カメラの基本

 

 

色空間の説明

 

色空間は、カメラからキャプチャされた各フレームの画像データの保存方法を表します。 色空間の詳細は次のとおりです。

 

●     画像データがカラーかモノクロか。

●     測定される明るさのレベルの数。

●     画像データが圧縮されているかどうか。

 

画像で使用できる輝度レベルの数は、「ビット深度」という用語を使用して説明されることがよくあります。 ビット深度は、画像内の輝度レベルの全範囲を格納するために必要なビット数です。 たとえば、次のような画像：

 

●     256の輝度レベルは8のビット深度になります

●     1024の輝度レベルは10のビット深度になります

●     4096の輝度レベルは12のビット深度になります

●     65536の輝度レベルのビット深度は16になります。

 

 

非圧縮色空間

 

このセクションに記載されているカラースペースは非圧縮でロスレスです。つまり、キャプチャされる画像の品質が低下することはありません。 すべての専門天文学カメラと一部のWebカメラは、非圧縮色空間のオプションを提供します。

 

 

RGB24

 

これは、カラー画像のデフォルトの色空間です。各ピクセルに3バイトが使用されます（赤、緑、青の各チャネルに1つ）。 各チャネルに使用される1バイトは、各色（0〜255）に256の可能な値があることを意味します。

 

長所	●　使いやすく、簡単な後処理。 ●　アプリケーションで表示した場合、画像は正しく見えるはずです。 ●　ホワイトバランス、ガンマ、明るさ、コントラストなどのカメラベースの調整が可能です（通常、これらはPCのソフトウェアで実行されます）。
短所	●　ファイルは通常、ピクセルあたり3バイトであるため、サイズが大きくなります。 ●　ビット深度は8ビットに制限されています。 ● （フルカラーの原画像を回す）Debayeringは、典型的には、単純だが高速なアルゴリズムを用いてカメラドライバによって行われます。 ●　ガンマ、明るさ、コントラストなどの調整は、デジタル空間で行われるように実行するとデータの損失につながります。

 

 

RGB32

 

これは、標準カラー画像の代替オプションです。 3バイトの代わりに、ピクセルごとに4バイトのスペースが使用されますが、バイトの1つは未使用です。 この形式で保存されたファイルは、RGB24で保存された同じファイルより大きくなりますが、画質にまったく違いはありません。

 

長所	● 使いやすく、簡単な後処理。 ●  アプリケーションで表示した場合、画像は正しく見えるはずです。 ●  ホワイトバランス、ガンマ、明るさ、コントラストなどのカメラベースの調整が可能です（通常、これらはPCのソフトウェアで実行されます）。
短所	●  ファイルは通常、ピクセルあたり4バイトであるため、サイズが大きくなります。 ●  ビット深度は8ビットに制限されています。 ●  （フルカラーの原画像を回す）Debayeringは、典型的には、単純だが高速なアルゴリズムを用いてカメラドライバによって行われます。 ●  ガンマ、明るさ、コントラストなどの調整は、デジタル空間で行われるように実行するとデータの損失につながります。

 

 

MONO8 (also Y800)

 

これはピクセルあたり1バイトを使用し、0〜255の単一の輝度値を格納する基本的なモノクロカラースペースです。

 

長所	●　小さいファイルサイズ（ピクセル当たり1バイト）、モノクロターゲットのための理想的な（狭帯域フィルタ、月）。
短所	次の短所は、カラーカメラでMONOでキャプチャする場合にのみ適用されます。   ●  カラーカメラでモノラルを生成する処理には、カラー画像を生成するデベイヤープロセスが含まれ、その後モノクロになります。そのため、RGBの次の短所が適用されます。 o  ディベイヤリング（生画像をフルカラーに変換）は、通常はシンプルだが高速なアルゴリズムを使用してカメラドライバーによって実行されます。 o  ガンマ、輝度、コントラストなどの調整は、デジタル空間で行われるように実行するとデータの損失につながります。RAW8 / 12としてキャプチャし、最終的に処理された画像をモノクロにする方が良い場合があります。

 

 

MONO16

 

これは、ピクセルあたり2バイトを使用するモノクロのカラースペースであり、ピクセルあたり65536の異なる輝度値を可能にします。 この色空間を提供する多くのカメラには65536の値の全範囲を作成する機能がないことに注意してください。たとえば、一部のカメラは1024の異なる値（10ビット）または4096の異なる値（12ビット）しか作成できない場合があります。 これらの場合、カメラが生成する値は、範囲全体を満たすように引き伸ばされます。

 

長所	● 出力のレベルの範囲が広いため、単一の画像でより広い範囲の明るさを表現できます。
短所	●  大きなファイルサイズ（画素当たり2バイト） ● 　キャプチャされているフレームに視覚的にノイズが多い場合、実際の画質は向上しません（ノイズをより詳細に記録するだけです）   次の短所は、カラーカメラでMONOでキャプチャする場合にのみ適用されます。   ●  モノラルを生成する処理には、カラー画像を生成するディベイヤーが含まれ、その後モノクロになります。そのため、以下のRGBの短所が適用されます。 o  ディベイヤリング（生画像をフルカラーに変換）は、通常はシンプルだが高速なアルゴリズムを使用してカメラドライバーによって実行されます。 o  ガンマ、輝度、コントラストなどの調整は、デジタル空間で行われるように実行するとデータの損失につながります。RAW8 / 12としてキャプチャし、最終的に処理された画像をモノクロにする方が良い場合があります。

 

 

RAW8

 

カラーカメラは、各ピクセルで3つのカラーチャネル（赤、緑、青）すべてを検出するわけではありません。実際、各ピクセルは単一色の光しか検出しません。 色はグリッド形式で配置されます-通常はベイヤーマトリックスと呼ばれます-これは次のようになります（グラフィックはGRBGベイヤーマトリックスです）：

 

 

ほとんどすべてのカラーカメラがこの方法でカラーデータをキャプチャします。 「デベヤリング」と呼ばれる手法を使用して、各ピクセルで赤、緑、青の値の完全なセットを生成し、フルカラー画像を作成します。 RGBカラースペースを使用する場合、このディベイヤープロセスは、カメラまたはそのドライバーソフトウェアで行われます。

 

RAW8などのrawカラースペースでキャプチャする場合、個々の赤、緑、青のピクセルの元の値はSharpCapによってキャプチャされます。SharpCapには独自のディベイヤリングコードがあるため、画面に表示される画像は 引き続きカラーになりますが、ディバイヤリングが可能なソフトウェアで開かない限り、保存されたファイルは、ピクセルレベルで表示されるわずかなグリッドパターンでモノクロのように見えます。これに適したソフトウェアには、 PIPP、Registax、AutoStakkert、Deep Sky Stackerなどがあります。

 

RAW8形式でキャプチャされた保存ファイルは、ピクセルあたり1バイトしか消費しないため、RGBファイルよりもはるかに小さいという大きな利点があります。 さらに、RAW形式で保存されたファイルは、カメラドライバーで通常使用されるアルゴリズムよりも低速ですが高品質のアルゴリズムを使用して、適切な処理ソフトウェアによってディベイヤできます。

 

RAW8カラースペースには4種類あり、緑/赤/青のグリッドのどこにカメラセンサーの左上のピクセルが始まるかに応じて異なります。 これらのバリエーションは、カメラセンサーの左上の4ピクセルにちなんで名付けられています

 

 

●     RGGB

●     BGGR

●     GRBG

●     GBRG

 

 

たとえば、RGGBは、上の行の左側の2ピクセルが赤と緑で、2番目の行の左の2ピクセルがそれぞれ緑と青であることを意味します。

 

一般に、SharpCapはカメラがRAWモードで使用するパターンを認識し、正しいパターンを自動的に選択しますが、間違ったパターンが自動的に選択された場合は、「Debayerプレビュー」コントロールの値を調整して手動で正しいパターンを選択します。 このコントロールは、必要に応じてディベイヤー機能をオフにするために使用できます。 正しいパターンを見つける最も簡単な方法は、赤い物体またはライトをカメラで見ることです。正しいパターンのみが赤い画像を表示します。

 

SharpCapが画面に表示されている画像をdebayeringしている場合でも、キャプチャファイルに保存された画像はRAW形式のままです。

 

長所	●　後処理なしでカメラセンサーから出てくる正確なデータ。 ●　後処理（ディベイヤリングを含む）は、後で高品質で実行できます。 ●　ファイルサイズが小さい（1ピクセルあたり1バイト）
短所	●　出力ファイルを操作できる小規模なアプリケーション。 ●　後処理はより複雑です。 ●　出力ファイルは、生の形式を理解しないアプリケーションで開かれた場合、「チェス盤」効果を持っているように見える場合があります。 ● 　ビット深度は8ビットに制限されています。

 

 

RAW16

 

RAW16色空間は、1ピクセルあたり最大16ビットのビット深度用の未加工色空間です。 一部のカメラでは、これはRAW10またはRAW12とラベル付けされ、カメラから利用できる実際のビット深度をより正確に説明します。RAW 16色空間で保存されたファイルは、ピクセルあたり2バイトを使用します。

 

長所	●　後処理なしでカメラセンサーから出てくる正確なデータ。 ●　後処理（ディベイヤリングを含む）は、後で高品質で実行できます。 ●　画像のノイズが低い場合、ビット深度を高くすると、より多くの情報とより広いダイナミックレンジが得られる場合があります。
短所	●　出力ファイルを操作できる小規模なアプリケーション。 ●　後処理はより複雑です。 ●　出力ファイルは、生の形式を理解しないアプリケーションで開かれた場合、「チェス盤」効果を持っているように見える場合があります。 ●　ファイルは大きくなります（ピクセルあたり2バイト）。

 

 

 

圧縮された色空間

 

多くのウェブカメラは圧縮された色空間のみを提供します。 これらはキャプチャファイルのサイズを縮小しますが、イメージの一部の詳細が失われることも意味します。 小さなキャプチャファイルを作成しない限り、圧縮されたカラースペースはできる限り回避することが非常に重要です。

 

 

YUY2 / YUV

 

これらは、同じ色空間の2つの名前にすぎません。 これらの色空間では、輝度情報はすべてのピクセルに格納されますが、色情報は2つの隣接する水平ピクセル間で共有されます。 カラー情報は2バイトの情報（色相と彩度）で構成されるため、このカラースペースでは、ピクセルごとに全体で2バイトが使用されます。 （http://www.fourcc.org/yuv.php）

 

 

I420

 

この色空間では、明るさはすべてのピクセルごとに保存されますが、色情報は4ピクセル（2x2）のブロック間で共有されます。 つまり、この色空間では、ピクセルごとに合計1.5バイトが使用されます。

 

 

MJPEG

 

この色空間では、各フレームは圧縮されたJPEG画像として保存されます。 これにより、他のどのカラースペースよりもキャプチャファイルがはるかに小さくなりますが、画像にかなりの圧縮アーティファクトが生じる可能性があります。 圧縮レベルはカメラまたはカメラドライバーによって設定され、調整できません。

 

 

 

正しい色空間の選択

 

一般に、次のガイドラインは正しい色空間を選択するのに役立ちます。

 

●     RGBカラースペースで使用可能な場合、カラーカメラではRAWカラースペースを優先します。

●     RAWカラースペースがない場合は、小さな出力ファイルが非常に重要でない限り、非圧縮RGBを圧縮カラースペースよりも優先します。

 

より高いビット深度（RAW10、12、16、またはMONO16）を選択するオプションがある場合は、対応する8ビットモードでフレームごとに変化するノイズが見られない場合にのみ行ってください。 8ビットに目に見えるノイズがある場合、ビット深度が高くなると、ノイズの詳細が測定および保存されます（出力ファイルが2倍になります）。 これは、より高いビット深度は低いゲインでのみ有用であることを意味します。

 

 

 

キャプチャ形式の説明

 

 

AVI

 

AVIファイル形式は、ビデオファイル形式です。 AVIファイル形式は一般的に使用されており、さまざまなアプリケーションで読み取ることができますが、残念ながらビデオデータをさまざまな方法で保存できる複雑なファイル形式です。 これは、特定のアプリケーションが特定のAVIファイルを読み取ることが困難な場合があることを意味しますが、同じファイルは他のアプリケーションまたは他のコンピューターで正しく機能します。 ただし、一般に、MONOまたはRGBカラースペースのAVIファイルは、どのシステムのどのソフトウェアでも正しく動作します。

 

AVIファイルは、ビデオフォーマットをカラーチャネルあたり最大8ビットのビット深度でのみ保存できるため、より高いビット深度モードでカメラを使用する場合、AVIへのキャプチャは使用できません。

 

AVIファイルを使用してキャプチャをRAW形式で保存できますが、処理ソフトウェアはこれを自動的に認識せず、適切なベイヤーパターンを手動で指定しない場合、通常はピクセルグリッドが表示されたモノクロ画像を表示します。

 

https://sites.google.com/site/astropipp/（一般にPIPPと呼ばれます）は、面倒なAVIファイルを処理したり、スタッキングソフトウェアで処理するには大きすぎるビデオのフレームを安定させるのに役立つソフトウェアです。

 

長所	● ほとんどすべてのビデオ再生ソフトウェアで表示できます。
短所	● ファイル形式は複雑で、多くのサブ形式があります。 ● 正しい再生が他のソフトウェアとのマシンにインストールされているコーデックに依存してもよいです。 ●  エラーは微妙で解決が難しい場合があります。 ●  8ビットのみ。 ●  AVIで保存されたモノとRAWは、ファイル形式の制限により上下が逆になる場合があります。

 

 

SER

 

SERファイル形式は、天文学のキャプチャ用に特別に設計された別のビデオファイル形式です。 SERファイルは、AVIファイルと同じくらい多くの異なるアプリケーションで読み取ったり、表示したり、処理したりすることはできませんが、ファイル形式はAVIファイル形式よりもはるかに単純であるため、非互換性に起因する一見ランダムな問題ははるかに少ない傾向があります。

 

SER形式は、RGB、モノラル、およびRAW形式でビデオを保存するために使用でき、ピクセルあたり8ビットおよびピクセルあたり最大16ビットのビット深度の両方でキャプチャするために使用できます。

 

RAW形式でキャプチャする場合、センサーのベイヤーパターンの詳細はSERファイルに保存されます。つまり、ほとんどの処理および表示ソフトウェアがこの情報を自動的に読み取り、生の画像データをカラー画像に正しくデベイヤーします。

 

さらに、キャプチャされた各フレームのタイムスタンプがSERファイルに保存されます。これは、後の画像処理に役立つことがよくあります。

 

SER Playerアプリケーションは、PIPP Webサイトからダウンロードできます。

 

長所	● バリエーションの少ないシンプルなファイル形式-アプリケーションは正しく機能するか、まったく機能しない傾向があります。 ●  SERファイルはカメラのBayerパターンで書き込まれ、RAWキャプチャの後処理を簡素化します。 ●  ピクセルあたり8ビット、ピクセルあたり最大16ビットのビット深度をサポートします。 ●  ファイル内の各フレームには正確にタイムスタンプが付けられます。 ●  モノラル、RAWおよびRGBキャプチャをサポートします。
短所	●  後処理が少ないアプリケーションはSER形式をサポートしますが、以下で最もよく使用されるものはすべてSER形式を受け入れます。 o AutoStakkert AS2（スタッキング）。 o Registax 5および6（スタッキングおよびウェーブレットシャープニング）。 o PIPP（処理用のビデオファイルの準備）。 ●   SER標準の解釈は多少異なるため、プログラムが自動的に認識されない場合、正しい色空間を選択するのに助けが必要になる場合があります。

 

 

PNG

 

PNGファイルは、単一のフレームをキャプチャするための標準的な画像ファイルです。 ほとんどすべての画像処理ソフトウェアや表示ソフトウェアでPNGファイルを開くことができるため、簡単に操作できます。

 

任意の形式（8ビットまたは16ビットのビット深度、カラー、モノクロまたはRAW）の静止画像をPNGファイルに保存できます。 ただし、多くの画像処理アプリケーションは16ビットのビット深度のPNGファイルを正しく処理しないことに注意してください。多くの場合、ファイルをロードするときにビット深度を8ビットに落とし、詳細を破棄します。

 

RAW画像をPNGファイルに保存する場合、それらはモノクロのPNGファイルとして保存され、画像処理および表示ソフトウェアは、画像のディベイヤを正しく設定しない限り、ピクセルグリッドパターンを示すモノクロとして表示します。

 

長所	● ほとんどすべてのグラフィックアプリケーションにロードできます。 ● 8ビットから16ビットの深度およびモノまたはカラー画像を処理します。
短所	● 多くのイメージングアプリケーションは、ロード時に16ビットPNGファイルから詳細を破棄する場合があります。 ● PNGで保存されたRAW画像は、チェッカーボードパターンの付いたモノクロで表示され、正しいディベイヤー処理を保証するために後処理で追加の手動設定が必要になる場合があります。 ● SharpCapは、16ビットの保存ファイルをロードする場合でも、PNGファイルから8ビットのデータのみを再ロードできます。

 

 

FITS

 

FITSファイル形式は、非常に柔軟性がありますが、高ビット深度の静止画像の保存によく使用される特殊な形式です。 FITS形式は8ビットのビット深度で画像を保存できますが、通常はPNGを選択することをお勧めします。

 

FITSは特殊なファイル形式であるため、FITSファイルを処理して選択できるアプリケーションは少なくなります。確かに、PNGファイルで問題なく動作するほとんどの画像表示および編集アプリケーションは、FITSファイルを開くことができません。 ただし、FITSファイルの処理と表示に使用できるDeep Sky StackerやFITS Liberatorなどのアプリケーションがあります。

 

長所	● 8ビット以上のビット深度をサポートします。 ● モノ、カラー、および未加工の画像をサポートします。 ● 露出などの画像データはファイルに保存され、一部のアプリケーションはこのデータを読み取ります。 ● SharpCapは、ダークフレームを読み込むときにFITSファイルから16ビットのデータを読み込むことができます。
短所	● 限られた数のアプリケーションでのみ開くことができます。 ● 一部のアプリケーションでは、このファイルタイプを開くために追加のプラグインが必要です。 ● ファイル形式は非常に複雑で柔軟性があるため、一部のアプリケーションではファイルが正しく表示されず、他のアプリケーションでは正しく表示される場合があります。 ● 他のファイル形式よりも保存に時間がかかるため、高フレームレートには適していません。

 

 

TIFF

 

TIFFファイル形式は、ほとんどの画像処理アプリケーションで開くことができる、広くサポートされているイメージングファイル形式です。 TIFFファイルは通常、大きく圧縮されていないためサイズが大きくなりますが、同じ画像のFITSファイルよりも小さくなる場合があります。

 

長所	● 8ビット以上のビット深度をサポートします。 ● モノ、カラー、および未加工の画像をサポートします。 ● SharpCapは、ダークフレームを読み込むときにTIFFファイルから16ビットのデータを読み込むことができます。
短所	● ファイルは、PNGなどの他のファイル形式よりも大きい場合があります ● ファイルヘッダーに格納されているFITSよりも少ない情報 ● 他のファイル形式よりも保存に時間がかかるため、高フレームレートには適していません。

 

 

JPEG

 

JPEGファイル形式は、デジタル画像で非常に広く使用されている画像形式です。 ほとんどすべてのイメージングアプリケーションは、JPEGファイルをロード、操作、および保存できます。 JPEGファイル形式では、8ビットのビット深度で静止画像を保存できます。

 

JPEG形式は一種の圧縮を使用することに注意することが重要です。つまり、保存プロセスで細かい画像の詳細が失われ、後で復元することはできません。 明るさと色のこの細かいディテール（人間の目では簡単に気づかない）が破棄されるのは、ファイルサイズを他のファイルタイプよりもはるかに小さくできるためです。

 

JPEGファイルタイプの制限を考えると、非常に多くのフレームが自動的にキャプチャされ、各フレームの完璧な画質を持つことは、 ファイルサイズ。

 

長所	● ファイルサイズが小さい。 ● ほとんどすべてのイメージングアプリケーションで開くことができます
短所	● 保存時に画像の詳細が失われる ● 8ビットのみの制限された深さ