動画による惑星画像と
   PHILIPS ToUcam PROの衝撃

              (2004年3月記)

 ここ4年ほど、ビデオ画像から良像抽出による惑星画像の最適化を探ってきたのですが、2002年の秋ごろからWebCam PHILIPS ToUcam PROが惑星写真界に衝撃を放ちました。

 動画とWebCam(簡単に言えばパソコンを使って英会話しているカメラ)との関わりを含めて話が始まります。

1)PHILIPS ToUcam PRO

 ビデオ画像から抽出された良像を数百枚からコンポジット(最近ではスタックとも言うが)する事によって得られた惑星像を画像復元処理すると、今までとは信じられないほどの詳細な姿を見せてくれることがわかってきました。パソコンの発達により、これらの処理作業がそれほど負担無く行えるようになってきました。
 VHSテープのコマ送りキャプチャから始め、デジタルビデオカメラからパソコン編集と進化して、少なくとも銀塩時代の画像よりはるかに詳細な惑星が写るようになってきました。
 そして、2002年は2003年の火星大接近に向けて、より良く写る動画機材を探していました。
 デジタルビデオではソニーのVX2000とTRV900の比較、キャプチャーボードの比較、そして、最初のWebCamはロジクールのQuickCam Pro 3000をテストしました。

 QuickCam Pro 3000は日本国内ではどこのパソコン売り場でも置いてる商品で、インターネットでも天体写真用に改造記事がたくさん紹介されていました。

 結論から言うとQuickCam Pro 3000は画像の圧縮率が高く、強い画像処理をすると升目状のブロックノイズが現れ、これを消すことができませんでした。

 感度的には悪くはなく、月なども十分に写っており、ペルチェ素子による冷却テストまで行い、高速シャッターでもわずかにノイズが下がることまで見届けましたが、実際の使用には至りませんでした。
 現在ではQuickCam Pro 4000が後継機として販売されていますが、同じ状態かどうかはテストしていないのでわかりません。

 2002年12月、
ToUcam PROで撮影された土星像が香港の Eric Ng さんから送られてきました。
 それは25cmで撮影されたものですが、解像度は60cm+DVをも越えていたのです。
 そして2003年に入ると、シンガポールの Tan Wei Leong さんが矢継ぎ早に高解像度の木星・土星を公開し始めました。  年が明けるとVX2000を買おうかと算段していたのですが、 ToUcam PROの画像を見ると、これをテストしてからにしようと思いとどまったのです。

 インターネットで調べると、日本フィリップス社はコーヒーメーカーなどの家電品は販売しているのですが、WebCam を日本国内では販売していませんでした。
 世界中のインターネット検索で調べてみると、すでに生産中止になってるらしく、カタログにあっても在庫なしのショップが多く、やっと見つけたのがアメリカのポケットスコープ社でした。
 安売り量販店では$65ぐらいでしたが、ポケットスコープ社では$82と少し高かったのですが、ラストオーダーのフレーズに引き込まれ発注しました。送料込みで最終的には¥14000ほどになりました。インターネット通販で、もちろんカード払いです。
 発注から1週間で到着した現物は、ちっちゃくてオモチャみたいなものでした。
 もともと WebCam は、デジカメみたいに高級感がないのですが、それにしても、かわいらしくて本当に惑星がよく写るのか不安が先に立っていました。
 このころはまだ日本国内でToUcam PROを使っている人は表に出て無くて、インターネットで外国の情報を探し回りました。
 もちろん英文ですから翻訳ソフトの力を借りてぼつぼつと使い方を理解しましたが、細かいニュアンスは自分で確かめるしかありませんでした。

 特徴を並べてみると

1、最低被写体照度が1ルクス・・・感度が高い。

相対的な比較ですが、DV ソニーのVX2000(最低被写体照度4ルクス)よりも感度は上。

2、パソコンへUSB1を通してデータが送られるが、圧縮率は低く、そのためのノイズは少ない。

フレームレートによって圧縮率が変化し、640×480ピクセル(VGA)において5fps = 圧縮ノイズ小、30fps = 圧縮ノイズ大(解像度が落ちる)

 

 ToUcam PROの、パソコンモニター上の映像は、感度があっても、画像圧縮ノイズも多少あり、見た目には高解像度の印象はなく、DV映像の方が明らかにモニター上の解像度は上でした。

 しかし感度が高い分だけ大きく拡大できるので、最終的にはできあがった画像で勝負する事になります。

 結論から言うと、ソニー DCR−VX2000とPHILIPS ToUcam PROは対等の勝負ができる能力を持っていました。もちろんこれは望遠鏡を通して惑星を撮影することにおいてです。

 VX2000は¥30万、ToUcam PROは¥1.4万とコストパフォーマンスを考えると ToUcam PROの勝利となります。よって、VX2000の購入計画はご和算となってしまいました。

 

2)動画からコンポジット

 今、惑星写真界はPHILIPS ToUcam PRORegistax と呼ばれる、動画から良像抽出+コンポジット(スタック)+ウエーブレットによる画像処理ができるフリーソフトが世界中で認識され使われています。

 わずか4年程前に始めたころは、動画から1枚1枚の静止画を切り出すだけでも大変で、相談できる人もなく試行錯誤の繰り返しでした。ほんとに便利になったものです。

 ところがどっこい?私は余りRegistax を信用していないのです。

 特に画像の重ね合わせ(スタック)において、どうも私の試行では単純計算の輝度重心による合成の方が解像度が高いのです。

 RegistaxFFT(フーリエ関数によるパワースペクトル)により良像の判断、位置あわせを行っているようなのですが、時によってRegistaxでは上下方向にずれたスタックをすることがあり、画面内で動き回る惑星を追いかけるのは不得手のようです。

 現在私はVisual BASICで自作したソフトを使って動画(AVI)ファイルから良像抽出+コンポジット(スタック)まで自動化しています。

 良像抽出は惑星のエッジの傾きを判定するだけの単純計算で、ボケた画像を選んだりもしますが、何とか実用範囲と思っています。

 判定条件を増やせば、もう少し良くなるかもしれませんが、計算時間がこれ以上増えるとVisual BASICでは時間がかかり過ぎて待ちきれなく?なってしまうので諦めています。

 2003年の火星を始めるまでは、目視による良像抽出を行っていましたが、動画の量が増えると時間がかかり過ぎて諦め、ここぞの時にだけ目視抽出することにしました。

 画像処理はアストロアーツ社のステライメージを使い、画像復元処理の一つ、最大エントロピー法を多用しています。

Registaxのウエーブレット画像処理は多段階アンシャープマスク?のようなもので、良くできてはいますが、画像復元処理には勝てません。

○左画像最大エントロピー法による        ○右画像レジスタックス・ウエーブレットによる

3)私のPHILIPS ToUcam PROの使い方(主に火星)

     望遠鏡のF数 20cmではF84と高拡大を行い、ソフィア堺天文台の60cmではF30又はF40を使っている。

     ToUcam PRO のケースは白い卵型から基盤ごと取り出し別のプラスチック製のケースに入れ、ミノルタレンズの後キャップをねじ止めして使っています。

     CCDはオープンケースに入れているとほこりが付きやすく、黒いしみのように画面に出てきます。国際光機のオプチクリーンをCCDチップの上にしっかりと塗り、しっかりと固まるまで待って剥がすときれいに取れます。しかし、これは頻繁にできないので、最近では綿棒を使っています。綿棒を直接CCDチップに当て、少し力を入れながら一方向にスクイーズすると取れます。決して往復させてはいけない。エアーダスターなどを使っても取れないことが多く、悪いときにはゴミが増えてしまう。

     ゲインはマニュアルゲインで20cmの場合、ほぼ最大に近い90〜95%で、60cmで60〜80%になっています。ノートパソコンの液晶モニターなどで録画輝度を見る場合、アンダーだと見掛けは良いのですが、画像処理すると色縞が現れてがっかりする。オーバーだと後から救うことはできない。

     サチュレーション(色濃度)は最大にしている。ガンマ、ブライトは中間、ホワイトバランスは最初オートにチェックを入れ、落ち着いたところでチェックをはずしている。マニュアルスライダーは大きく色合いが変化するので使っていない。どちらにしても色合いは変化すると考えた方が良いので、厳密な固定は不可能に思え、自然色の再現は無理でしょう。

     ゲインを上げると青色チャンネルに縦縞ノイズが激しく現れるので、画面内で火星像を望遠鏡のコントロールで赤経方向に振っている。つまり火星像が左右に行ったり来たりしています。

     シャッター速度は20cmでは1/25秒、60cmでは1/50秒。ToUcam PROのフレームレートを5fpsに設定し、ゲインをオートにするとシャッター速度が1/5秒になる。表示には出ないがどうしても暗いものを撮影するときは利用できます。

     画像サイズはVGA(640×480ピクセル)で最大能力を発揮する。ただ、OSにWinndows-XPを使う時だけだが、CIF(388×240ピクセル)が ToUcam PROのドライバーソフトのバグでトリミングモードになります。つまり、解像度を落とさずに動画ファイルのサイズをコンパクトにできるので、このサイズの中に火星が入れば使用しています。他の小さなサイズは画面全体が小さくなり、惑星像も小さくなります。

     フレームレートは圧縮ノイズによるボケと、得られる画像数の兼ね合いで10fpsを使い120秒の録画時間で1200フレームを得ている。

     1200フレーム×4本の動画を基準とし、シーイングがそこそこの時は、そのうちの4000枚を合成して1枚の画像を得ている。シーイングが悪いときは半数の2000枚にして画像を得ている。

     赤外カットフィルター(赤外ブロッカー)は外しておくと、CCD感度が赤外分の光量を感じて高くなるが、火星では青色光に際立った違いが写らなくなるので水蒸気の雲が見えにくくなる。雲の観測には必要だが、火星面の模様は赤外光になるほど詳細が写るので、どちらを選ぶかは状況による。外した時には大気の色分散による火星像の色ずれを小角プリズムなどで補正しておかないと、青色プレーンの火星が2重に写ることになる。木星や土星で火星ほどの大きな違いは生じない。

     大気分散の補正のために小角プリズムは必要で、特に高度が30度から40度ぐらいしかない火星に対しては絶対と言えるものであった。フォトショップなどの画像処理でRGBプレーンを動かせばすむと思っている人も多いが、高解像度になるほど撮影時に補正しておかないと良像は得られない。


・ ToUcam PROからUSB1で録画するパソコンは主にノートパソコンで、火星のために買ったアスロンXP-2200+ですが、録画だけだともっと遅いパソコンでも可能です。セルロンの450MHzではいけますが、ペンティアム200MHzでは表示が間に合わなくて取りこぼしが相次ぎ、諦めました。

画像処理用パソコンは速い方が良い。Registaxの処理は速いですが、オートオプチマイズなどを選択するとものすごく時間がかかります。自作ソフトは最初から遅いのが分かっていますから、デスクトップパソコンをアスロンのXP2500+ に替えたうえ、オーバークロックで3200+ 相当として使っています。ステライメージの最大エントロピー処理でも余り待たずに処理ができます。パソコンのメモリは、動画から直接合成すると余り必要ではありませんが、フォトショップとイラストレーターとステライメージ等々を同時に立ち上げる時のためにデスクトップパソコンではメモリを1ギガバイトにしました。数百枚以上の静止画を作って合成しようとするときはメモリを必要とします。

     外部ハードディスクはデータの保存に必要で、1200フレームの動画が約500メガバイトもありますので、一晩で20本ぐらいは撮ることもあって10ギガバイトのハードディスクを消費します。大容量のハードディスクでもあっという間に満杯を迎えます。この夏、火星だけで160ギガバイトのハードディスクを3台買いました。ハードディスクとの接続は、USB1ではギガ単位のファイルコピーには猛烈に時間がかかるので(時間単位)、USB2かIEEE1394でつなげるモノにしています。データの移動はIEEE1394が一番速くて分単位で行えます。USB1では撮影時間よりもコピー(ファイルの移動)の方に時間がかかることになります。

     扇風機&ファンは筒内気流やベランダ気流など惑星観測には必需品です。

    上写真は30cm扇風機と8cmUSB電源可能なパソコン用ファンです。 30cm扇風機は日中ぬくもったベランダや夏場のエアコン室外機の熱風を望遠鏡から遠ざけるために購入した物です。

 

 2003年の火星大接近は、望遠鏡が20年前の物ながらTP2415やそれ以前の銀塩に比べ、はるかに良好な火星像が得られました。

 また、デジタルビデオで養った感覚がPHILIPS ToUcam PROでの撮像に大いに役立ちました。

 動画から得る惑星像はまだ進化するかもしれません。

 鋭眼の惑星観測者たちが垣間見ていた高解像の惑星像を今の技術によって誰でもが得られるようになってきました。

 ほんとに楽しくなってきました。