4. Niewdzięczna rola kalibratora

Transkrypt

1 4. Niewdzięczna rola kalibratora Od ostatniego tekstu o działaniu kamerek wiało grozą i ujemnym poczuciem humoru, a przy okazji jego ciężar gatunkowy był w stanie unicestwiad gwiazdy neutronowe. Tym razem nieco lżej o kalibracji. Czy kalibracja jest niezbędna? A) Nie. Znam przynajmniej kilku astrofotografów, którzy długo nie kalibrowali, albo wciąż nie kalibrują swojego materiału, a efekty ich pracy łapią się bez problemu w okolicach wskaźnika "opad szczęki z łomotem", a przy okazji są w pełni powtarzalne. Jakie są zalety nie kalibrowania? Nie marnujemy czasu na tworzenie i utrzymanie biblioteki klatek kalibracyjnych, podczas obróbki również oszczędzamy trochę czasu i nie wprowadzamy do materiału szumu kalibracyjnego. W zamian musimy usuwad hot piksele programowo albo stosowad dithering, utrzymywad nasze szkło w czystości (tak czy siak powinniśmy), a podczas obróbki trzeba programowo usuwad winietę i kleksy ze zdjęd (tak jakbyśmy jeszcze mieli mało do poprawiania). B) Tak. Kiedy estetyka zdjęcia nie jest jedynym celem uprawiania astrofotohobby, wtedy kalibracja jest konieczna. I powinna byd zrobiona prawidłowo. Ale to nie jest trudne, bo to proces w pełni przewidywalny i automatyczny. Do czego kalibracja nie służy? Nie służy do redukcji ani tym bardziej do usuwania szumu ze zdjęd. No dobra, chyba że się umówimy, że hot piksele to szum - wtedy tak. Ale hot piksele to nie jest szum, więc jednak nie. Nie usunie nam też gradientów wynikających z nierównomiernie oświetlonego nieba. Nie służy też do niczego, jeśli klatki kalibracyjne są nieaktualne, albo nieprawidłowo używane. Do czego kalibracja służy? Do usuwania powtarzalnych artefaktów ze zdjęd. Klatki kalibracyjne BIAS usuwają gradient wynikający z nierównomiernej dystrybucji offsetu na matrycę, oraz padnięte kolumny. Klatki DARK usuwają efekty nierównomiernego chłodzenia matrycy (np. amp glow), hot piksele, i inne artefakty związane głównie z przepływem prądu termicznego. Klatki FLAT usuną winietę układu optycznego i kleksy powstałe na zabrudzeniach na matrycy, filtrach i innych elementach toru optycznego. Jakie są efekty uboczne kalibracji? Wprowadza do materiału szum kalibracyjny. Że co? Wprowadza dodatkowy szum. Naszym zadaniem, jako kalibratora, jest ten szum zminimalizowad. Dlatego do kalibracji nie używamy pojedynczych klatek, tylko składamy ich wiele. Jakbyśmy tego nie robili, mielibyśmy taki efekt (kalibrowana była jedna klatka z materiałem Ha, ekspozycja 600s, kamera Atik 383, t sensor =-20*C):

2 ILOŚD KLATEK KALIBRACYJNYCH KLATKA SUROWA BIAS BIAS BIAS BIAS 35.1 SZUM KALIBROWANEJ KLATKI [ADU] 50 BIAS + 1 DARK BIAS + 5 DARK BIAS + 10 DARK BIAS + 30 DARK BIAS + 30 DARK + 1 FLAT BIAS + 30 DARK + 5 FLAT BIAS + 30 DARK + 20 flat 37.2 Tutaj różnice są dośd wyraźne, ponieważ filtry wąskopasmowe mocno tną sygnał i zarówno poziom jak i szum tła jest niewielki. Stąd procentowo udział szumu kalibracyjnego jest dośd spory. To ile trzeba złożyd takich pojedynczych klatek? Klatek bias z 50 albo nawet 100, a czytałem o takich co i kilkaset składają - ich wykonanie niewiele kosztuje (chyba że mamy starą kamerkę CCD, która zapodaje klatkę do komputera przez minutę. Lustrzanki czy nowe CMOSy mogą zrobid kilka albo nawet kilkanaście klatek na sekundę). Klatek dark najlepiej robid nie mniej, niż mamy klatek z materiałem. Ale jak mamy 30 godzin materiału to nikt nie będzie wypalał przecież 30 godzin darków? No raczej nie. Wtedy zapominamy o darkach i stosujemy dithering i/albo usuwamy hot piksele programowo. Ale jak nasza matryca pamięta jeszcze zeszłe tysiąclecie i ma paskudny wzór termiczny, to darki niestety są wskazane. A ile flatów? A tak z 10 w

3 zupełności starcza, ale porządnie naświetlonych. Flaty są normalizowane i nie są sumowane z materiałem i chod jest w nich sporo szumów, to nie jest on bezpośrednio dodawany do materiału. No spoko, ale przecież mamy od groma programów i sposobów na usuwanie szumu, to po co naświetlad tyle kaliklatek?! Hehe, po pierwsze - nie usuwanie, tylko redukcję. Po drugie - to bardzo dobrze, i warto je mied, ale skoro już na wejściu możemy mied mniejszy szum, to po redukcji wynik na pewno będzie lepszy. A po trzecie - w wielu algorytmach skutecznośd redukcji szumu jest proporcjonalna do różnicy w skali pomiędzy redukowanym zjawiskiem (szumem) a tym, które chcemy zachowad (obrazem). Jeśli najmniejsze detale obrazu mają rozmiar w okolicy 1px, to redukcja szumu siłą rzeczy będzie takie detale psuła i jej efektywnośd będzie niewielka. Warto więc dbad o to, żeby obraz nie był podpróbkowany - patrz pierwsza częśd. Jak często aktualizujemy klatki kalibracyjne? No, hm, to zależy. Wzór hot pikseli może się zmienid w każdej chwili, a i nowa padnięta kolumna może się pojawid dowolnym momencie. Podobnie syfki na filtrach mogą się przemieścid byle kiedy. Mając na celu prace ukierunkowane bardziej naukowo dobrze jest klatki kalibracyjne robid przed każdą sesją, a nawet przed i po. Również jak wymieniamy jakiś fragment elektroniki zestawu: kabel USB, hub USB, zasilacz, to może mied to wpływ na wygląd klatek bias czy dark. Najlepiej uznad to po prostu za częśd procesu, bo bez tego etapu obróbki otrzymane wyniki zamiast wartości naukowych będą miały co najwyżej walory estetyczne: "o jaki ładny i gładki wykres fotometryczny przedstawiający to, co bym chciał". W każdym innym przypadku (np. kiedy robimy po prostu ładne zdjęcia) to, o ile w ogóle używamy klatek kalibracyjnych, aktualizujemy je, kiedy już zaczynamy zauważad, że słabo nam kalibrują materiał. Na przykład - nie usuwają hot pikseli albo padniętych kolumn, albo kleksów, pączków czy innych śladów z zanieczyszczeo na optyce. Najszybciej "starzeją" się klatki typ flat. Ogólnie z grubsza rzecz biorąc klatki flat aktualizujemy co kilka dni/tygodni. W przypadku biasów i darków są to tygodnie/miesiące. Jak wykonujemy klatki kalibracyjne? Biasy z czasem tak krótkim, jak kamerka pozwala i przy zasłoniętym obiektywie. Darki z czasem takim, jak klatki z materiałem i w ciemności - w koocu nazwa dark do czegoś zobowiązuje. Kamerki nie zawsze są światłoszczelne i robienie darków w dzieo raczej nie da nam dobrych wyników. Ale już w lodówce na przykład - czemu nie? Podobno jak się zamknie lodówkę to światełko wewnątrz gaśnie i jest ciemno. W każdym razie u mnie darki z lodówki wychodziły dobrze. Zarówno darki i biasy robimy dla konkretnej temperatury. Niektóre programy potrafią dopasowad w pewnym zakresie czas i temperaturę wykonania darka, jeśli parametry klatki z materiałem się nieco różnią, ale nie jest to tak dobra opcja jak dokładnie dobrana klatka dark pod względem czasu ekspozycji i temperatury. Niezbędne też są do tego procesu klatki bias. A klatki flat? O, tutaj to można napisad całe tomy na ten temat. Chyba nie ma dwóch amatorów astrofotografii, którzy robią klatki flat w ten sam sposób. W tej nierównej potyczce udział biorą t- shirty i flatownice, kartki papieru i sky flaty, wymyślne konstrukcje z LEDów, żarówek, kalki technicznej, zmatowionej pleksi i wiele, wiele innych sposobów. Ważne są trzy rzeczy: żeby histogram klatki flat był jak najdalej, ale nie dalej niż 3/4 wykresu (szum kontra nieliniowośd kamerki), żeby pole widzenia instrumentu było jednolicie oświetlone i żeby klatki flat wykonywad dokładnie w takim ustawieniu elementów zestawu, jak klatki z materiałem. A więc odpowiednie ustawienia filtrów, ostrości oraz rotatora (o ile posiadamy).

4 Jak używamy klatek kalibracyjnych? Jest wiele ścieżek prowadzących do celu. Najlepiej jednak przeczytad w instrukcji używanego przez nas programu w jaki sposób kalibrowad materiał. Tam się dowiemy co, jak i w jakiej ilości dodad i jak kalibrowad. Jak dla mnie referencyjnym rozwiązaniem dysponuje MaxIm DL z jego biblioteką kalibracyjną - nie spotkałem się z łatwiejszym podejściem do implementacji tego procesu. A wyniki są bardzo dobre. Lepsze, niż w pozostałych programach, które testowałem w tej materii. Sama kalibracja przebiega trochę różnie, w zależności od rodzaju klatek, którymi dysponujemy: - BIAS: od materiału odejmowany jest sygnał bias - BIAS + DARK: od materiału odejmowany jest sygnał bias i dark, dodatkowo istnieje możliwośd dopasowania sygnału dark do innego czasu ekspozycji - BIAS + DARK + FLAT: jak wyżej plus materiał dzielony jest przez znormalizowanego flata z odjętym sygnałem bias (to ważne! kalibrując flatami miejmy też biasy) Czasami jeszcze klatkom flat podaje się klatki dark wykonane w takich samych warunkach jak flaty (tzw. dark flaty). MaxIm wszystkie te kombinacje łyka jak młody pelikan ryby i potrafi zapanowad nad całym stadem plików kalibracyjnych (o ile w nagłówku FITS mają odpowiednie informacje - temperaturę, czas ekspozycji i używany filtr). A jak składad klatki kalibracyjne? Podobnie jak każde inne. Przy klatkach dark i flat warto użyd jakiegoś algorytmu odrzucającego błędne piksele, np. Sigma Clip, żeby się pozbyd artefaktów pochodzących z promieniowania kosmicznego. Przy klatkach bias nie jest to krytyczne, bo czas ekspozycji jest znikomy. Coś jeszcze o klatkach kalibracyjnych? Na ich podstawie można co nieco wywnioskowad o sprzęcie. Klatki flat to wiadomo, będzie widad winietę, odblaski i położenie syfków w torze optycznym. Odległośd syfku od matrycy można obliczyd za pomocą kalkulatorahttp:// Z klatek dark dowiemy się jak wiele wad produkcyjnych ma matryca. Hot piksele na pewno jakieś będą. Padnięte kolumny mogą się zdarzyd też. Sąsiadujące ze sobą padnięte kolumny to już dośd poważny defekt. Gradient albo pojaśnienia przy krawędziach klatki dark oznaczają najczęściej nierównomierne chłodzenie matrycy. W przypadku matryc CMOS za pojaśnienie może odpowiadad ciepło pracującej w pobliżu elektroniki - to tak zwany amp glow. Ale oprócz gradientu i wadliwych pikseli i kolumn nie powinniśmy raczej nic więcej tam widzied. Na klatce bias z kolei powinniśmy widzied jedynie szum oraz ewentualnie padnięte kolumny. Może też byd (w przypadku przetworników CCD) byd widoczny niewielki gradient w kierunku transferu ładunku (pionowo, poziomo albo po skosie), który wynika ze strat w transferze (pisałem o tym w poprzedniej części). I tyle. Szum powinien byd jednolity i nie powinno byd w nim żadnego powtarzalnego wzoru, co można łatwo sprawdzid przeprowadzając na fragmencie obrazu transformację Fouriera. Idealnie w jej wyniku powinniśmy dostad pośrodku obrazu jeden punkt. Wtedy też najlepiej działają algorytmy do redukcji losowego szumu. Coś jeszcze w okolicach kalibracji? Są jeszcze dwa tematy pokrewne - usuwanie wadliwych pikseli i kolumn mapą, oraz dithering. Niektóre programy oprócz czysto programowego usuwania defektów oferują usuwanie ich za pomocą przygotowanej wcześniej na podstawie klatki dark odpowiedniej mapy. Po wskazaniu klatki master dark i określeniu progów detekcji program znajduje i zapisuje położenie wadliwych piskeli na matrycy. Następnie możliwe jest użycie takiej mapy na klatce z materiałem w celu usunięcia artefaktów. Wartości w wadliwych pikselach zostają zastąpione średnią wartością z pikseli otaczających. Jeśli klatka dark naszej kamerki pokazuje jedynie hot piksele to spokojnie możemy

5 używad takiej mapy bez wykonywania całej serii klatek typu dark, przez co zyskad możemy całkiem sporo czasu. Natomiast dithering to metoda, którą stosujemy podczas akwizycji materiału. Pomiędzy poszczególnymi zbieranymi klatkami kadr zostaje przesunięty o pewną losową ilośd pikseli w losowo wybranym kierunku. Dzięki temu po wyrównaniu klatek na gwiazdach, hot piksele i inne artefakty lądują w różnych miejscach kadru i następnie zostają wyczyszczone przez algorytm składający materiał. Warunkiem koniecznym jest posiadanie sporej ilości klatek (jakoś z 10 albo więcej) oraz użycie algorytmu odrzucającego błędne piksele.