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冷たい方程式

SFが好きな方なら、割と聞く言葉ですが、今回は全く関係なしです(^^;
ダークとバイアスの関係についてのお話です。
下は、とあるカメラのダーク画像です。
 

この画像の一部の水平プロファイルを切り出してみます。
ProfileDisplayを見てください。
そうすると、画像の輝度が平均100countであることが分かるでしょう。これがいわゆるBIASです。
その上に白点(いわゆるダークノイズ)がスポット上に乗ってるのが分かるかと思います。
つまり、ダークフレームはBIAS+ダークノイズということになり、ダークノイズはすべてBIASの上に載っているのです。
ライトフレーム(映像信号)も、もちろん、BIASの上に載っています
つまり、通常の状態であれば、
ライトフレームからダーク減算を行うことで、BIASも自動的に減算されますので、BIASフレームを意識する必要はまったくありません。
 
ところで、ダークノイズはCCDを冷却することで、減ることはみなさんご存知だと思います。
一般的に、約7℃冷却することでダークノイズは半分になるといわれています。
お、冷たい方程式①発見ですね(^^;
しかし、ダークノイズは半分になっても、BIASノイズはそのままです。
 
また、ダークノイズは、時間に比例して増大していきます。
お、冷たい方程式②発見ですね。
でもね、これもBIASはいっくら冷やしても(基本的に)変わらないですよね。
つまり、BIASとダークノイズを切り離して考えると、ダークノイズ自体は計算できるので、いろいろと美味しいことができそうだと思いませんか?
 
でも、ステラではダメなんです。
だって、アレ、BIASの扱いについて、考慮してないでしょ・・?(知らないだけ鴨・・^^;)
ところがMaxImDLなら、ソフトで自動的にマッチングとってくれちゃうんです!!

矢印カーソルんとこみてね。
Auto-Optimizeってあるでしょ!
BIAS画像を用意して、Dark画像はこのAuto-Optimizeで設定すると、画像からマッチングをとってくれて、ダークノイズを最適化した上で減算してくれるのですよ!!すごいね~。
っか、今、勉強中のFreeSoftのDeepSkyStackerでもこれくらいやってくれるっぽいですがね・・・
設定項目はありましたからね。
ちと、僕はいまいちしっくりとつかいこなせてないのでまだ紹介できませんが・・
興味がある方はまずはDeepSkyStackerでチャレンジしてみるのもテかもしれません。
 
なお、MaxImDLでは、Auto-Scaleという設定もできます。
これは、先に述べた様に、ダークノイズは時間に比例しますから、単純計算でBIASを引いた上で、ダークフレームを1/2にして・・・・という作業を行って減算してくれます。(・・っと思います ^^;)
 
さて、では実際にはどうなのでしょう?
ちょっと比較してみました。
CV-16MEで-15℃5分露光で撮影した画像に、-15℃10分露光で撮影したダーク画像3枚の平均をとって減算してみました。

通常なら、アホですね(笑)の一言で終わりそうです。
実際、ステライメージで単純に減算した方は穴だらけですねえ・・。やっぱアホですね。
ところがマキシで、BIAS画像を入れて、AUTO-Optimizeで同じダークを引いた画像は・・!
ちゃーんと、ダーク減算できてるでしょ?多少ノイズは残ってますけど、まあ、CVだと温度制御いまいち君ですのでこれくらいは残るんで・・。
今回は、Auto-Optimizeを使ってますが、Auto-Scaleでも良かったとは思います。同じ温度設定ですので。
しかし、Auto-Optimizeでは白点を見て、それにあわせて減算してくれますから、実のところ、露光時間の違いだけではなく、温度が違っていても全然okなんです。
あれ?信用できませんか?仕方ないですね・・

今度は、-10℃10分のダーク画像を3枚平均とって減算してみました。
もう出鱈目ですね。
でも、ステラ側は穴だらけになってますが、マキシ側はちゃーんとマッチングとってくれてるでしょ?
つまりですね、BIASがあれば、ダーク画像を毎回その都度撮らなくてもいいばかりか、温度も露光時間も気にしなくて良くなるんです。
つまり、ダークを取ったつもりが周りが明るくなっていて光が入っていたとか、ダーク取り忘れた!という事態があったとしても過去のダーク画像があれば、それで、対応可能どころか、ひょっとしたらより高精度でダーク減算を行うことができる可能性があるのです。
 
もちろん、マッチングはできるだけとれた方が良いので、現地でのダーク画像1枚(宇宙線が入るカメラなら3枚)とあとはやはり現地でのバイアス画像を8コマ以上を撮影しておけば完璧なダーク減算ができると私は考えています。(んでも、M42の-15℃10分のダークと-10℃10分のダーク減算画像・・ほぼ全く同じ結果ですから・・ここまでこだわる必要はないのか?)
なお、ダーク画像、バイアス画像とも、できれば、光学系につけたまま撮影した方が良いと思われます。電子部品の温度特性等でバイアスも若干変化することが考えられるので、、、
光学系から外すと風の当たり具合というか、放熱の具合が変わりますからね・・。
まあ完璧を期するならば、のお話です。
たぶん、そこまで考える必要はないのでしょう・・。
 
さて、温度が関係なく高精度のダーク減算が引ける!となると、実は、このAuto-Optimize機能は、実のところ、冷却CCDカメラよりもデジカメ画像に向いているのではないか・・・
そう思いませんか?
少し試してみました。

これはこないだのE-300のM8です。
まあ、あれもすでにMaxImDLのAutoOptimize使ってんですけどね、、、
8分露光のダーク画像4枚を使って減算してみました。
ベイヤー状態で画像を読み込んで、それぞれのソフトで減算してから、ステライメージ6にてカラー化、自動レベル調整で揃えています。
なお、BIASはISO感度を同じ設定で、1/8秒で、16コマ程撮影したものを平均化(マキシでAvarage)したものを使ってます。S2Proは解析したところ、2秒と4秒で明らかに映像エンジンでの処理のかかり方が明らかに変わるんで、短時間露光画像をBIASには出来ないのですが、とりあえずE-300とかEOS40Dではさほど画像の質は変わらなさそうなので、そこそこ短時間露光のダーク画像をバイアスとしてみました。
 
ステライメージは明らかに引きすぎてS/Nを大きく損ねていることが分かります。
マキシ側はマキシ側で、引きすぎている点は少なくなりましたが、多少、輝点が残っているところもありますが・・
星雲のS/Nはマキシ側に分があると思いますがいかがでしょうか。
少なくとも、その日のダークを使わなくても良いというだけでも大きなメリットだと思いますが・・・
しかし、困ったことが一つあるんですよ。
マキシでデジカメ画像を読み込むと、保存がFitsになってしまいます。つまり、PhotoShop等の優秀な現像ソフトが使えません。
実は昨年の箱根で、をの字さんにAutoOptimizeをRAPに載せて欲しい!とは伝えてありますが、どなたかもっともっと強烈にプッシュしてください~。(まあ、買ってないヤツが言ってもね~ ^^;)
 
まとめです
BIAS画像を得た上で、AutoOptimize機能を使うことで、
・より高精度なダーク減算が実現する(極力マッチングとってくれるわけですから!)
・別の日に撮影した、温度が違うダークでもok。良好な減算結果が期待できる。
・露出時間が違っても、良好な減算結果が期待できる。
・ダークライブラリなど、不要です!偉い人にはそれがわからんのですよ。ダークライブラリで多数枚の平均とっていても、マッチングが本当にとれているか?断じて否である。あえて言おうゴミであると!(はは、言い過ぎ ^^;)
まあ、10分ダークを8コマとかってうんざりだしね~。
実際には過去のダークデータを流用してもマッチングをとってくれますし、マキシ上でライブラリ化もできますので、ダークデータのライブラリ化も悪い方法ではないです。

ただ、AutoOptimizeを使うのが前提であれば、当日ダーク1枚とバイアス画像を撮った方がよほど良いですよ。
露出もその日の最長露出のダークデータだけ取得しておけば短い方は演算でマッチングとれます。

バイアスはそんなにうるさくないので、季節ごとくらいでもいいかと。
個人的には仕事柄、環境試験機でBIASが多少変動するのは知ってるので、せめて夏用、冬用の2種類は用意して欲しいですね。カメラにも依るのかもしれませんが・・・。
ただ、バイアスは枚数は稼いだ方が良いかとは思います。8枚ないし16枚くらいでいいでしょう。短時間露光のダーク画像ですので、まともにダークフレームの枚数を取るよりは圧倒的に楽チンです。

・デジカメでよりよい画像を作るためにも、RAPにもAutoOptimize機能を搭載できるようにみなさんで働きかけて欲しいかも。
 
というところでしょうか?
ね、BIAS撮るといろいろと応用効いていいことありそうでしょ?
 
ところでグレーテルさん、マキシに登録するダークは、別にあらかじめ、BIAS減算しておく必要ありませんよね?
あと、補足がありましたら、お願いします。
素晴らしい機能を教えていただいて本当に感謝してます!
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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コメント

No title

冷たい方程式…ハードSF大好きな私にはビンビン来ちゃいます(^^)

まさに極限を追求する冷たい方程式ですね!
BIASの解説と言うものは本当に少なくあやふやなままでした。こうして図解でご説明いただいて鈍い私にもようやくどういう物か理解できました。感謝します!
ダークフレームをBIASとダークノイズに分ければ温度変化、時間により直線的に変化するダークノイズだけ計算すれば完全にマッチングさせられると言うのはすばらしいです!

デジカメでも明らかに効果がありますね!
私は超短時間のダーク(1/1000秒とか)がいいと思っていたのですが、露出時間によって処理が変わってしまうのですか。白点が出ない程である程度長い露出の方が処理が変らず良いのですね。なるほど、今までの失敗はそこにありそうな気がします。
引きすぎの黒点部分、逆に白点が出ている所、どうしてそれが起きているのか有意差が分かりませんね。ある程度大きなノイズで起きるとしか。カメラの処理エンジンが毎回違った動きをしているのでしょうか?そうだと打つ手無しですね。

No title

申し訳ありませんがいくつかご質問させてください。
1.MaxImでAuto-Optimizeする時は当然前もってBIASを登録するのですね。登録方法を教えていただけるとありがたいです。
2.Auto-Scaleも同じチェックBOXの中にあるのでしょうか?
3.ダークは1枚でいいのですか?突発的なノイズの影響(ランダムノイズ)とか、一枚画像による処理でライトフレーム画像の劣化とかないでしょうか?
4.私も前回BIASを撮って一枚画像では出ていたランダムノイズが8枚加算平均することによって目立たなくなりました。BIASはやっぱり加算平均した方が良いのですね。
5.BIASはあまり変化しないのでしょうか?季節ごとに撮れば十分なのか、それとも毎回ライトフレーム撮影時と同じ状態で撮った方がいいのでしょうか?

長々と申し訳ありません。
知りたくてたまらない事ばかりでしたのでちょっと興奮してしまいました(^^ゞ

No title

utoさんの検証データまで残す姿勢関心します。光害のノイズの方が大きいのであまりダークノイズに関しては気にしなかった(気にして処理しても私のカメラでは大きな差がでない)のですが随分カメラの機種によって影響を受ける物があるのですね。Maximは使用してないですが別の温度や露光時間のダークから推定ダークを作ってくれる機能が在るのですね、素子が違えば熱ノイズの発生比も変化しそうですがなにお基準に推定するのか面白いですね。ダークライブラリー内の異なる温度や異なる露光時間から計算するのでしょうか、可能だとは思いますが、すごくプログラムが重くなりそう。逆に言うとサンプリングダークからダークライブラリーが生成できそう(事前に暇な時に演算しておく)。あとはランダムノイズだけ。零度しか冷却しない私が言うことではありませんがそれで十分かな。Biasもカメラによって癖が在るようですね私も前のバージョンのカメラROMの時と今では大きく変化しています。今は意識しなくてもよくなりましたが以前はひどかった。utoさんのように系統立てて記録を残さないので、と思う程度にしか言えませんね。見習います。

No title

グレーテルさん、ありがとうございます!
やっぱりそうですよね。安心しました。

No title

T-Fixさん、こんばんわ。
BIASですが、個人的な意見としては、BJ-41、ST2K等のインターラインCCD採用機は電子シャッタが働く露光時間だとまずいと思います。
ただ、MaxImDLには、BIAS設定で撮像することができますので、撮影モードをBIASにして撮影させるのが一番だと思います(電子シャッタが働かない最低限の露光時間で取得してくれるかと)
デジカメだと映像エンジンが働くのでこれまた難しいところですが、あまり早いシャッター時間だと内部処理も変わりそうですし、そこそこの時間?1/10秒くらいを目安で撮る分には良いんじゃないかなあ~と思います。

No title

>1.MaxImでAuto-Optimizeする時は当然前もってBIASを登録するのですね。登録方法を教えていただけるとありがたいです。

これは、また今度、ブログにアップしますね~。

2.Auto-Scaleも同じチェックBOXの中にあるのでしょうか?

Auto-Optimizeのタブの中にAuto-Scaleもあります。
でも、グレーテルさんに教えてもらったら、Fitsファイルのヘッダ情報だけを見て伸長してくれるのだそうです。
と、なると実際の画像を見て伸長してくれるAuto-Optimizeに軍配があがると思います。

No title

>3.ダークは1枚でいいのですか?突発的なノイズの影響(ランダムノイズ)とか、一枚画像による処理でライトフレーム画像の劣化とかないでしょうか?

これは仰る通りで、Eチップの様に宇宙線が入るカメラはシグマクリップして、Auto-Optimizeをかけたいです。上の画像でもAuto-Optimizeの下の方のタブにAverageというタブがありますが、ここをSigmaにしするとシグマクリップできます。

教本にあるダークフレームを多数枚取れ、というのは、ひとつはバイアスノイズ・・つまり読出しノイズの平均化、もうひとつは、ホットスポット(白点)を平均化して誤差を少なくする2つの目論見があるのであろうと推察しています。
この場合、読出しノイズはBIASフレームの多数枚合成で解決します。
(これが4の質問にあたりますね。)
もうひとつの白点のばらつきの平均化については、Auto-Optimizeで最適化するわけですから、全くもって不要となりますよね。

No title

>5.BIASはあまり変化しないのでしょうか?
これについては、まともなカメラであれば、大きくは変動しないとは思いますが、カメラによりけりという部分もある気がします。
ただ、そんなに気にしなくても良いとは感じてます。今のところ・・。

ただ、安価なカメラの中には、、例えば、DSIやSAC10,Orionの初代SSDSIは、自分でBIASとGainをソフトから設定しないといけないものもあります。OFFSETの項目はBIASレベルそのものです。
DSIでは問題はまったくないんですが、SAC10や初代SSDSI等では自分でGAINとOFFSETを入力しないとまともな絵が出ない(映像が0以下になってしまって淡い部分が切り捨てられてしまう)ことがありました。ね、ミューさん、GENTAさん。
こういうカメラだと都度、BIASはとった方が無難そうです。

No title

エムティさん、こんばんわ。
確かに、僕も、ダークよりも光害の方が問題かも・・(^^;
でも、記事書いていて思ったのは、AutoOptimizeって、
より高精度でダーク減算させたい場合と、サボって適当なダークでもマッチングとって楽に処理したい場合との2つに分かれるかなあと
思いました。
前者なら、毎回撮影毎に、ダーク1枚(ないし3枚)とバイアス多数撮ることで現実的にもっとも精度が高いダークが撮れそうです。
後者なら、まー前に撮ったのがあるから、それでやってみるかあ・・と楽できる(これがありがたい ^^;)
いずれにしても、超便利機能ですよね

No title

あ、Auto-Scaleは確かに計算なんですが、AutoOptimizeは、ダーク画像と実際のライトフレーム上のダークノイズとの最適化を行ってくれるんです。
どこを見ているのかは?ですが、しかし、実画像と、ダーク画像とを見比べてくれから計算して伸長してくれるので単純な計算だけでダークを作ってるわけではないようです。

No title

はじめまして。T-Fixさんのご紹介で来ました。

実践も含めた詳細な解説ありがとうございます。やはりデジカメでもBIASは考慮すべきだということですね。
ちょうどPixInsightの自動ダーク補正を試してみようと思っていた矢先だったので、大変参考になりました。

しかしE-300でよくもそんな滑らかな画像になるものです。普段撮りはフォーサーズの私にとってはまさに衝撃です……

No title

UTOさんの最初の記事、そしてQ&A、いままで疑問に思っていたこと、MaxIm で今まで知らなかった使用法がいっきにできてきて、感激しております。特に私は非冷却のDSIで撮影しているので、温度管理ができないから、DARK も フラットもその場で撮影していました。だからLRGB撮る時間が少なくなってしまう傾向にありましたが、諦めていました。今回の内容だと、多少温度が違っても補正してくれる機能を知ることができ、ちょっとウキウキしてしまいました。
全く理解できなかったのが、DSIの場合 「 OFFSETがBAIS そのもの」 という内容です。
いつもGAINとOFFSETをいくつにしたら良いのか悩んでますが、理屈がわかったいないので、試行錯誤です。

No title

MaxImDLを持ってないので活用出来ないのですが、結局、「適切な期間毎に適切なダーク(温度と露出時間と枚数)を確保していればそれに越したことは無い」ということで合ってますでしょうか。温度を指定・固定出来ないデジイチや冷却カメラはダーク単発では実際に必要なダークの再現が難いので、「バイアス+ある温度のダーク」があればMaxImDLでダークを再現出来るので、より確実なダークを再現出来るとの理解で合ってますでしょうか?
私にはチョイ難しいです。

No title

かわうさん、はじめまして、こんばんわ。
デジカメでもBIASとOptimizeができるとたぶん、最高だと思うんですよね。E-300の例でも左の画像だとたぶん、開いた穴はクールピクセル除去では修復できませんが、右のOptimizeしたダークで残っているスターノイズは、ホットピクセル除去で容易に除去できて、最終的にコンポジット後に出来上がった画像だと1枚画像以上の差がでると思いますよ。

フォーサーズ、いいですよね~。ほんとはE-1が欲しかったんだけど、ちと高い・・(^^;
評判通り、ダストリダクションが強力でゴミを気にしなくていい点がフラットがニガテな僕としては大助かりです。
あと、MT160だとAPSを満たすのは困難ですが、フォーサーズならなんとか見られそうですから、E-300はかなり気に入っています。
MaxImDLから制御できなかったのが残念かなぁ・・。

No title

Eagleさん、こんばんわ。
DSIでも効果大だと思いますよ。Offsetの値はたぶん、一定にされた方がいい気がします。DSIではOffset値はあんまり心配しないでも良さそうだと思います(自分が使っている限りでは)
逆にGainの方はブルーミングすることから少しあげた方が良いのかな?とは思いました。
Offsetは映像が潜らない範囲で、なるべく低めに設定する。
Gainはブルーミングがしないところまで上げる、がBestです。
が、まあ、あんまり気にしなくてもいいんじゃないかなー。

No title

sora-canさん、こんばんわ。
えっとね、
「適切な期間毎に適切なダーク(温度と露出時間と枚数)を確保していればそれに越したことは無い」
これは少し違って、適切なダークはライブラリでは得られないので、BIASを撮った上で、Darkは最適化した方がいいのではないだろうか・・?というのが今回の趣旨なんです。

>「バイアス+ある温度のダーク」があればMaxImDLでダークを再現出来るので、より確実なダークを再現出来る

はい!これはそのとおりです!!楽できるんですよね~
でも、より精度を求めたい人は、夜明け前に撮影した状態のまま、ダーク1枚(ないし3枚)と、バイアスを得れば、これ以上精度を上げるのはむつかしいだろうと思われる高品位ダーク画像が得られるという点もあると思いますので追求したい人にもOptimize機能は役立つだろうってところなんです。使い方次第なんですが、楽もできるし、より高精度化もできるってところですね。
MaxImDLなくても、フリーソフトのDeepSkyStackerでもできるので、ぜひ試してみて!(で、DeepSkyStackerの使い方教えて ^

No title

UTOさんこんばんは。
1つ1つに丁寧に答えて頂いてありがとうございました!
とても参考になりました。
ダークをコンポジットしなくていいのはAuto-Optimizeで最適化するからだったのですね。
BIASも基本的には変化しないというのも良く分りました。あとは実践で色々試して自分なりのスタイルが出来たらいいなと思います。
ダーク減算の記事もさっそく書いて下さってありがとうございます!
これからじっくり読ませていただきます。

No title

T-Fixさん、ぜひ使ってみてください。
冷却CCDなら、間違いなくおすすめですよ。
デジカメだとRAPフローに載せられないので、後々までの効果まで考えると・・・。RAPでもダークのOptimize機能が備われば、ダークに起因する事柄がずいぶんと軽減されてきて楽になるでしょうが・・・。

ダーク画像はなるべく悪い、というか白点が多く出るものを作ってください。
例えば、同じ日で、5分露出と10分露出で撮影していたら、10分露光のダーク画像を取得しておいて、演算で5分画像のマッチングを取る様にします。
逆も可能ではありますが、伸ばすより縮めた方が精度は高くなると思います。

No title

あ、でもですね・・白点の場合はDarkで美味く引けたとしても、
そもそもDarkカレントだけでRangeを食いつぶしてますから、
Dark減算で黒点になってしまうと思います。
従って飽和に至るようなひどい白点や、0レベルに近いような黒点みたいに、
余りに程度の悪いPixelはFilter処理で周辺に馴染ませるしかないと思います。
Dark減算が有効なのは、比較的低いレベルに収まる漏れ電流分だと言えます。
だから低ノイズのカメラや強冷却は、何物にも替え難いんでしょうね。

No title

グレーテルさん、補足ありがとうございます。
やはり低ノイズのカメラの方がいいですよね。これはSXV-H9を使って本当にそう感じました。
ただ、その反面で、KAF1603MEの超高感度ぶりも、ST8300Mを使っていると強く感じます。体感で明らかに差がありますから・・。
CV-16MEももう少し活用したいとは思っているところです。
ただノイズが多いので悩ましいんですよね・・

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プロフィール

UTO

Author:UTO
子供の頃、図鑑で見たパロマー天文台の天体写真に憧れて、天体写真を初めて幾星霜・・
デジタルカメラの進歩によって、当時のパロマ天文台の写真を超える天体写真がアマチュアでも撮れる時代になりました。

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