光害になんて負けたりしない!東京都心でもできる天体観測

被写体の撮影

さて、画像処理の前には、当然撮影が必要です。

星雲・星団の撮影方法自体については、こちらこちらに書いたとおりです。しかしここで気を付けなければならないのは露出と撮影枚数です。

露出について

天体の光は弱く、原理的には露出時間を伸ばせば伸ばすほど、淡く、暗いところまで写ることになります。しかしここで問題になるのが光害です。露出を伸ばせば背景の空も明るく写ってしまうため、かえって天体の光がかき消されるということが起こるのです。極端な話、もし背景が完全に真っ白になってしまうほど露出をかければ、「真っ白」以上に白い色はありませんから、天体も背景も全く見分けがつかなくなってしまいます。

とはいえ、背景がカブるのを恐れて露出を切り詰めすぎれば、写るものも写らなくなります。このあたりの見極めは難しいのですが、この時参考になるのが撮影画像のヒストグラムです。

ヒストグラムは横軸に画素の明るさ、縦軸にその明るさを持つ画素の数をプロットしたものです。天体写真の場合、ヒストグラムの大きな山は背景とノイズを示しています。ヒストグラム上で、星雲は背景の山の「明るい側」の斜面にへばりつき、星は背景レベル以上のところから真っ白のところまで幅広く存在しています。しかし、これらが写真全体に占める割合は少ないため(特に恒星)、ヒストグラム上でははっきり見えないことがほとんどです。

天体写真のヒストグラム
天体写真のヒストグラム
天体写真のヒストグラムを見た時、大きく見える山はほぼ背景とノイズです。そして、この「背景+ノイズ」より明るい領域が天体の描写に使われます。これが広いほど階調の表現力は増しますが、露出を抑えて背景レベルを下げると、その分天体からのシグナルも弱くなってしまいます。この兼ね合いで「適正露出」が決まります。星雲の階調が恒星に比べて狭いことに注意。

空の条件が良いところでは、ヒストグラムのピークが左から1/3あたりに来るくらいまでが適正露出と一般に言われています。言い方を変えれば、この場合、残りの右側2/3の階調を使って星や星雲を表現できるということになります。これ以上露出を伸ばしてしまうと、星や星雲が白飛びしたり、画像の滑らかさが失われたりしがちです。

しかし街なかでは、ちょっと露出を伸ばしただけで「左側1/3」などあっさりオーバーしてしまいます。これでは星雲など写る暇もありません。

光害のひどさにもよりますが、星雲を撮る場合などは、ピークがかなり高い位置にくるまで……最悪、飽和ギリギリまで我慢せざる得ないでしょう。恒星の階調が犠牲になりますが、星雲のシグナルを光害まみれの背景から分離するためには仕方ありません。

逆に、恒星の階調や色が大事になる散開星団や球状星団では、露出を控えめにするべきです。そうしないと、恒星が全て真っ白に飛んでしまい味気なくなってしまいます。

感度設定について

これについては、デジカメ特有の問題があります。

銀塩写真の場合、感度は使うフィルムによって決まっていました。しかしデジカメの場合、カメラが変わらない限り撮像素子は一緒ですので「ここで言う『感度』とは何ぞや?」という話になります。

実は、銀塩フィルム的な意味での「デジカメの『感度』」……すなわち「1のシグナルを発生させるのに必要な光の量はどのくらいか」はカメラの「感度設定」によらず一定です。デジカメで「感度を上げる」という操作は、極論すれば「光が撮像素子に当たることで発生したシグナルを増幅しているだけ」にすぎません。

つまり、10単位の光が当たった時に1単位の強さのシグナルを発生する撮像素子があったとして、「感度設定」を倍にすればこのシグナルが2に、3倍にすれば3になる、といった具合です。感度設定を倍にしたからといって、決して撮像素子の特性が「5単位の光が当たった時に1単位の強さのシグナルを発生する」ようになるわけではないのです。

このように、感度設定を上げるということはシグナルを増幅しているだけですから、感度設定を上げれば上げるほど、わずかの光でシグナル強度が早々に上限に達してしまうことになります。

また、感度設定を上げた場合、原理的にはシグナル以外に各種のノイズも増幅されてしまいますが、デジカメでは内部処理によってノイズ成分をより分け、これが目立たなくなるような処理を行います。しかしこの処理によって、微光星や淡い散光星雲などのごく弱いシグナルは、ノイズ成分と誤認されて除去されたりしがちです。

つまり、感度設定を上げて撮影を行うと、表現できる明暗の幅(ダイナミックレンジ。写真用語でいうラチチュード)が一般に狭くなる傾向にあります。また上の例の場合、1単位の光が当たったからといって0.1のシグナルが発生するわけではない(シグナルが発生するにはある程度以上の光エネルギーが必要)ので、感度設定をいくら上げても写らないものは写りません(ゼロを何倍してもゼロはゼロのまま)。

短時間露出の1枚撮り、JPEGの「撮って出し」で暗い対象を写したいのであれば感度設定を上げることに意味はありますが、後処理を前提とした天体写真では、必ずしも高感度設定がいいとは限らないのです。

感度設定による写り方の違い
感度設定による写り方の違い
感度をISO100~1600まで振り、トータルの露出時間が同じになるようにコマごとの露出時間と撮影枚数を設定し、撮影を行いました。撮影後の画像はそれぞれの条件に合わせたダークを引いたのち、加算平均コンポジットしています。それ以外の調整は一切行っていません。低い感度設定で1枚当たりの露出時間を伸ばしたものの方が、トータルの露出時間が同じでも明らかにいい写りです。
感度設定による写り方の違い その2
感度設定による写り方の違い その2
上の写真を、星雲が同程度に見えるようにレベル調整してみましたが、やはり低感度で撮ったものの方が高画質です。

光害がひどくて、空の明るさが露出時間を制限してしまうような条件下では、感度設定を低めに抑えた方が白飛びしにくく、1コマあたりの露出時間も伸ばせる(=撮像素子に当てる光を増やせる)ので画質的には有利と思われます。実際、私も一時期もっぱらISO1600で撮影していましたが、ISO400や800と比べて、感度の数字の割に写りが良くなかった印象があります。

ただ、低感度側にせよ高感度側にせよ、感度設定による写り方の差やノイズ処理の具合はメーカーや機種によって大きく異なり、また、カメラ内部でどのような処理が行われているかはまったくのブラックボックスです。なので、最適な感度設定がどの程度かは、試行錯誤の中から見極めていくしかないでしょう。

撮影枚数について

天体写真ではシグナルをより強く、かつノイズをより抑えるために「コンポジット」と呼ばれる処理を行うのが普通です。

ある写真を見た場合、写真には天体のほかに各種のランダムノイズも写っています。ここで、同じ被写体を同じ条件で写したもう1枚の写真を用意し、これらのデータを「足して2で割る」とどうなるでしょうか?天体は同じ位置に写っているので、足して2で割ってもシグナルの大きさは変わりませんが、ノイズの方はランダムなので互いに打ち消しあい、ノイズレベルが低下します。これが「コンポジット」という操作とその原理です。

コンポジットの模式図
コンポジットの模式図
ノイズはランダムに発生するので、2枚の写真を重ね合わせるとノイズ同士は打ち消しあう一方、必要なシグナルは残り、結果としてノイズの少ない滑らかな画像が得られます。

写真が4枚の場合は、上記のようにそれぞれ2枚ずつをコンポジットした後、コンポジット済みの2枚をもう1度コンポジットします。コンポジットはこのように、いわゆる「トーナメント方式」で行うのが普通です。

n枚の写真を使ってコンポジットを行うと、ランダムノイズのレベルは「1/√n」に低下します。つまり、それだけ画像が滑らかになり、強い画像処理にも耐えられるようになるというわけです。

ただし、コンポジットの方法には注意が必要です。2枚や4枚をコンポジットする場合は上のようにすればいいのですが、たとえば写真が3枚の場合はどうすればいいでしょう?

ここで、間違っても「2枚をコンポジットしたもの」と「残りの1枚」との間でコンポジットを行ってはいけません。2枚のコンポジットでせっかくノイズレベルが低下したのに、ここに1枚分のノイズが新たに加わってしまうので、ノイズがかえって増えてしまいます。

この場合、「3枚分のデータを一度に足して3で割る」か、「別のもう1枚を加えて総数を4枚にし『トーナメント方式』で」コンポジットを行うのが正解。コンポジットに「シード権」はないのです。

こうしたことを考えると、撮影枚数は2n枚をベースにするのがよいでしょう。前者の「一度に足して割る」方法を取るのであれば枚数は半端でも構いませんが、枚数によってはパソコンにかなりのCPUパワーとメモリ量を要求します。

また、コンポジットを行うとノイズレベルが下がりますが、その効果は枚数が増えるほど弱まってきます。2枚コンポジットならノイズレベルは1/1.4、4枚コンポジットなら1/2になりますが、ノイズレベルを1/4にするには16枚、1/8にするには64枚もの枚数が必要になります。これほどの枚数になると撮影も画像処理も大変になってきます。

コンポジットの効果
コンポジットの効果
コンポジット枚数を増やしていくと、確実にノイズが減って画像が滑らかになってきます。しかし16~32枚あたりになってくると、手間と時間の割に効果は減ってきます。

ただ、街なかでの撮影では強力な画像処理が必要で、ノイズレベルが低ければ低いほど助かるのも確かなので、まずは8~16枚程度を目安にするのがよいのではないかと思います。慣れてきたら枚数を増やしてみてもいいでしょう。

被写体の選択について

光害のひどい街なかでの撮影では、撮影しやすい被写体と難しい被写体とがあります。

比較的簡単なのは散開星団や球状星団(星だけから成り、淡い領域がないため)、惑星状星雲(単位面積当たりの明るさが明るいため)で、M8(干潟星雲)やM42(オリオン大星雲)といった明るい散光星雲も、水素由来の赤い光(Hα線)が光害の影響を受けづらく、また、画像処理の際に色を手掛かりに星雲部分のみを選択しやすいので強調処理を行いやすく、割と組しやすい相手と言えるでしょう。

一方、系外銀河は特徴的な色がなく、渦巻の腕の部分も淡いため、光害まみれの空からこれを浮かび上がらせるのはなかなか大変です。散光星雲も、淡いものになるとノイズに埋もれがちになり、処理がかなり難しくなってきます。アンタレスやM45(プレアデス星団、すばる)の周りを取り巻く反射星雲の類も、淡い上に色調が光害成分に近いため、難易度の高い対象です。

初めのうちはあまり無理をせず、メジャーな天体に絞って撮影してみるのがいいでしょう。メシエ天体は明るいものが多く、上で「難しい」とカテゴライズしたような天体でも、なんとかなるものが比較的多いです。

悪条件の中、チャレンジするのもそれはそれで楽しいですが、最初からあまりに困難な対象に向かってしまうと、楽しさを感じる前に挫折感しか味わえなくなってしまいます。無理、無茶は禁物です。

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