月惑星撮影システム 2016 ver.
1．月惑星のスタッキング撮影法とは 2016.4
惑星を動画で撮影し、膨大な画像を位置合わせして1枚の画像に合成（stack)すると、大気や望遠鏡内の気流による時間的・空間的な不規則な乱れを平均化した「理想的にボケた像」を得ることができます。これを数学的な処理で元の鮮明な画像に復元する、というのがスタッキングの考え方です。考え方はともかく、実際にそれを行うには、まさに「いたれりつくせり」のフリーウェアがネット上に用意されています。そして、ハードウェアとしてのカメラもソニーの最新カラーセンサーの登場で、煩雑なフィルタ交換による三色分解も必要ないほど高感度になりました。こうなればその世界に踏み込まない手はありません。費用対効果も過去では考えられないほどリーズナブルです。
この手法は2003年火星の「世紀の大接近」の頃に、フィリップス社のwebカムによる動画撮影と革新的なソフトウェアRegistaxによるスタック→ウェーブレット処理法が確立して以来、アマチュア惑星写真界に浸透しました。私は天邪鬼なので、1994年に大枚を叩いて買った冷却CCDによる三色分解撮影に固執していたので、なかなか手を出す機会を失っていたのです。その冷却CCDカメラ（Lynxx2000)もとっくに朽ちてしまいました。時代に合った機材に手を出す旬がきました。
2．カメラ ZWO ASI224MC
センサー1/3型
CMOS IMX224LQR
有効画素数1304
(水平) × 976 (垂直) 約127万画素
ピクセルサイズ3.75μm
保護フィルターAR(Anti-Reflection
反射防止)フィルター
ソニーの技術紹介データはこちら
http://www.sony-semicon.co.jp/products_ja/new_pro/october_2014/imx224_225_j.html
ソニーは「暗闇でも鮮明なカラー動画を得ることができる」と主張しています。すごいことです。この優秀なCMOSセンサーを天体カメラに仕立ててくれているのが中国のメーカーZWO社。ニッチな惑星撮像に最適なカメラと、周辺アクセサリーを精力的に、そして安価に開発してくれているメーカーです。驚くべき高感度のカラーイメージングで、惑星撮影者の標準機となったようです。
3．フィルタの選定
上記データによれば、赤外域（特に850nm以上）まで感度が伸びており、しかもそこのRGBの感度がそろっているので、赤外領域を撮影する場合は「赤外モノクロカメラ」として活用することができます。逆にこれだけ赤外感度があると、「通常のフルカラー撮像」の際にはきちんとしたIR、UVカット特性を持ったフィルタが必要となります。よってASI224MCに標準設定のフィルタは赤外域を活用してもらう意図で単なる反射防止（AR）フィルタですから、入れ替えるか、重ねてIR/UVカットフィルタを用いる必要があります。
そこで新たにUAIBR‐Ⅳを入手しました（31.7㎜）。
一方、ZWO社も独自のIR/UVカットフィルタ（カメラ組み込み用）をリーズナブルに用意してくれていています（2000円程）。これはZWO社の通常のカラーカメラに組み込まれているものです。（下図）
IDAS製よりも紫外側が若干狭いのですが、このあたりはカラーバランスとの兼ね合いでどちらが良いということは簡単には判断できません。ASIカメラのフィルタ換装はかなり「アバウト」※なので、どうするか考えてみます。要は本来のセンサーの持つ分光特性との兼ね合いです。 ※太いOリングで押さえつける方式なので、やや不安定というか、位置が定まらないというか・・。
下の画像はARフィルタのみの画像とUAIBR‐Ⅳフィルタの比較画像です。ARだけでは赤外領域の「漏れ」で妙な色調（ほとんど色差がない）なのが明らかです。実質モノクロ画像に色をつけたのと変わりません。 一方UV/IRカットフィルタを用いると、普通のフルカラー画像となって、火星の雲もきれいに撮影できます。（左：ARのみ、右：UAIBR‐Ⅳ+ADC）
4．拡大光学系
フィルム時代はそれこそ強拡大する(フルサイズフィルムに写しとる）ために、数mmの焦点距離のアイピースを用いた拡大法が主流でしたが、小さな撮像素子時代となって高倍率のバーローレンズを用いた拡大光学系が主流になりつつあります。実際に使用してみたのですが、私の望遠鏡（口径19cm 焦点距離1600mm）では5倍のバーロー系（エクスプローラーサイエンティフィック社製フォーカルエクステンダー）を用いると木星や土星ではほぼ適正、小さな火星はやや拡大率不足といったところです。上の火星画像は上下左右とも300ピクセルなので、実質火星直径に費やしているピクセルサイズは180ピクセル程度。本来の撮像素子のサイ1304×976のわずかな領域しか使っていないことになります。ちなみに撮像素子の「ゴミ問題」の立場からいえば、ごみの目立たない領域で撮像できるメリットはあるのですが(^^;)。
改めて正負の拡大光学系の拡大撮影の模式図を作ってみました。
今では各光学系ともいろいろな工夫がなされているので、この図のような単純な話ではありません。特に、バーローレンズ系の拡大レンズの性能は進歩しています。90年代頃の日本の正の拡大光学系も捨てたものではないとは思いますが、実際の像質で判断するしかありません。まだまだ実験・検証不足です。
それぞれの実際のセッティングはこんな感じになります。
①アイピース拡大
懐かしのツアイスサイズ（24.5mm径）の拡大撮影用レンズ達です。pentaxが2本（XP-24と8)、タカハシも2本(PJ-20,NP-12)。
このうち現代の惑星拡大に適合するのは左側2本でしょう。
②バーローレンズ系拡大
31.7㎜スリーブの3段積み重ねです(^^;)。いずれにしても、写りの違いを実際に確かめてみる必要がありますが、すでに気になる点もあります。それは倍率の色収差が取りきれていないことです。例えば、上記写真の組み合わせで撮影した土星を詳しく見てみると・・（2016/6/5撮影）
かなりよく撮れていると思います。衝の直後のため、環が白くが輝いています。ただよく見ると例えばB環に外側に赤、内側に青色の色ずれ、いわゆる倍率の色収差がわずかに見て取れます。私は月面の微妙な色合いの違いにも興味があるのですが・・
この画像は彩度をやや強めているので、たとえば明るいアリスタルコスクレーターの画面中心側には青、外側には赤の色ずれが見られます。これが除去できないと、拡大撮影で月面の色調を詳しく見ることはできません。改善の余地があります。（×5 focalextender使用）
5．動画記録速度の改善と実験結果 2016.7.19, 2016.12.23追記
ASI224MCはUSB3.0接続カメラですが、AVI動画(無圧縮)をキャプチャーする場合、記録速度が追い付かないといわゆるカクカク動画となってしまいます。実際にやってみるとHDへの書き込み速度が全く足りておらず、しかも速度が安定しません。惑星キャプチャー用に使っているPCは、普段使いのノートPCレッツノートCF-SX3。普通の作業では比較的安定してサクサク動くPCですが、惑星高速キャプチャーにはHDの能力が不足しています。
そこで 対策をネットで情報収集すると・・
１．HDをSSD化する。
2.メモリの一部をＲＡＭディスク化する。
などが紹介されています。1.のSSD化にも興味があるのですが、現状で16GBまでメモリを増設をしているので、高速で追加投資の必要がない2．を試してみました。
PC: Panasonic CF-SX3, Intel CORE i5, Memory onboard 8GB+ 拡張8GB=16GB (内蔵メモリを4GB →8GBに改造）
積んでいるメモリ16GBのうち8GB分をRAMディスク化し、キャプチャーソフト(firecapture2.5b)の動画保存先に指定したところ、ほとんど駒落ちせずに動画が保存できました。大変有効な方法です。ただし、1回の撮像であっというまに2-3GBのファイルサイズとなりますので、都度HD等に移動する必要があります。
使用したソフト： QILING Disk Master Free http://www.idiskhome.com/index.php/main/download
Ram DiskのON/OFや、設定容量がとても簡単です。他にもいろいろ機能がありそうですが、よくわかりません(^^;)
RAMDiskへの 割り当てサイズは、2のべき乗(512,1024,2048,4096,8192 ..etc. MB)を入力します。
・・・と書いてきたのですが、RAMDisk書き込みでも追い付かないケースも出てきて、きちんと検証しないといけません。
●HD書き込み速度の実験 (2016.12）
FireCaptureで記録する際の選択肢は以下の項目があります。
①ファイルの種類 AVI / SER
②画像形式 RAW(べイヤー配列のまま) / RGB(Debayerにチェックを入れた場合)
③階調 8bit/16bit(SERのみで選択可能)
④ROI (Region of Interest - 対象領域 = 要するに撮像範囲を限定できる）
そこで 簡単な書き込み速度の実験をしてみました。
・Camera：ZWO ASI 224MC
・撮像時間：30seconds
・ROI：off(最高解像度1304 x 976)
・PC：Panasonic CF-SX3 16GB RAM HDに書き込み
| シャッタースピード | ファイル形式 | RAW/RGB | フレーム数 | FPS実測 | FPS理想 | スコア | 実ファイルサイズ(GB) | 1フレーム当たり(MB) | 比 |
| 10ms | AVI | bayer(RAW) | 2992 | 99.7 | 100 | 100% | 3.719 | 1.24 | 1 |
| debayer(RGB) | 1292 | 43.1 | 100 | 43% | 4.817 | 3.73 | 3 | ||
| SER | bayer(RAW) | 2999 | 100.0 | 100 | 100% | 3.727 | 1.24 | 1 | |
| debayer(RGB) | 1232 | 41.1 | 100 | 41% | 4.593 | 3.73 | 3 | ||
| SER 16bit | bayer(RAW) | 1775 | 59.2 | ※60 | 59% | 4.412 | 2.49 | 2 | |
| 20ms | AVI | bayer(RAW) | 1501 | 50.0 | 50 | 100% | 1.866 | 1.24 | 1 |
| debayer(RGB) | 1202 | 40.1 | 50 | 80% | 4.482 | 3.73 | 3 | ||
| SER | bayer(RAW) | 1501 | 50.0 | 50 | 100% | 1.866 | 1.24 | 1 | |
| debayer(RGB) | 1313 | 43.8 | 50 | 88% | 4.896 | 3.73 | 3 | ||
| SER 16bit | bayer(RAW) | 1500 | 50.0 | 50 | 100% | 3.729 | 2.49 | 2 | |
| 50ms | AVI | bayer(RAW) | 601 | 20.0 | 20 | 100% | 0.747 | 1.24 | 1 |
| debayer(RGB) | 601 | 20.0 | 20 | 100% | 2.241 | 3.73 | 3 | ||
| SER | bayer(RAW) | 601 | 20.0 | 20 | 100% | 0.747 | 1.24 | 1 | |
| debayer(RGB) | 601 | 20.0 | 20 | 100% | 2.241 | 3.73 | 3 | ||
| SER 16bit | bayer(RAW) | 601 | 20.0 | 20 | 100% | 1.494 | 2.49 | 2 |
※IMX224LQRの最大解像度での読み出し速度は8bitで120fps、12bitで60fps。
結果からみると、実際の記録速度に影響するのは1フレームあたりのファイルサイズ（右から2列目）であり、シャッタースピード（1フレームの露出時間）を10ms（1/100秒）に設定した場合の理想の速度は100fps(毎秒100フレーム）ですが、実際それに近い速度が出たのはAVI/SERにかかわらずRAW形式、すなわちべイヤー配列で記録した場合です。「Debayer」にチェックを入れると普通のRGBのカラー動画が記録できますが、1フレーム当たりのファイルサイズは3倍となり、その分記録速度が低下しています。16bit記録の場合はCMOSの読み出し速度がボトルネックとなっているようです。RAMDisk書き込みでほとんど差がないことから、むしろカラー化処理にCPUの処理速度が追い付いていないのかもしれません。シャッタースピード50ms(1/20秒)、20fpsならどの形式で保存しても最高速度が出ています。このあたりはPCの能力によって大きく差が出る部分かもしれません。
とりあえず高速シャッターで記録速度低下を気にせず撮像したい場合は、「Debayer」のチェックを外せばよいことがわかります。ピント合わせや、ADCで色ずれ補正をする際にはチェックを入れてカラー画像でモニターしながら調節した後、撮像直前にチェックを外すのが良い。ファイルサイズも1/3となるので、保存ディスク領域を節約できます。ROIで撮像範囲を限定すればさらに余裕が出ます。
スタッキングソフト(Autostackkert!2)側では、ファイル形式を自動で認識してくれるので、RAW/RGBに関係なくカラー画像としてスタック作業可能です。ただし、RAWの場合は一時的にカラー化したファイルを形成するので、処理時間が余計にかかります。
６．バーロー拡大光学系の改善 （5ｘ パワーメイト導入） 2016.7.24
倍率色収差の改善目的に、いわゆるバロー系光学系では歴史のあるテレビューの製品パワーメイト５倍を試してみることにしました。このモデルは惑星イメージングに対応すべく、モデルチェンジがなされています。スリーブ部分を外し、そこにT-RINGアダプタ（42mm P0.75)が装着すると、そのままADCと直結できます。
バーローレンズ系の場合、レンズ系から撮像面までの距離に比例して拡大率が増すものや、それほど変わらないもの（テレセントリック）などいろいろあるようです。拡大率はともかく収差（特に倍率の色収差）の度合いについて、仮にアイピース直付け位置で最良となるように設計されているのであれば、スリーブ分割可能で撮像面の位置がそれほどアイピースと変わらないセッティングができる現行のパワーメイトに期待です。
ところでこのテレビュー製品はMade in Japan。やや高価ですが、スリーブの切削やメッキの緻密さ、光学系の黒染め、内部の塗装に至るまで、中国製品との違いを（像質はさておき）感じました。さて結果はどうなるやら。ずいぶんとコンパクトにまとまりました。
あとは早く梅雨があけて安定した気流がやってくるのを願うのみです。
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木星のシーズンが始まったので上記の構成で早朝に撮影してみました。気になる倍率の色収差は感じられません（衛星まわり等）。シーイングはよくないものの、そこそこ撮れてしまうのがすごいところです。眼視ではこれほど見えていない。
↓ハドレー谷。パワーメイト5倍で撮影。これでも彩度アップした「カラー写真」ですが、特に色収差は感じられません。2017.01.07
↓アルフォンスス これもかなり彩度アップした画像。暗斑の小クレーターからの噴出物はやや暖色系なのがわかる。
併せて口径19cmの回折限界なのかとも感じるところです。
powermate 2.5xで撮影(2017/02/04)
月面撮影には５倍は大きすぎの感があったので2.5倍を調達して撮影。やや倍率色収差がありますが解像感はちょうどよい。
アルフォンスス
ヒギヌス谷周辺
アルプス谷の中央微細谷
木星画像としてはこれまで最良の解像度。19cmでもここまでは行ける。
気流が悪いときはこんなものですトホホ。（南が上ですごめんなさい）
