Процесс обработки исходных фотографий для новичка может показаться какой-то магией. Более того, есть много людей, которые занимаются астрофотографией и не понимают сути самого процесса, делая всё "по инструкции". Разберемся с этим.
Про практическую часть обработки астрофотографий написано здесь.
Для начала поговорим об искажениях, возникающих во время фотографирования. Их можно разделить на две группы:
Искажения постоянного характера
- Неравномерность свойств пикселей матрицы, битые пиксели, горячие пиксели (D)
- Паразитная засветка матрицы (D)
- Неравномерность свойств цепей чтения сигнала с матрицы (B)
- Виньетирование (F)
- Затенения от налипшей на оптические элементы пыли (F)
Искажения случайного характера (белый шум)
- Дробовой шум от объекта съемки
- Дробовой шум от фоновой засветки неба
- Квантовый (тепловой) шум матрицы
- Дробовой шум в цепях чтения и обработки сигнала с матрицы
В первую группу входят искажения постоянного характера. Они практически неизменны на протяжении фотосессии и зависят от индивидуальных особенностей используемой аппаратуры. Было бы неплохо вычислить их. Т.е. получить устойчивый шумовой патерн. Тогда мы сможем скорректировать наши кадры и минимизировать эти искажения.
Разберем их по порядку. Технологически невозможно сделать матрицу, на которой пиксели ведут себя абсолютно одинаково. Среди миллионов пикселей всегда есть вышедшие из строя - битые пиксели. Есть и такие, которые начинают "плохо" себя вести при увеличении температуры матрицы - горячие пиксели. Рядом с матрицей размещены различные электронные компоненты, которые излучают электромагнитные волны, и они, в свою очередь, приводят к дополнительной засветке пикселей матрицы - паразитная засветка матрицы.
Чтобы получить устойчивый шумовой патерн для таких искажений, нужно сделать снимок с теми же параметрами, которые использовались при съемке объекта (усиление, выдержка, температура), но без самого объекта. Т.е. сделать кадр с закрытой крышкой. Оттого такие кадры и называются dark-кадрами. Обратите внимание, что первые два пункта в списке искажений помечены буквой D (сокращение от Dark).
Очень важно делать dark-кадры при той же температуре, при которой производилась съемка объекта, т.к. температурные условия сильно влияют на общую картину возникающих искажений.
Мы получили dark-кадр. Но в нем, помимо устойчивого шумового паттерна есть много шумов случайного характера. К счастью, от них можно избавиться при помощи стекирования. А для этого нам понадобится сделать много dark-кадров. Сколько много? Чем больше, тем лучше. Но при отсутствии времени достаточно 30-50 штук. После их стекирования мы получим master-dark-кадр, в котором и будут запечатлены искомые искажения. Выглядит это примерно так:
Конечно, на изображении выше был подрегулирован контраст, чтобы было что-нибудь видно. В реальности не всё так печально. По всему полю кадра видна некоторая рябь - это неравномерность свойств пикселей матрицы. Также, в некоторых местах видна засветка от электронных компонентов, размещенных рядом с матрицей.
Такие искажения будут в каждом кадре с объектом съемки (далее light-кадры). А значит, мы можем от них избавиться, вычтя попиксельно из кажого light-кадра наш master-dark:
result = light - master-dark
Итак, мы избавили наши light-кадры от части искажений, связанных с матрицей. Есть еще неравномерность свойств цепей чтения сигнала с матрицы. Как получить их? Нужно сделать кадр с закрытой крышкой с минимальной возможной выдержкой. При выдержке в тысячные секунды в потенциальных ямках пикселей не успеют скопиться электроны (например, от паразитной засветки). Т.е. сигнал с матрицы для каждого пикселя будет нулевым. И все искажения, которые мы получим, будут связаны с цепями чтения сигнала с матрицы. Такие кадры называют bias-кадрами.
Очень важно делать bias-кадры при той же температуре, при которой производилась съемка объекта, т.к. температурные условия сильно влияют на общую картину возникающих искажений.
Но у нас опять в кадре будут шумы из второй группы искажений. Значит, как и в случае с dark-кадрами, мы избавимся от них стекированием. Т.е. нам опять понадобится 30-50 кадров, сделанных при закрытой крышке и с минимально возможной выдержкой. В результате стекирования получим master-bias-кадр. Это устойчивый шумовой патерн цепей чтения сигнала с матрицы. И он будет в кажлом light-кадре. А значит, мы можем избавиться от этих искажений попиксельно вычтя из каждого light-кадра master-bias-кадр. В итоге (вместе с коррекцией для master-dark) получим следующую формулу:
result = light - master-dark - master-bias
Мы откорректировали наши light-кадры, избавившись от устойчивых шумовых патернов камеры. Остались искажения постоянного характера, отмеченные буквой F. Это искажения в оптическом тракте. Как их вычленить? Нужно сфотографировать что-нибудь равномерное по яркости по всему полю кадра. Мы знаем, что на фотографии должен получиться равномерный фон, но виньетирование и прилипшие к оптике пылинки изменят этот фон. И мы получим картинку с искажениями.
Обычно, объектив/телескоп разворачивается вертикально вверх и на него кладется плоская лампа соответствующего размера (flat-лампа). Важно, чтобы свет от неё был рассеяный и равномерный по всей поверхности. Если апертура объектива/телескопа невелика, то часто используют планшет, на экране которого белый ровный фон. Ниже фотография с планшетом на объективе. Снято днем, чтобы было лучше видно. Но вы, конечно, будете снимать flat-кадры той ночью, когда будете фотографировать объект.
Иногда снимают кусок неба, когда звезды еще не появились и небо имеет большую яркость. Но это работает, если у вас монохромная камера. Если камера цветная, то такие кадры придется сначала обесцветить.
Важно снимать плоское поле (flat-кадр) в той же конфигурации оборудования - ничего не отсоединять, ничего не поворачивать по оси. Например, пылинка, осевшая на стекло фильтра, может дать на плоском поле затенение. Если вы повернете камеру относительно объектива, то местоположение пылинки в кадре будет отличным о её местоположения при съемке объекта и теряется смысл такой коррекции. Поэтому, flat-кадры снимаются сразу после съемки объекта. Некоторые фотографы снимают их вначале.
flat-кадры важны для коррекции фотографий. Без них вы получите в конечном кадре сильное виньетирование. Иногда оно не симметрично относительно центра и фотография будет выглядеть не ахти. Пример flat-кадра ниже.
Перед матрицей стоял клиповый фильтр. Он дал сильное виньетирование по краям. Сам телескоп дал виньетирование. В нижней части видно небольшое затенение. Это виньетирование от призмы узла внеосевого гидирования. В левом верхнем углу кадра видна пылинка, прилипшая к фильтру перед матрицей.
flat-кадры нужно делать так, чтобы пик на гистограмме освещенности был примерно по центру или чуть смешен вправо. Если у вас цветная камера, то большое значение имеет оттенок цвета flat-лампы - должен быть строго белым.
Конечно, flat-кадр будет содержать шумы от матрицы. Но мы уже знаем как с этим бороться - стекирование. Т.е. и flat-кадров нужно сделать 30-50 штук, после чего стекировать их в master-flat.
Особо продвинутые фотографы делают еще отдельные dark-кадры, для коррекции флатов. Ведь, выдержка для flat-кадров будет отличаться от выдержки для light-кадров. А получение устойчивого шумового паттерна должно производиться при тех же условиях (выдержка, температура). Оставляю этот вопрос на "подумать самостоятельно".
Итак, запишем конечную формулу коррекции light-кадров:
result = (light - master-dark - master-bias) / master-flat
Такая коррекция позволяет минимизировать все искажения из первой группы. Следует сделать одну оговорку. Если подумать, то при создании master-dark мы получаем так же еще и устойчивый патерн шума канала чтения (master-bias). Т.е. нет смысла делать отдельно master-bias - он входит в master-dark. Из-за этого многие фотографы отказались от использования master-bias, и используют только master-dark и master-flat. Здесь описано создание master-bias для того, чтобы у вас не возникало вопроса "что это?", когда будуте использовать софт для обработки астрофотографий. Модифицируем конечную формулу с учетом этого:
result = (light - master-dark) / master-flat
Весь это процесс коррекции исходных снимков называется калибровкой.
Идем дальше. У нас есть много откалиброванных кадров объекта съемки. Но далеко не факт, что позиции звезд и прочего совпадают от кадра к кадру. Каждый кадр может быть смещен относительно других. Мы можем снимать несколькими сессиями и навестись во вторую ночь точно в то же место, что и в первую ночь, практически невозможно. В течении одной сессии объект может проходить через небесный меридиан и для продолжения съемки придется развернуть ось RA на 180 градусов (чтобы оборудование не уперлось в штатив и прочие неподвижные части). Более того, очень хорошо, когда следующий кадр смещен на небольшую величину относительно предыдущего. Иначе, один и тот же участок изображения будет попадать на одни и те же пиксели матрицы. Если там есть битые пиксели или горячие пиксели, в случае точного позиционирования всех кадров, информация с этих участков потеряется.
В общем, небольшие подвижки кадров - это правильно. На современных системах управления монтировками для этого применяется процесс, называемый дизерингом. Если такой опции нет, то лучше делать это руками, немного смещая наведение от кадра к кадру. Иначе на конечном кадре получим очень некрасивую структуру из косых темных пятен. На картинках ниже один и тот же объект. Кадры на верхнем снимке были сняты без дизеринга, что привело к появлению некрасивой структуры из пятен.
Итак, есть много откалиброванных кадров, но все они чуть-чуть (или совсем не чуть-чуть) не совмещены. Надо совместить. Этот процесс называется регистрацией. Параллельно, при поиске звезд на каждой картинке (именно по звездам выполняется совмещение), расчитываются разные статистические параметры. Например округлость звезд. По этим параметрам можно оценить какие кадры стоит отбросить, а какие оставить.
По завершению регистрации у нас есть набор откалиброванных и совмещенных кадров. Осталось сделать последнее - расправиться с шумами из второй группы (искажения случайного характера). А это делается... стекированием. И мы получаем долгожданный кадр. С ним много чего нужно будет доделать - кадрировать, откорректировать уровни, сделать цветокоррекцию и прочие правки. Но это уже другая история.
Конечно, во всем процессе обработки исходных фотографий есть много нюансов, которые здесь не затрагивались. Но эта статья предназначена для новичков астрофотографии, чтобы сложилось понимание для чего и почему обработка делается именно так. В дальнейшем, на основании этого можно двигаться дальше, самостоятельно разбираясь с нюансами.
Темного вам неба!