ZWO と QHY の Bin の違い、そしてソフトウェアでのピクセルビニングの原理

前回はソフトウェアでのピクセルビニング（Bin）の操作手順についてお話ししました。今回はその原理を掘り下げます——なぜ ZWO と QHY の 2 社のカメラで Bin の挙動が異なるのか、そして、なぜ「パソコン上で Bin する」ほうが「カメラ上で Bin する」よりもデータを失いにくいのか、です。

ZWO と QHY で Bin のデフォルト値が異なる

ZWO 6200mm と QHY600M を例にとると、両者は実は同じ Sony IMX455 BSI センサーを使っていますが、Bin のデフォルトの挙動は同じではありません。

ZWO のピクセルビニングは「ピクセル平均」しか行いません。同じ、明るさが均一なフラットパネルで撮ってみると、Bin の前後で明るさがおおむね同じになることに気づくはずです——これが平均の特徴です。
QHY のピクセルビニングはデフォルトでは「ピクセル加算」（従来の CCD の挙動に近いもの）で、もちろん平均に切り替えることもできます。

注意すべきは、QHY を加算に設定すると、数値が 16bit を超える可能性があることです。その場合は読み出しコマンドを調整し、32 ビット転送を有効にして、完全なデータを送り出す必要があります。また、ZWO のやり方はモノクロカメラでもカラーカメラでも使えますが、QHY の加算 Bin はモノクロカメラにしか使えません。

CMOS で Bin するかどうかが、なぜ CCD とは論理が異なるのか

CMOS カメラでは、撮影時にソフトウェアやファームウェアの Bin を設定する主な目的は、ファイルサイズを減らすか、フレームレートを上げることです。ただし読み出しノイズの挙動には注意しなければなりません。

CMOS：Bin のあと、読み出しノイズは 2 倍になります；
CCD：Bin のあと、読み出しノイズはかえって下がります。

これが CMOS と CCD の、Bin に関する根本的な違いであり、CMOS 時代に「カメラ側で Bin する」動機が CCD ほど強くない理由でもあります。CMOS のピクセルビニングは、実のところ後処理のときにソフトウェア上で行うほうが適していて、効果も良好です。

パソコンのソフトウェア上で Bin することの利点と欠点

Bin をパソコンのソフトウェアで行うと、いくつかの実質的な利点があります。

1. 同じく S/N 比を向上させられ、しかも演算がより柔軟

ソフトウェア Bin も同じく 2 倍の S/N 比の向上をもたらし、しかもパソコンの演算効率は良く、選べるアルゴリズムも多くあります。

2. データを一切捨てない

これが肝心な点です。いわゆる二進法での平均演算は、実は本当に「足してから 4 で割る」（Bin 2 を例にすると）わけではありません。4 つの 16 ビットの二進数を足すと 18 ビットが必要になり（16 ビットを超えるのでオーバーフローが生じます）、二進法での 4 での除算は、実際には足し合わせたあと最下位の 2 ビットを捨てること（小数点を 2 桁左にずらすことに相当します）なのです。

したがって、ZWO ユーザーがカメラ上で直接 Bin を設定すると、この部分のデータを失ってしまいます。QHY ユーザーは 32 ビット転送を有効にして完全なデータをパソコンに送る必要があり、そうしなければオーバーフローした部分は同じように捨てられてしまいます。それに対して、パソコン上で Bin を行えば、演算は 32 ビットを使うのでデータを一切失わず、完全なフルウェル容量とビット深度を保てます。

3. 代償として、より多くのデータを転送・保存する必要がある

ピクセルビニングは解像度を犠牲にし、シャープさは下がりますが、ファイル容量は大幅に小さくなります。逆に言えば、カメラ側で Bin しなければ、より多くのデータを転送する必要があり、元ファイルを保存するのにもより多くの容量を使うことになります。これが「パソコン側で Bin」を選んだときに払う代償です——より大きな元ファイルをまず抱え込む代わりに、後処理のときに一切損失のない（ロスレスの）柔軟性を手に入れるのです。

補足

QHY で 32 ビット転送を有効にする方法については、公式のユーザーマニュアルを参照してください。注意すべきは、この機能は比較的新しい数機種（QHY600、QHY268、QHY411、QHY461 など）でしか対応していないことです。