白 色 光 コロナ 画 像 のデータ 処 理 ~アマチュアによるコロナ 測 光 観 測 の 成 果 と 課 題 + 画 像 を どのように 重 ねて 画 像 処 理 の 元 画 像 を 作 るか~ 花 岡 庸 一 郎 ( 国 立 天 文 台 ) 2012 年 11 月 日 食 のパームコーブでの 様 子

白 色 光 コロナの 広 ダイナミックレン ジ 高 S/N 画 像 研 究 用 の 目 的 :コロナの 正 しい 明 るさの 分 布 を 求 める コロナ 物 質 の 量 とその 分 布 を 求 める 必 要 なデータ: 多 段 階 露 光 画 像 のコンポジット 目 で 見 たコロナ を 再 現 するにも 必 要 観 測 方 法 : 多 段 階 露 出 でコロナの 画 像 を 撮 影 デジタル 一 眼 レフの 使 用 が 最 も 現 実 的 アマチュアによる 観 測 が 有 用

データの 取 得 2009 年 以 来 白 色 光 コロナの 輝 度 を 求 めるため アマチュアの 皆 さんにも 観 測 を 呼 びかけ 普 通 の 撮 影 に 加 え 較 正 用 データを 合 わせて 撮 って もらい 科 学 的 解 析 に 使 えるデータとする 2009 年 の 結 果 は 論 文 発 表 済 2012 年 11 月 日 食 のデータをお 借 りした 方 マリーバ 坂 井 さん ぱしふぃっくびーなす 大 越 さん 中 澤 さん 塩 田 さん いずれも 多 段 階 露 光 の 多 数 の 画 像 を 重 ねて 処 理 したもの

基 本 データ 処 理 の 手 順 2012 年 日 食 等 にお ける 実 際 のデータ 処 理 についてお 話 しします マリーバ ぱしふぃっく びーなすの 比 較 ぱしふぃっくびーなす マリーバ 約 35 分 の 差 NASA 日 食 ウェブページより

多 段 階 露 光 画 像 のコンポジット 処 理 等 データ 処 理 の 内 容 1. ダーク フラット 処 理 2. 位 置 合 わせ 太 陽 像 が 動 くような 場 合 ( 特 に 船 上 )でも 画 像 を 正 しく 重 ねるため 後 でスケール 方 向 合 わせも 3. 露 出 時 間 と 非 線 形 性 の 補 正 いろいろな 露 出 時 間 の 画 像 それぞれについて 正 しいコロナ 画 像 を 再 現 4. 画 像 の 重 ね 合 わせ 5. コロナの 正 しい 明 るさを 求 める

多 段 階 露 光 画 像 のコンポジット 処 理 等 データ 処 理 の 内 容 1. ダーク フラット 処 理 2. 位 置 合 わせ 太 陽 像 が 動 くような 場 合 ( 特 に 船 上 )でも 画 像 を 正 しく 重 ねるため 後 でスケール 方 向 合 わせも 3. 露 出 時 間 と 非 線 形 性 の 補 正 いろいろな 露 出 時 間 の 画 像 それぞれについて 正 しいコロナ 画 像 を 再 現 4. 画 像 の 重 ね 合 わせ 5. コロナの 正 しい 明 るさを 求 める

1.ダーク フラット 処 理 画 像 を 重 ねるために 各 撮 像 画 像 をカメラへの 入 射 光 量 に 戻 す 画 像 はRAWで 記 録 されていることが 前 提 カメラによる 自 動 処 理 を 極 力 避 ける RAWデータ = 非 線 形 応 答 関 数 ( 係 数 入 射 光 量 露 出 時 間 フラット)+ダーク 係 数 は 空 の 状 態 装 置 の 特 性 ( 光 学 系 透 過 率 や ISO 感 度 設 定 など)などで 決 まるデータセットごとに 固 有 の 値

ダークとフラット ダーク: 入 射 光 量 0で 得 られる 画 像 RAWデータでは 光 量 =0でも 必 ずしもデジタル 値 =0 ではない 特 にキヤノンはデジタル 値 1000~2000のオフセッ トがある 実 際 の 観 測 では 遮 光 した 状 態 でいろいろな 露 出 で 多 数 撮 影 フラット:カメラ 自 体 の 感 度 ムラ 光 学 系 のけ られ ホコリに 起 因 するむら 実 際 の 観 測 では 均 一 な 光 源 を 撮 影 する 必 要 が あるが 同 じ 光 学 系 で 空 を 多 数 枚 写 すのが 現 実 的

ダーク フラットの 例 坂 井 さんのCanon EOS KissX2 ダーク フラット

別 のパターンのフラット 偏 心 したフラットの 例 ( 大 越 さんCanon EOS Kiss X3)

フラットフィールド 補 正 ができなか った 例 反 射 望 遠 鏡 における 問 題 ( 中 澤 さんCanon EOS 5DMkII 高 橋 16cm 反 射 ) 2012 2009 年 日 食 におけるフラット きれいな における 同 じ 光 学 系 でのフラット 対 称 的 分 非 布 対 に 称 見 に えるが コロナ 見 えるが 正 しくフラット 画 像 に 適 補 用 正 すると ができた 明 るさの 分 布 がおかしい

多 段 階 露 光 画 像 のコンポジット 処 理 等 データ 処 理 の 内 容 1. ダーク フラット 処 理 2. 位 置 合 わせ 太 陽 像 が 動 くような 場 合 ( 特 に 船 上 )でも 画 像 を 正 しく 重 ねるため 後 でスケール 方 向 合 わせも 3. 露 出 時 間 と 非 線 形 性 の 補 正 いろいろな 露 出 時 間 の 画 像 それぞれについて 正 しいコロナ 画 像 を 再 現 4. 画 像 の 重 ね 合 わせ 5. コロナの 正 しい 明 るさを 求 める

2. 位 置 合 わせ カメラ 画 像 上 で 皆 既 中 に 太 陽 像 が 動 く 画 像 を 正 しく 重 ねるためには 像 の 動 きを 補 正 す る 必 要 がある 船 上 での 観 測 で 画 像 が 動 く 場 合 だけでなく 地 上 の 観 測 でも 必 要 トラッキングが 不 完 全 極 軸 合 わせやトラッキング 速 度 の 誤 差 RAWデータ = 非 線 形 応 答 関 数 ( 係 数 入 射 光 量 露 出 時 間 フラット)+ダーク の 非 線 形 応 答 関 数 や 露 出 時 間 の 誤 差 も 求 める 必 要 があるが このためにも 露 出 の 異 なる 画 像 の 比 較 が 必 要 なので まず 位 置 合 わせを 行 う

位 置 合 わせの 手 法 まず 月 の 位 置 を 自 動 検 出 し その 位 置 合 わ せを 初 期 状 態 とする その 後 でコロナ 部 分 の 構 造 を 使 って 位 置 ず れ 方 向 ( 回 転 )ずれを 検 出 基 準 画 像 との 差 分 が0に 近 くなるずれ 量 を 探 す

位 置 合 わせ 基 準 画 像 と 位 置 合 わせをする 画 像 の 差 指 定 領 域 ( 四 角 ) 内 の 差 が 最 も 小 さくなるようなずら し 方 を 探 す 月 を 基 準 に 大 体 の 位 置 合 わせをした 状 態 コロナの 構 造 の 位 置 が 合 うようにずらして 重 ねた 状 態

多 段 階 露 光 画 像 のコンポジット 処 理 等 データ 処 理 の 内 容 1. ダーク フラット 処 理 2. 位 置 合 わせ 太 陽 像 が 動 くような 場 合 ( 特 に 船 上 )でも 画 像 を 正 しく 重 ねるため 後 でスケール 方 向 合 わせも 3. 露 出 時 間 と 非 線 形 性 の 補 正 いろいろな 露 出 時 間 の 画 像 それぞれについて 正 しいコロナ 画 像 を 再 現 4. 画 像 の 重 ね 合 わせ 5. コロナの 正 しい 明 るさを 求 める

3. 露 出 時 間 と 非 線 形 性 の 補 正 いろいろな 露 出 時 間 の 画 像 それぞれについて 正 しいコロナ 画 像 を 再 現 RAWデータ = 非 線 形 応 答 関 数 ( 係 数 入 射 光 量 露 出 時 間 フラット)+ダーク 非 線 形 応 答 と 露 出 時 間 の 誤 差 はあらかじめ わからないので データそのものから 推 定 す る 位 置 合 わせを 行 うと 同 じコロナを 写 している はずの 異 なる 画 像 間 の 比 較 が 可 能 になる

非 線 形 応 答 関 数 と 露 出 時 間 の 誤 差 異 なる 露 出 時 間 の 画 像 (ダーク フラット 処 理 済 み) を 1 秒 あたりの 入 射 光 量 に 直 すため 露 出 時 間 を 補 正 する( 坂 井 さんの 画 像 /Canon EOS7D) 露 出 が 長 すぎて 飽 和 しているところは 見 かけ 上 暗 く 見 える 短 時 間 露 出 長 時 間 露 出

名 目 上 の 露 出 時 間 を 使 って 単 純 に 補 正 した 結 果 飽 和 していな い 部 分 では だいたい 重 な っているが 少 しずれてい る このまま 画 像 を 重 ねる と 境 目 に 段 差 ができる 短 時 間 露 出 長 時 間 露 出

異 なる 露 出 時 間 の 画 像 間 の 比 比 が1にな らず 誤 差 が 生 じてい る 露 出 が 長 い ほど 明 るく 写 っている 入 射 光 量 が 正 しく 再 現 されていな い 長 い 方 の 露 出 / 短 い 方 の 露 出 の 比

誤 差 の 原 因 カメラ 内 の 入 射 光 量 デジタル 値 変 換 の 非 線 形 性 露 出 時 間 の 誤 差 一 般 に 速 いシャッター 速 度 で 名 目 の 露 出 時 間 か らの 誤 差 が 出 やすい( 短 時 間 露 出 ほど 明 るく 見 え る) いろいろな 露 出 時 間 での 誤 差 をもとに 露 出 時 間 の 誤 差 と 非 線 形 性 を 分 離 してそれぞれ を 求 める

求 められた 非 線 形 性 の 例 カメラによって 固 有 の 非 線 形 性 を 示 す カメラA/D 出 力 の 非 線 形 性 EOS7D Nikon D800 ISO 感 度 設 定 によっても 変 わるようであ る A/D 出 力 EOS Kiss 別 途 露 出 時 間 の 誤 差 も 求 め た 入 射 光 量

非 線 形 性 と 露 出 時 間 誤 差 の 補 正 各 画 像 で 以 下 の 換 算 を 行 う 係 数 入 射 光 量 = 非 線 形 応 答 関 数 -1 ( RAWデー ターダーク)/フラット/ 露 出 時 間 実 際 には (ダーク) フラットの 求 め 直 しも 行 う フラット 画 像 も 非 線 形 効 果 の 影 響 を 受 けているた め

いろいろな 露 出 時 間 の 画 像 それぞれ について 正 し いコロナ 画 像 が 再 現 さ れた

多 段 階 露 光 画 像 のコンポジット 処 理 等 データ 処 理 の 内 容 1. ダーク フラット 処 理 2. 位 置 合 わせ 太 陽 像 が 動 くような 場 合 ( 特 に 船 上 )でも 画 像 を 正 しく 重 ねるため 後 でスケール 方 向 合 わせも 3. 露 出 時 間 と 非 線 形 性 の 補 正 いろいろな 露 出 時 間 の 画 像 それぞれについて 正 しいコロナ 画 像 を 再 現 4. 画 像 の 重 ね 合 わせ 5. コロナの 正 しい 明 るさを 求 める

4. 画 像 の 重 ね 合 わせ 1 枚 の 画 像 では 得 られない 広 いダイナミックレ ンジ 高 いS/Nを 実 現 する 多 くの 画 像 を 重 ねるのがよいが: ダイヤモンドリングに 近 すぎる 画 像 は 採 用 し ない 明 るい 彩 層 による 散 乱 光 を 避 ける 船 で 撮 られた 画 像 の 場 合 月 が 視 野 からはみ 出 す あるいは 視 野 の 端 にあ まりに 近 い 画 像 は 採 用 しない 明 らかにぶれている 画 像 は 採 用 しない

コロナの 明 るい 部 分 は 短 時 間 露 出 画 像 上 で 見 えている コロナの 暗 い 部 分 は 長 時 間 露 出 画 像 でノイズ が 少 ない 単 純 な 積 算 ではなく 適 正 露 出 部 分 のみ 取 り 出 して 重 ねる 短 時 間 露 出 長 時 間 露 出

各 露 出 時 間 の 画 像 の 有 効 範 囲 を 設 定 実 際 には RAW 画 像 の A/D 値 で 範 囲 を 設 定 する

各 露 出 時 間 の 画 像 の 有 効 範 囲 を 設 定 適 正 露 出 の 範 囲 は 重 み1 ある 程 度 以 下 の 明 るさの 部 分 は 重 み0(ノイズ) ある 程 度 以 上 の 明 るさの 部 分 は 重 み0( 飽 和 ) 境 界 付 近 は 重 みを0から1に 連 続 的 に 変 化 させる 月 の 部 分 は 重 み0 月 の 部 分 やプロミネンスは 別 途 処 理 した 方 がよ い 特 に 月 はコロナに 対 して 動 くので 重 み0 重 み0~1 重 み1 重 み1~0 重 み0 ある 露 出 でのコロナ 画 像 重 みを 画 像 で 示 したもの

重 みを 入 れて 画 像 を 重 ねる 重 みつき 重 ね 合 わせ 画 像 重 ね 合 わせ 元 画 像 重 みの 分 布 を 示 す 画 像

重 みを 入 れて 画 像 を 重 ねる 重 みのみの 積 算 画 像 重 ね 合 わせ 重 みの 分 布 を 示 す 画 像

コンポジット 画 像 = 重 みつき 積 算 画 像 / 重 み のみの 積 算 画 像

強 調 処 理 コンポジットが 終 われば 一 応 強 調 処 理 を 行 うこと が 可 能 可 視 化 のため 細 かい 構 造 を 強 調 する 方 法 の 例 アンシャープマスク 円 周 方 向 のみ もともとの 合 成 画 像 動 径 方 向 のコントラストを 落 とす 円 周 方 向 にアンシャープマスク

天 体 画 像 としてのスケール 方 向 合 わせ 方 向 とスケールのわかった 画 像 は マリーバとぱし ふぃっくびーなすの 観 測 の 詳 細 比 較 のような 異 なる 観 測 地 の 結 果 比 較 において 必 須 北 の 方 向 画 像 の 正 しいス ケールは 星 を 使 って 調 べる 明 るい 星 でない 限 り コンポ ジット 画 像 上 でないと 星 はなか なか 見 つけにくい 低 高 度 の 画 像 の 大 気 差 補 正 (マリーバ) 太 陽 の 北 カメラ 上 での 画 像

マリーバ ぱしふぃっくびーなすの 比 較 マリーバでのコロナ 画 像 ( 坂 井 さん) ぱしふぃっくびーなすでのコロナ 画 像 ( 大 越 さん)

マリーバ ぱしふぃっくびーなすの 相 対 変 化 CME

多 段 階 露 光 画 像 のコンポジット 処 理 等 データ 処 理 の 内 容 1. ダーク フラット 処 理 2. 位 置 合 わせ 太 陽 像 が 動 くような 場 合 ( 特 に 船 上 )でも 画 像 を 正 しく 重 ねるため 後 でスケール 方 向 合 わせも 3. 露 出 時 間 と 非 線 形 性 の 補 正 いろいろな 露 出 時 間 の 画 像 それぞれについて 正 しいコロナ 画 像 を 再 現 4. 画 像 の 重 ね 合 わせ 5. コロナの 正 しい 明 るさを 求 める

5. コロナの 正 しい 明 るさを 求 める 光 球 を 基 準 にしたコロナの 真 の 明 るさを 求 め る 光 球 ( 食 外 の 太 陽 像 や 部 分 食 の 像 )はNDフィルタ ーを 付 けて 撮 影 する コロナのRAWデータ = 非 線 形 応 答 関 数 ( 係 数 入 射 光 量 露 出 時 間 フラット)+ダーク 光 球 のRAWデータ = 非 線 形 応 答 関 数 (NDフィルター 透 過 率 係 数 入 射 光 量 露 出 時 間 フラット)+ダーク 係 数 が 不 明 でもフィルターの 濃 度 さえ 分 かればよ い コロナの 真 の 明 るさ( 光 球 基 準 ) = コロナの( 相 対 的 な) 明 るさ NDフィルターの 透 過 率

コロナの 正 しい 明 るさを 求 める コロナの 真 の 明 るさ( 光 球 基 準 ) = コロナの 相 対 的 な 明 るさ NDフ ィルター 透 過 率 コロナの 相 対 的 な 明 るさ = コロナの 画 像 上 の 明 るさ/ 皆 既 時 の 光 球 をNDフィルターを 付 けて 撮 影 したときの 明 るさ もちろん 皆 既 時 には 光 球 は 見 えないので 食 前 後 及 び 部 分 食 の 太 陽 の 画 像 上 の 明 るさで 代 用 する 部 分 食 中 の 光 球 輝 度 の 変 化 をもとに 皆 既 時 の 光 球 輝 度 を 推 定 コロナの 真 の 明 るさ( 光 球 基 準 ) = / NDフィルター 透 過 率

NDフィルターの 濃 度 を 求 める 2012 年 日 食 で 使 用 されたフィルターを 借 用 し て 測 定

NDフィルターの 分 光 透 過 率 分 布 の 例 いろいろなNDフィルターの 透 過 率 の 例 透 過 率 が 低 いと 測 定 ノイズも 大 きい NDフィルターの 実 効 透 過 率 = NDフィルター 透 過 率 の 波 長 分 布 太 陽 光 の 波 長 分 布 カメラのRGB 各 チャンネルの 感 度 特 性

NDフィルターの 諸 問 題 現 実 には 濃 度 測 定 結 果 には 問 題 が 多 い 測 定 器 で 透 過 率 を 測 る 場 合 濃 すぎると 誤 差 が 大 きい 低 光 量 に 起 因 する 大 きなノイズと0 点 のふらつき あまりに 濃 度 が 大 きいと 測 定 不 可 AstroSolar 眼 視 用 はぎりぎり Thousand Oaksは 短 波 長 で 濃 すぎて 測 定 不 能 測 定 まで 考 慮 した 時 に 適 当 なNDフィルターは 濃 度 4 程 度 以 下 の2 枚 合 わせ 2 枚 使 用 時 の 像 劣 化 が 気 になる 場 合 は 最 低 1 組 はND2 枚 とAstroSolarと 両 方 で 写 す( 私 自 身 が 採 用 した 方 法 ) AstroSolarはキズがつきやすいので その 意 味 でもガラス フィルター 等 と 両 方 で 写 した 方 が 安 全 直 接 測 定 が 難 しくても 太 陽 を 実 際 に 写 して 相 対 透 過 率 を 求 めることもできる

NDフィルターの 諸 問 題 : 太 陽 実 写 測 定 器 による 透 過 率 測 定 結 果 と 実 写 での 太 陽 の 明 るさの 比 率 が 合 わない 散 乱 光 が 原 因 か AstroSolar: 散 乱 光 が 多 い ガラスNDフィルター: 一 般 に 散 乱 光 は 小 さいがものに もよる 最 終 的 には 薄 いフィルターの 測 定 器 による 絶 対 透 過 率 + 実 写 での 濃 いフィルターの 相 対 透 過 率 で 濃 度 を 決 定

光 球 輝 度 で 較 正 した 白 色 光 コロナ の 全 輝 度 部 分 食 画 像 と 比 較 して 求 め たコロナ 全 体 の 明 るさ 極 大 近 い 時 期 としてはやや 暗 い 2012 2008 2009 極 小 極 大 極 小 20 世 紀 におけるコロナ 全 輝 度 (1.03-6Rsun) のcycle variation Rusin 2000

データ 処 理 の 環 境 IRISで 可 逆 圧 縮 RAWデータを 読 み 出 し fits(flexible image transport system) 形 式 に 変 換 カメラメーカーのRAWデータ 読 み 出 しは 輝 度 その ままではなく 変 換 が 入 るので 不 適 当 新 しいカメラのRAWデータに 順 次 対 応 している IDLで 処 理 プログラミング 必 要 なお RAW fitsデータはbayer 配 列 なので RGBそ れぞれの 画 像 を 別 に 処 理 する 場 合 は 補 間 して R/G/B 独 立 の 配 列 に 直 してから 使 用 した

IRIS C. Buil 氏 による 天 文 用 実 用 的 データ 処 理 等 のソフトウ ェアアプリケーション Windows 用 フリー 定 型 処 理 にはかなり 便 利 IDL (Interactive Data Language) 汎 用 データ 画 像 処 理 ソフト 基 本 的 にプログラミング 言 語 インタープリタだがコン パイルも 可 Exelisという 会 社 の 商 用 ソフト 十 数 万 円 ~? 定 型 処 理 用 アプリケーションの 形 を 使 うだけなら 無 料 Windows/Mac/Unixで 使 用 可 天 文 業 界 で20 年 以 上 使 われ 特 に 太 陽 業 界 では solarsoftというソフトウェアライブラリーが 使 える 商 用 ではPV-Wave フリー ではGDL(Linux) Fawlty Language(Windows/Mac/Unix)という 互 換 ソフトあり

最 後 に 皆 既 日 食 では 較 正 用 データ(ダーク フラット 食 外 部 分 食 の 光 球 画 像 )を 合 わせて 撮 るこ とで 画 像 処 理 が 行 えるデータが 得 られ 眼 で 見 たコロナを 再 現 することも 研 究 用 にデ ータを 使 うこともできます 画 像 処 理 にも 挑 戦 してみてください