2時間とかになるのでしょうか。

もう一つの方法は、ダメだった動画ファイルはすぐ捨てることを前提で、10秒毎に200フレームとかで1時間でしょうか。これだと300GBくらいになるので、トータル1TBの空きスペースがあっても高々最大3セットで、いかにいらないファイルを早く消せるかの判断が重要になってきます。私の場合、性格的に本当に要らないとわかるまではすべてのファイルをとっておくタイプなので、この方法はちょっと厳しいかと思います。



この日の、悪いシーイングながらも、その中でいいシーイングの時を選んで画像処理をしたものを載せておきます。11時22分1秒のもので、200フレームのうちAS!4で上位90％を選んでスタックしています。細部出しはImPPG、コントラストとカラー化はSolar Toolboxで仕上げにPhotoshopです。


以前までの基準から言うと相当いい部類ですが、シーイングがいい時に選びぬいたベストとは流石に比べるまでもなく劣ってしまいます。でもこのレベルの画像が、シーイングが多少悪くてもほぼ確実に撮れるとしたなら、 全然悪くないのかと思います。



少し補足です。前回記事はシーイングの時間変化の話でした。この記事は結構インパクトがあったらしくて、個別にネットや電話で何人もの方から直接質問がありました。


質問に答える中で一つ気づいたことがあります。それは「シーイングが効くのはある程度の分解能が出てから」ということを伝えるべきだったということです。

例えば口径4cmのPhoenixなどは、実際にはシーイングはほとんど効かないでしょう。実際にはもっと長焦点、大口径になってきて初めてシーイングが効いてきます。

太陽撮影の分解能に関係することとして、より効くものや、簡単に改善できそうなものから順に挙げていくと、

1. カラーカメラかモノクロカメラか
2. カメラのピクセルサイズ
3. 鏡筒の焦点距離
4. 口径
5. シーイング

などといった感じでしょうか。もちろん、機材の質、環境、撮影状況などによって順序は多少入れ替わりますし、実際の分解能はこれら全ての項目できまる個々の分解能の2乗和のルートになります。一つでも悪い分解能があるとそれが支配的となり、それを解決しない限り他のものをどう改善しても無駄になります。そのため、分解能を改善しようとするなら、一番効いているところ( 一番悪いところ)を改善するのが鉄則となります。

1. 例えばカラーカメラかモノクロカメラかは、ピクセルサイズが同じだとしても単純に分解能が倍になるのでかなり大きな効果です。Phoenixのような鏡筒の焦点距離が短い400mm程度の場合でも、カラーかモノクロかの違いは効いてくるでしょう。
2. 同様に、モノクロにしたとしてもピクセルサイズが小さい方が分解能としては有利になってきます。
3. 小口径の太陽望遠鏡は焦点距離も短いので、例え4cmクラスの口径でも焦点距離を伸ばすと分解能が増えるケースが多いと思います。焦点距離を伸ばす代わりに、簡単にはバローレンズを入れてもいいでしょう。
4. カメラのピクセルサイズを小さくしたり、焦点距離を伸ばしていっても、あるところで望遠鏡の口径で分解能の限界がきます。こうなった状態で口径を大きくすると、大きな改善の効果が見えるはずです。逆にいうと、分解能を制限していないところを改善しても改善の効果はほとんど見られません。例えば、焦点距離が短い状態、ピクセルサイズが大きすぎる状態で口径を大きくしても、分解能に関してはほとんど改善が見られないということです。
5. バローなどで焦点距離を伸ばしても、ピクセルサイズが小さいカメラを選んでも、口径の大きな太陽望遠鏡を手に入れても、いずれ分解能には限界が出てきます。その場合は、やっとシーイングが効いていると思っていいでしょう。特に日によって分解能が変わることが認識出るなら、おそらくシーイングが原因です。この状態なら、前回の記事でやったように、いいシーイングの時間帯を探すということが効果的になるはずです。

エタロンの性能差や精度差による透過波長幅の差はまた少し別の話で、解像度というよりはコントラストに効くといったほうがいいのでしょう。



ある程度ですが、いいシーイングの持続時間みたいなものが見えてきました。現実的にはディスク容量からの制限の方がきつそうで、最もいいところを完全に逃さずにというのは難しそうです。でもまあ、1分くらいまでなら多少時間感覚を増やしても、かなりの確率でいい分解能を拾えるでしょうし、たとえベストでなくても適当な時間に撮るよりははるかにいいはずので、今後しばらくは現実的に処理できるくらいの時間とフレーム数で試そうと思います。

加えて、今後検証したいのが、動画ファイルからいいフレームを自動できちんと選べるかです。今はまだAutoStakkertの選択を信頼できないでいるので、自分で手作業でいいものを選んています。これが十分な信頼度で自動でうまく上位フレームを選択できるなら、何本かの動画を合わせて処理するとか、枚数が多くなっても対応できそうです。

太陽関連でまだまだやりたいことがたまっているのですが、未処理の撮影ファイルが残っていて、ブログ記事に書くことも追いつていないです。もっと時間が欲しいです。今後もしばらくは太陽ブームは続きそうです。

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#太陽

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黒点周りのタイムラプス映像のための画像を処理していてい、とても面白いことに気づきました。これは今後の分解能出しに大きく影響しそうです。



全く同じ条件で撮影しているのに、1枚1枚の画像の分解能が全然違うのです。例を示します。

こちらはある時刻10時42分のものです。200フレーム撮影したもののうち、AS4!で上位90%をスタックし、ImPPGで細部出しをしています。かなり解像度が出ているのがわかります。

次はその1分後のものです。全く同じ条件でAS4!でスタックし、ImPPGでこれも全く同じパラメータで細部出しをしています。何も変えていないのに、ボケボケです。

次はさらに1分後です。再び解像度は復元しています。

わずか1分でここまで変わっていいのかというくらいの違いです。これらの例の他にも、解像度が悪いのが3枚ほど続き、復帰しているなどもあります。



120分の中で、ベストの11時46分5秒のものと、ワーストの11時16分55秒のものです。処理条件は上の3枚と全く同じです。ここまで違っていいのかというくらいの違いです。




この突発的な解像度の変化の原因は、いくつかの可能性が考えられます。

• シンチレーションの悪化
• 風で揺れた
• 何かの拍子に地面が揺れた
• たまたま機材の不調などな

などでしょうか。

これらの分解能の違いはリアルタイムで画面を見ていた時は、あまり違いに気づけませんでした。今回、ImPPGで細部出しをして、そこで比較していいものと悪いものを動画に戻って比べて見てみると、ああなるほどと思ったくらいです。

分解能が悪くなるのは、2時間の撮影中のある時間帯だけに起こっているのではなく、最初から最後までバラバラに発生しています。こう考えると、

• 地面の突発的な揺れがこんなふうにバラバラの時間で満遍なく発生するとはあまり考えられません。
• また、風の場合は画面が大きく揺れることがわかっていますが、分解能が悪い時の動画を生で見てみると、どうも細かい揺れが多いように見えます。
• 機材の揺れだと事故的に単発で起こるか、もしくは何かが原因で周期的に起こるかなどです。短髪にしては頻度が多すぎます。また、ばらついてはいるものの、周期的に起こっているわけではないようです。

なので、とりあえず今の所はシーイングの時間変動と考えるのがもっともらしいと思っていますが、もし仮にそうだとしたら、シーイングが分単位でここまで変化するとは本当に驚きです。シーイングが時間で変わることは知識としては知っていましたが、30分とか、せいぜい早くても10分とかいう単位だと思い込んでいました。今の所時間スケールはまだはっきりとはわかりませんが、分かそれ以下の時間でで大きく変わると考えて良さそうです。

こうなると今後の撮影方針はかなり変わってきます。これまではいいシーイングを探して、3-4時間の中で数十分おきに撮影したりしたことはありました。その時は明確な差は判らなかったので、それ以降いいシーイングを探すのはあきらめてしまっていました。今回の結果から考えると、数十分おきとかではいいところを探しきることはできなかったのでしょう。



120枚の分解能の内訳ですが、

1. ベストに近いもの: 5枚
2. ベストクラスからは劣るけれども、そこそこいいもの: 15枚
3. 特別いいわけではないけれど、普通にいいもの: 39枚
4. それより分解能があからさまに劣るもの: 39枚（前々々回のブログ記事で示した、最初の時間の撮影で1000フレームで仕上げたものはこのランクの中の悪い方か、次の5のランクの中のいい方くらいでした）
5. 仕上げには絶対使いたくないもの: 17枚
6. ワーストクラス: 5枚

といったところでしょうか。

ベストの5枚の時間はそれぞれ: 

• 11時5分1秒
• 11時43分54秒
• 11時46分5秒
• 11時55分48秒
• 12時26分3秒

ワーストの5枚の時間はそれぞれ: 

• 10時43分23秒
• 11時16分55秒
• 11時19分5\4秒
• 12時27分8秒
• 12時28分13秒

となっているので、少し近い時間帯もありますが、そこまで偏っているわけではなくて、結構散らばっているのがわかるかと思います。

せっかくなので、典型的な画像も載せておきましょう。順に上の順位の1から6の中で、それぞれ真ん中らへんのものを選んでいます。


ある程度正規分布に従いそうなので、数多く撮影して一番いいものを選ぶというので、これまで適当な時間を一本だけ撮影するよりは、大幅な改善が期待できそうです。



あともう一つ、ベストと思われる11時46分5秒の200フレーム撮影のうち、ベストと思われるものとワーストと思われるものを示しておきます。一本のserファイルを200枚のTIFF形式に分解し、個々の画像にImPPGで細部出しをしてみました。



わずか数秒の撮影中にも、分解能のいいもの、悪いものが存在するようです。この200フレームを、いいと思うものと、悪いと思うものの2種類に分けてみたのですが、いい時も悪い時も10枚くらい続くことが多かったです。ということはいい時と悪い時が0.3-0.4秒おきくらいのタイムスケールで替わっていると考えることができます。まだ今回だけの話なので、これがどこまで一般的かはわかりませんが、もしこのタイムスケールが本当だとすると、想像していたよりもはるかに速く入れ替わっているという印象ですです。



その後の別の日の連続撮影などから分かったのですが、4月3日は（朝ということもあるでしょうが）基本的に平均してかなり分解能よく撮れた日だったのかと思います。分解能が悪かった日も、機材や画像処理の条件は4月3日と同じで、さらに特に風が強いとかでもなかったので、少なくともシーイングが大きく変わったと考えてよさそうです。このような日の場合は、ほとんどの時間帯の分解能が悪くて、ごくごく稀に分解能がいい時があるというような感じです。これまでたくさん撮影してきましたが、実はほとんどの日は、このようなシーイングがあまりよくない状態だったと思われます。たまによく撮れた日は、平均してシーイングがよかったのでしょう。でもベストでは全然はなかったはずです。

「太陽撮影はシーイングがいい時間帯を見つけて撮影すればいい」というようなことは聞いていたのですが、この意味が実は全くわかっていなかったことが、今回よくわかりました。シーイングが特別いい日でなくても、本当にシーイングがいいかなり短時間の瞬間があるということがやっと理解できました。これまでこんな短い時間で比較して選んだことはなかったので、いい瞬間に巡り会えたことはほぼなかったと思っていいと思います。

4月5日の結果から、シーイングは、1分あればいい状態から悪い状態へとポンポン変化して、さらに突き詰めると、0.1秒とかいうスケールでいい悪いが入れ替わっても全くおかしくないということがわかりました。もう少しサンプル数は増やしたいですが、だいぶん正体が見えてきたので、実際の撮影間隔をどれくらい取ればいいかがある程度決定できそうです。



2時間の撮影の中でベストを選ぶのと、適当な時間にたまたま撮ったものを比べてみましょう。まず、タイムラプスで撮影した120枚の中で分解能がベストと思える、11時26分5秒のものを処理したものです。露光時間1.25msで、200フレーム撮影したものです。60FPSくらいは出ているので、3-4秒間にわたり撮影したことになります。200フレームのうち、さらに(AS4!の選別がまだ信用できないので)目で91枚を選別したものをスタックしています。

次に、前々回のブログに載せた、この日の最初の方でに1000フレームで撮影したものを下に再掲載して、比較してみます。露光時間は同じですが、60FPSとすると20秒くらいに渡って撮影しています。そのうちAS4!で上位75％を採用しているので、750枚のスタックになります。

比較すると、上の方がわずか91フレームながら、圧倒的に高解像度なのがわかるかと思います。下の方は塗り絵みたいで気持ち悪いです。でも最初の記事を書いたときはこれでも分解能はいい方だとしんじていました。

もちろんノイズ的には少数フレームの方が不利なので、軽めのノイズ処理をしていますが、仕上がりは比べるまでもないと思います。ベスト画像を選ぶことが、いかに大事かがわかるかと思います。

いい時間を選ぶことでかなりきれいに出たので楽しくなってしまい、91フレームのものを、色反転したもの、さらにモノクロとその反転も作ってみました。

ここまで出ると、こうやっていろんなパターンを作る甲斐もあるというものです。ただ、こうやって見て改めて思うのは、PSTのエタロンの限界です。どの画像もそうなのですが、上の方とか右の方は、やはり波長がずれていて、分解能も落ちてしまっています。分解能が良くなってくると、その差も目立つようです。ここら辺の改善が次の課題でしょうか。でもそんなに簡単ではなさそうです。

同じく、プロミネンスです。こちらは1分おきに200フレームで30分間撮影したものの中から、ベストなものを選び、AS4!で上位90%を選んでスタックしたものです。


次が前々々回示したもので、1000フレームを75%スタックしたものです。

プロミネンスだけでなく、太陽表面が全然違います。分解能がいいと、表面に結晶の花が咲いたような模様になります。上の方の画像の画面の右はやはりエタロンのせいで波長がずれてしまっていて、分解能が全く出ていません。ここまで違うと、うまく出ていない所はもうクロップしてしまった方がいいのかと思います。実際、下の画像は目立たないようにクロップしていました。



これまで仕上げ用には最低500フレーム、場合によっては2000フレームとか撮影していましたが、大事なのはフレーム数ではなくて、シーイングがいい時間帯をいかに選ぶかということでした。いい時間帯を選んだ上で、仕上げるのには100フレームもあれば十分だということもわかりました。

これまでなかなかいいシーイングの見つけ方がわからなかったのですが、この4月5日は平均してシーイングがいい日だったので、色々検証することができました。今回は、口径20cmで焦点距離2000mmという機材の分解能に制限されない状態だったので、シーイングがいい状況にきちんと対応でき、その違いを知ることができたと考えてもいいと思います。言い換えると、口径20㎝とかを生かそうとしたら、シーイングを相当選ばないと意味がないということです。

そして、シーイングがいい瞬間は確率的に少ないですが、確実に存在はするので、それを取りこぼさないように長時間で何ショットも取り続けて、その中でベストのものを選ぶのがいいのかと思います。こうすることで、これまで本当に運頼みだった良シーイングを、ある程度確実にものにする方法を得たということになります。その代償として失うものは、余分に使う撮影時間とディスク容量といったところでしょうか(笑)。

ただし、静止画の場合はこれでいいのを選べるのですが、タイムラプスだとベストを選び続けるのは不可能です。これは仕方ないのですが、静止画と動画は画像処理も違う手法が取れるので、そこらへんに解があるのかと思っています。

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少し間が空いてしまいましたが、SWAgTiで撮影したパックマン星雲について補足です。


実は上の記事にする前に、画像処理ははるか以前に終わっていたんです。でもダーク補正の有り無しで比較した時のノイズの大きさが、理論と全然合わなくて、ずっと検証していました。その結果、かなり面白い考察となったので、その経緯を書いておきます。



前回示した記事の繰り返しですが見た目ではダーク補正の有り無しは差がわからないようです。


ちなみに左がダーク補正無し、右がダーク補正ありですが、差はあったとしても本当にごくわずかでしょう。でも、ノイズを実際に測定しても同じくらいなのでしょうか？数値で見てみましょう。

ノイズの測定には、いつものようにPixInsightのImageInspectionのStatisticsを使います。各画像で「プレビュー」で

1. 恒星が入っていない
2. 背景に近い一番暗い部分

を、小さな領域でいいので選びます。そのプレビュー画面をStatistics上で選択肢、「stdDev」を見ます。stdDevなど、見たい情報の項目が出ていない場合は、スパナマークのアイコンを押して必要な項目を選択してください。その際、左上の単位がきちんとカメラと合っているか確認してください。今回の場合、カメラが14bitなので、「14bit [0,16383]」を選びます。単位は [ct] すなわち、ADCのカウントになります。コンバージョンファクターがわかっていれば、これを電荷の[e]に変換することができます。

上のエリアを選ぶ二つのことは、ノイズを正確に、安定に測定するために必要な条件です。

恒星が入っていると、恒星は飛び抜けて明るいので、バラツキ(=ノイズそのもの)が大きくなり、本来より大きなノイズの値が出てしまいます。

一番暗い部分を選ばないということは、何らかの天体などの明るさを測定していることになります。明るさがあると、そのバラツキからくるショットノイズが大きくなり、本来見たいダークノイズや読み出しノイズが隠れてしまう可能性があります。

これらのことは基本なのですが、その他にも注意すべきことがあります。今回の測定中にやらかした失敗も含めて、反省の意味も込めて今後の測定のために細かく書いておきます。



前の記事の繰り返しになりますが、一応撮影と画像処理の条件も書いておきます。

撮影はRedCat51+DBPでカメラはUranus-C Proで-10℃に冷やしています。架台はSWAgTi (SWAT350 V-SPEC PremiumにAZ-GTiを載せたもの)で、撮影ソフトはNINA。ガイドは無しで、NINAの特殊機能のガイド無しディザーで最初のうちだけ1枚に一回、途中から3枚に1回ディザリングしています。

ライトフレームは露光時間が1枚当たり3分で、カメラのゲインは100、オフセットは40で撮影しています。94枚画像処理に回したので、合計282分 = 4時間42分ぶんです。この間、NINAでも順調に動いて、特にSWAgTiの長時間撮影で縞ノイズを避けるために必須であるディザリングも問題なく動いていました。ライトフレームは10月9日に合計139枚撮影しそのうち94枚を使い、ダーク補正比較のためのダークフレームは後日77枚撮影して使いました。



「Bayer配列画像はノイズ測定に用いるべきではない。」

1. まず正しくスタックされているかどうか確かめるために、ライトフレームのRAW画像1枚のノイズを測定します。結果は12.5 [ct]でした。
2. 次に、スタック後のダーク補正なしのマスターライト画像のノイズを測定します。予測だと94枚スタックした場合、ノイズが1/√94 = 0.103倍に近い値の12.5 x 0.103 = 1.29程度になるはずです。でも実際測定してみると、1.08 [ct]と予想よりかなり小さい値になってしまいます。

でもこれはすぐに気づきました。1枚画像はBayer配列のままなので、RGGBでそれぞれ平均値が違ってしまっているために、その平均値のばらつきでノイズが大きいと勘違いしてしまっているのです。解決策としては、Debayerしてからノイズを測ります。PIでDebayerして、再度Statisticで恒星のない部分のノイズを測定すると、6.44[ct]となり、これを0.103倍すると0.663[ct]となります。でもまだマスターライトファイルのノイズ1.08[ct]とはかけ離れています。



「Drizzle画像はノイズ測定に用いるべきではない。」

Debayer同士で比べているのに、なぜスタック後のノイズが予想より大きすぎるのか？これも少し考えてすぐにわかりました。Drizzleした画像は微妙にずらして重ねたりして解像度を増やしているので、そもそもノイズがどうなっているのかよくわかりません。ここはDrizzle前の画像で評価すべきでしょう。Drizzleはオプションなので、Drizzle前のマスターファイルもきちんと保存されています。Drizzle前のマスターファイルのノイズを測定すると、0.620[ct]で、今度は予測値の0.663[ct]とほぼ一致しました。

これで少なくともダーク補正なしで1枚画像を94枚スタックした場合、ノイズが理論通りの1/√94 = 0.103倍に近い値になることがわかりました。



さて、いよいよ別途77枚のダークファイルで作ったマスターダークファイルを使って、各ライトフレームをダーク補正して、WBPPでスタックまでしてマスターライトファイルのノイズを測定します。今回は最初からDrizzleされていない方を選び、Preview機能で恒星がない部分のノイズを測定します。結果は、目で見て比べた時と同様に、ノイズの値はダーク補正がない時の0.620[ct]と比べて、ダーク補正ありだと0.625[ct]となり、ほとんど同じなのでものの見事に一致したと言っていいでしょう。

結論としては、ダーク補正ありでも無しでも、ノイズはほとんど変わらないというのが今回の結果から言えることです。

見た目でダーク有無でほとんど差がないのが、数値でも同様に、ほとんど差がないと示されたわけです。


.
.
.
え？？？
.
.
.
でも、


ランダムノイズであるダークノイズを持つ画像で補正しているわけです。ランダムなので引こうが足そうが、補正すればノイズは必ず2乗和のルートで「増える」はずでは？何も増えないのは少なくともおかしいのでは？

とここから長い迷走が始まりました。



パッと考えられることは、明るい環境で撮っているので、スカイノイズが大きすぎてダークノイズが無視でき、たとえダーク補正してもほとんど影響がないというシナリオです。でも今回はサイトロンのDBPを使っているので、光害はかなり軽減されているはずで、スカイショットのいずの影響は少ないはずです。もしかして、DBPを入れていてもスカイノイズが大きすぎるくらい明るい環境なのでしょうか?

こちらも定量的にきちんと比較してみましょう。そのためにはライトフレームの背景領域の全ノイズに比べて、ダークノイズがどれくらい貢献しているかを比較すればわかるはずです。簡単のために、1枚撮影したファイルで比較します。

まずはダークフレームのノイズですが、今回もきちんとDebayerすることを忘れずに、これまでと同様にPreviewで領域を選択して、Statisticで測定します。結果は5.30[ct]でした。ここにはダークノイズと、バイスノイズ(読み出しノイズ)が含まれていることに注意です。

一方、ライトフレームの1枚画像のノイズは上の測定でわかっていて、6.44[ct] 程度です。

5.30[ct] と6.44[ct] なので、少なくともダークノイズと読み出しノイズが含まれたものは、ライトフレームに含まれるスカイノイズ(+ダークノイズ+読み出しノイズ)に比べて、無視できるくらい小さなものではないことがわかります。

ライトフレームは94枚、ダークノイズは77枚でスタックするので、予測では

1. ダーク補正無しだと6.44 x1/√94 = 6.44 x 0.103 = 0.663[ct]というノイズと、
2. ダークフレームの5.30 x 1/√77= 5.30 x 0.114 = 0.60のノイズが2乗和のルートで加わるため、
3. sqrt(0.663^2 + 0.60^2) = 0.90[ct]

程度になるはずです。でも実測は0.625[ct]と、予想の0.90[ct]1.5分の1くらいで、これは有意に小さすぎます。この矛盾を見つけるのに、相当な時間がかかってしまいました。



1週間以上考えていたでしょうか。答えがわかったあとは、まあ当たり前のことでしたが、これまであまり考えたことはありませんでした。いや、概念としてはおそらく考えていましたが、どう適用するとか、数値で確かめるというようなことは全くしてきませんでした。他に同じようなことを考えた例はないかと思って検索しましたが、定量的な評価はおろか、それに関する記述も見つけることができませんでした。

さてここでクイズです。


一見不思議ですが、きちんと説明することができます。答えは下の方に書いていますので、自分で考えてみたい方は、ここでスクロールするのを一旦止めてください。答えに必要な条件は上の「撮影と画像処理の条件」のところに全て書いてあります。

答えがまとまった、もしくは答えを見てみたい場合は、下に進んでください。

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