Μέρος 15 - Βαθμονόμηση: Λήψη φωτεινών και σκοτεινών εικόνων

Σχηματική αναπαράσταση της βαθμονόμησης: Το τελικό αποτέλεσμα δημιουργείται αφού αφαιρεθεί μια εικόνα σκιάς από την αρχική εικόνα και διαιρεθεί με μια εικόνα φωτεινού πεδίου.

Μέρος 15: Βαθμονόμηση: Λήψη εικόνων φωτεινού πεδίου και σκιάς

Οι ψηφιακές αστροφωτογραφίες περιλαμβάνουν μη επεξεργασμένα όχι μόνο τα δεδομένα που παρέχει το φωτογραφημένο αντικείμενο του ουρανού, αλλά και μια σειρά από αρτεφάκτα, δηλαδή μη επιθυμητές εμφανίσεις. Με τον όρο "βαθμονόμηση" εννοείται η διαδικασία που έχει ως στόχο την απαλλαγή των αρχικών εικόνων από αυτά τα αρτεφάκτα.

Αιτία των αρτεφάκτων

Αρχικά, θέλουμε να εξετάσουμε ποια στοιχεία είναι υπεύθυνα για τη δημιουργία των αρτεφάκτων και ποιον τύπο ανεπιθύμητων πληροφοριών παράγουν:

1. Η Κάμερα

Οι αισθητήρες εικόνας ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών καθώς και η ηλεκτρονική ανάγνωσή τους οδηγούν σε ένα περισσότερο ή λιγότερο έντονο "θόρυβο" εικόνας, που είναι εμφανέστερος στις εικόνες με ομοιόμορφα φωτεινές ή σκοτεινές περιοχές. Κάνοντας διάκριση μεταξύ του θολού της φωτεινότητας ή φωτορόχθυσης, όπου τα εικονοστοιχεία σε ομοιόμορφες φωτεινές περιοχές λαμβάνουν τυχαίες φωτεινότητες και του θολού του χρώματος, όπου τα εικονοστοιχεία που εμφανίζουν για κάθεπ που προφανώς δείχνουν ένα πανομοιότυπο μοτίβο, έχοντας μια ελαφρώς διαφορετική αναπαραγωγή χρώματος. Το ηλεκτρονικό θόρυβο εικόνας έχει διάφορες αιτίες. Ένας από τους κύριους λόγους είναι το ολισθαινόμενο θόρυβο, το οποίο προκαλείται από διεργασίες στον αισθητήρα που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία και εξαναγκάζουν αυθόρμητα στη δημιουργία "φορτίου" στα εικονοστοιχεία που αργότερα ερμηνεύτηκε ως πληροφορία φωτεινότητας. Αυτό το μέρος του θορύβου προκύπτει επομένως ακόμα και όταν ο αισθητήρας δεν εκθέτεται σε φως κατά τη διάρκεια της "χρόνου έκθεσης". Γι' αυτό δημιουργήθηκε ο όρος "θόρυβος σκοτούς ρεύματος".



Το ποσό του θορύβου είναι καθοριστικό εξαρτημένο από τους εξής παράγοντες:

α) Θερμοκρασία (έντονοτερος θόρυβος σε υψηλές θερμοκρασίες)

b) Χρόνος έκθεσης (όσο μεγαλύτερος ο χρόνος έκθεσης, τόσο μεγαλύτερος ο θόρυβος)

c) ISO (έντονοτερος θόρυβος με αύξηση της τιμής ISO)

Επίσης, δεν πρέπει να παραλειφθεί η κατηγορία του αισθητήρα που χρησιμοποιείται, το λογισμικό που λειτουργεί στην κάμερα για την καταπολέμηση του θορύβου, καθώς και ο θόρυβος ανάγνωσης που προκαλείται από την ηλεκτρονική που μετράει τα δεδομένα του αισθητήρα μετά την έκθεση, αν και αυτοί οι παράγοντες εξαρτώνται από την κάμερα και δεν μπορούν να επηρεαστούν από το φωτογράφο, δεν θέλουμε να εστιάσουμε περαιτέρω σε αυτούς.

Εκτός από το θόρυβο, στους ψηφιακούς αισθητήρες εικόνας εμφανίζονται μοναδικά εικονοστοιχεία, των οποίων οι τιμές φωτεινότητας διαφέρουν πολύ από αυτές του περιβάλλοντος. Για παράδειγμα, ένα εικονοστοιχείο που δεν αντιδρά καθόλου στο φως παραμένει πάντα μαύρο και αποκαλείται "νεκρό εικονοστοιχείο" (dead pixel ή cold pixel). Άλλα εικονοστοιχεία, αντίθετα, αντιδρούν πολύ ευαισθητοποιημένα στο φως που πέφτει, λαμβάνοντας πολύ γρήγορα πολύ υψηλές τιμές φωτεινότητας ή ακόμη και φτάνουν στην πλήρη κορεστικότητα, κι έτσι εμφανίζονται λευκά.

Αυτά τα ανώμαλα εικονοστοιχεία ονομάζονται " καυτά εικονοστοιχεία" (hot pixel). Τόσο τα "νεκρά" όσο και τα "καυτά" εικονοστοιχεία είναι σχεδόν αναπόφευκτα κατά την παραγωγή των αισθητήρων, γι' αυτό πρέπει να γίνει δεκτή μια προσδεκτή ποσότητα αυτών των ελαττωματικών εικονοστοιχείων. Με την πάροδο των ετών και την γήρανση του αισθητήρα, ο αριθμός αυτών των επηρεασμένων εικονοστοιχείων μπορεί να αυξηθεί.



Ενός κομμάτι από μια εικόνα σκιάς, δημιουργημένη με μια Canon EOS 450D σε ISO 100 (αριστερά) και ISO 1600 (δεξιά). Ο χρόνος έκθεσης ήταν δέκα λεπτά. Είναι εμφανές πως το συνολικό θόρυβο αυξάνεται με υψηλότερη τιμή ISO. Και τα δύο επιλεγμένα κομμάτια εικόνας έχουν φωτιστεί με τον ίδιο τρόπο, για να γίνει εμφανές το θόρυβο.

2. Η Οπτική Λήψη

Κανένα τηλεσκόπιο και καμία φακός δεν προσφέρει μια τέλεια απεικόνιση. Όσο μακριά απομακρύνεστε από τον οπτικό άξονα, τόσο πιο έντονα θα εμφανίζονται τα ελαττωματικά στοιχεία της απεικόνισης, δηλαδή οι αβεβαιότητες. Ειδικά πληγώνονται τα άκρα της εικόνας. Μια βαθμονόμηση δεν μπορεί να διορθώσει αυτά τα ελαττώματα της απεικόνισης. Γι' αυτό θέλουμε να εστιάσουμε στις εμφανίσεις που μπορούν να κομίσουν προοστασία μέσω βαθμονόμησης.

Πρώτον, η προσβαλέντισα, δηλαδή η σκίουρα των άκρων της εικόνας. Είναι παρατηρητέα ιδιαίτερα με φακούς φωτογραφικής μηχανής σε πλήρως

Η βρωμιά στη διαδρομή των ακτίνων φαίνεται ως σκούρες πανάδες. Τα τρία επάνω σημεία είναι σωματίδια που βρίσκονται πάνω στον αισθητήρα. Η κάτω σημείωση σκόνης απεικονίζεται αρκετά ασαφώς και βρίσκεται σε ένα φακό του φακού που χρησιμοποιείται:

Στην αριστερή λήψη του Γαλαξία μας, ανακάλυψα ένα νήμα σκόνης, το οποίο απεικονίστηκε αρκετά καθαρά και είχε κατακαθίσει στο γυαλί προστασίας του αισθητήρα. Μετά την ενεργοποίηση της λειτουργίας καθαρισμού του αισθητήρα στο μενού της φωτογραφικής μηχανής, ο ενοχλητικός διαλύτης εξαφανίστηκε (δεξιά):

Η λειτουργία καθαρισμού του αισθητήρα που ενσωματώνεται σε πολλές φωτογραφικές μηχανές προσπαθεί να "ξεπλύνει" τα μικρά σωματίδια βρωμιάς που βρίσκονται πάνω στο γυαλί προστασίας του αισθητήρα με υψηλές συχνότητες. Συχνά δεν επιτυγχάνονται τέλεια, ωστόσο η χρησιμότητα αυτής της λειτουργίας είναι αναμφίβολη (βλ. παρακάτω παράδειγμα εικόνας).

Λήψη εικόνων για βαθμονόμηση

Τα συζητηθέντα αρτεφάκτα μπορούν να εξαλειφθούν ή τουλάχιστον να αμβλυνθούν με την διεξαγωγή μιας διαδικασίας βαθμονόμησης. Για να γίνει αυτό, πρέπει να δημιουργηθούν δύο είδη λήψεων βαθμονόμησης:

1. Σκοτεινές εικόνες (Darkframes)

Οι σκοτεινές εικόνες εκτίθενται ακριβώς τόσο καιρό όσο και οι πραγματικές εικόνες του ουρανού. Ωστόσο, λαμβάνεται η προφύλαξη ώστε κανένα φως να μην φτάσει στον αισθητήρα, για παράδειγμα με την τοποθέτηση του μπροστινού καπακιού του φακού!

Το αποτέλεσμα δεν είναι μια εντελώς μαύρη φωτογραφία, καθώς το σκοτεινό έιδωλο περιλαμβάνει τον πλήρη θόρυβο του σκοτεινού ρεύματος. Λαμβάνοντας υπόψη ότι αυτός ο θόρυβος σκοτεινού ρεύματος θεωρείται ότι είναι ταυτόσημος με αυτόν της εικόνας του ουρανού. Μια τέτοια υπόθεση είναι τολμηρή, διότι ο θόρυβος περιλαμβάνει πάντοτε και μια στατιστική, μη προβλέψιμη συνιστώσα. Αυτή, ωστόσο, είναι ευτυχώς σε σχετικά χαμηλό βαθμό ποσότητας, έτσι ώστε σε μια πρώτη προσέγγιση η ανωτέρω υπόθεση είναι αρκετά σωστή.

Επιγραμμική εικόνα ενός σκοτεινού ειδώλου, δημιουργημένη με μια Canon EOS 1000D στα ISO 1600 με δέκα λεπτά εκθέσης. Αριστερά η μη αλλαγμένη εικόνα, δεξιά το αποτέλεσμα μετά την αύξηση των τόνων με το Photoshop (Εντολή Εικόνα>Προσαρμογές>Καμπύλες φωτεινότητας…)

Η ιδέα είναι τώρα να απαθανατίσουμε με το σκοτεινό έιδωλο μόνο το μέρος του θορύβου, προκειμένου να το αφαιρέσουμε αργότερα από την εικόνα του ουρανού. Με αυτό τον τρόπο, ο θόρυβος θα εξαφανιστεί ή τουλάχιστον θα μειωθεί. Παράλληλα, όλα τα "καυτά" εικονοστοιχεία θα επισκευαστούν, τα οποία περιέχουν ακόμη δεδομένα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν, δηλαδή δεν είναι πλήρως κορεσμένα. Τα νεκρά και τα εντελώς κορεσμένα εικονοστοιχεία, αντίθετα, δεν μπορούν να "επισκευαστούν" με ένα σκοτεινό έιδωλο.

Για να παράγουμε "κατάλληλα" σκοτεινά είδωλα, πρέπει όλες οι πλαισιώσεις στις οποίες εξαρτάται ο θόρυβος του σκοτεινού να είναι ταυτόσημες με αυτές των εικόνων του ουρανού. Αυτό σημαίνει ότι δεν θα πρέπει να αλλάξει μόνο ο χρόνος έκθεσης, αλλά και η τιμή ISO σε σχέση με τις εικόνες του ουρανού. Ένα πρόβλημα δημιουργείται από τη θερμοκρασία του αισθητήρα, η οποία σε πολλές φωτογραφικές μηχανές (περίπου σε όλες τις ψηφιακές μηχανές με αντικρουστικό φακό) δεν μπορεί να ρυθμιστεί. Αυτό σημαίνει ότι τα σκοτεινά είδωλα πρέπει να δημιουργηθούν όσο το δυνατόν πιο σύντομα μετά τις εικόνες του ουρανού, δηλαδή είτε λίγο πριν είτε αμέσως μετά. Καθώς ο αισθητήρας θερμαίνεται κατά τη διάρκεια μεγάλων χρόνων έκθεσης, περισσότερα σκοτεινά είδωλα που λαμβάνονται σε διαφορετικά χρονικά σημεία και αργότερα μέσω μέσου όρου βελτιώνουν το αποτέλεσμα. Για παράδειγμα, θα μπορούσατε να δημιουργήσετε ένα σκοτεινό έιδωλο πριν και ένα δεύτερο μετά από μια σειρά με πολλές μακροχρόνιες εκθέσεις.

Παράδειγμα εφαρμογής:

Θέλετε να φωτογραφίσετε τον Δαχτυλίδια Αστέρων στον αστερισμό της Λύρας με μια ψηφιακή μηχανή με αντικρουστικό φακό. Για να το κάνετε αυτό, σχεδιάζετε οκτώ λήψεις, η κάθε μία διάρκειας δέκα λεπτών. Στη συνέχεια απενεργοποιείτε όλα τα μέσα που προσφέρονται στο μενού της μηχανής για τη μείωση του θορύβου! Αυτό ισχύει ρητά για το σημείο "Μείωση θορύβου σε μακροχρόνιες εκθέσεις", επειδή διαφορετικά η μηχανή θα δημιουργούσε αυτόματα ένα σκοτεινό έιδωλο με την ίδια διάρκεια εκθέσεως μετά από κάθε λήψη, καταναλώνοντας πολύτιμο χρόνο παρατήρησης. Η μισή ώρα παρατήρησης θα έπρεπε να την ξοδέψετε για τις αυτόματα δημιουργημένες σκοτεινές εικόνες.

Στην ιδανική περίπτωση, οι εικόνες φωτεινού πεδίου πρέπει να δημιουργούνται με τη χαμηλότερη δυνατή ρύθμιση ISO και τη σύντομη χρόνο έκθεσης, προκειμένου να μην εισάγετε επιπλέον θόρυβο από το σκοτεινό ρεύμα.

Ένα παράδειγμα από την πράξη:

Έχετε ήδη "στο ντουλάπι" τις λήψεις του Δαχτυλίδιας Νεφέλης και τις αντίστοιχες ποσότητες σκοτεινών εικόνων που συζητήθηκαν στο κεφάλαιο "Σκοτεινές εικόνες". Τώρα θέλετε να δημιουργήσετε εικόνες φωτεινού πεδίου. Είναι πολύ σημαντικό να παραμείνει απόλυτα αμετάβλητη η διάταξη της κάμερας και του φακού! Οπότε μην αφαιρείτε τον φακό από την κάμερα ή την κάμερα από το τηλεσκόπιο και μην αλλάζετε ποτέ την εστίαση! Για να απεικονίζονται τα σωματίδια σκόνης στην ίδια θέση του αισθητήρα όπως και στις λήψεις του ουρανού, είναι ακόμη συμφέρον να μην ακουμπάτε καν την κάμερα. Εάν υπάρχει δυνατότητα, είναι προτιμότερο να γίνεται ο έλεγχος της κάμερας μέσω φορητού υπολογιστή που είναι συνδεδεμένος. Ίσως είναι ακόμη κρίσιμο όταν η σύνδεση της κάμερας με το τηλεσκόπιο ή το προσοφθάλμιο του δεν είναι και τόσο σταθερή. Στη συνέχεια, το ερώτημα είναι πού μπορείτε να βρείτε κατά τη διάρκεια της νύχτας μια ομοιόμορφα φωτισμένη επιφάνεια. Μια επιλογή είναι να τοποθετήσετε ένα ημιδιαφανές υλικό (π.χ. ένα κομμάτι χαρτί) μπροστά στον φακό ή το τηλεσκόπιο, το οποίο μετά φωτίζεται από μια λάμπα στην πρόσοψη. Ακόμη και μια φορτιστής κλείση μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πηγή φωτός. Για να επιτευχθούν οι επιθυμητοί σύντομοι χρόνοι έκθεσης, απαιτείται μια φωτεινή πηγή φωτός. Σημαντικό παρ' όλα αυτά είναι η σωστή έκθεση της εικόνας φωτεινού πεδίου. Πρέπει να υπάρχει επαρκής φωτεινότητα, χωρίς όμως να φτάνει στην υπερκορεσμένη πλευρά.

Για να το επιτύχετε αυτό, ελέγξτε το ιστόγραμμα της εικόνας φωτεινού πεδίου, το οποίο πρέπει να βρίσκεται δεξιά του κέντρου, χωρίς ωστόσο να φτάνει στο δεξί άκρο. Με συνεχές φως, μπορείτε απλά να ρυθμίσετε την κάμερα σε αυτόματο χρόνο („Av“ ή „A“) και τη χειροκίνητη ρύθμιση έκθεσης στην τιμή „+1,5“. Έτσι, μπορείτε ακόμη και οι εικόνες φωτεινού πεδίου να δημιουργηθούν με τη χρήση της αυτόματης έκθεσης της κάμερας. Το σημαντικό είναι να ρυθμίσετε τον ίδιο διάφραγμα που χρησιμοποιήθηκε για τις λήψεις του ουρανού.

Συνοψίζοντας, αναφέρεται ότι η δημιουργία και των σκοτεινών και των φωτεινών εικόνων πρέπει να γίνεται με τη μέγιστη προσοχή. Από τη μία πλευρά, διότι μετά την αποσυναρμολάω δεν είναι δυνατή η αναπαραγωγή τους, και από την άλλη πλευρά, διότι με τη χρήση "εσφαλμένων" λήψεων βαθμονότησης, το αποτέλεσμα μπορεί να χειροτερέψει αντί να βελτιωθεί.

Εκτέλεση της βαθμονότησης

Τελικά, η βαθμονότηση είναι μια μαθηματική λειτουργία, όπου από κάθε εικονοστοιχείο αφαιρείται η σκοτεινή εικόνα και στη συνέχεια διαιρείται με την εικόνα φωτεινού πεδίου. Άρα η συντακτική μορφή είναι:



Συντακτική μορφή για τη βαθμονότηση εικόνας.



Αλλά μην ανησυχείτε, δεν χρειάζεται να εκτελέσετε αυτή την υπολογιστική λειτουργία για τα εκατομμύρια pixel της ψηφιακής σας κάμερας. Αυτό το κάνει για εσάς ένα κατάλληλο λογισμικό.

Η βαθμονότηση των αστρονομικών εικόνων μέσω σκοτεινών και φωτεινών εικόνων δεν μπορεί να γίνει με συνηθισμένα προγράμματα επεξεργασίας εικόνων, όπως το Adobe Photoshop. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για φωτογραφίες που έχουν ληφθεί με ψηφιακές κάμερες έγχρωμης αντίθεσης, δηλαδή για παράδειγμα μία ψηφιακή μετακινούμενη φωτογραφική μηχανή. Ο λόγος βρίσκεται στη σύνθεση χρωμάτων από την αρχική εικόνα: Τα μεμονωμένα pixel του αισθητήρα λήψης είναι εξοπλισμένα με διαφορετικές φίλτρα χρώματος („Μήτρα Bayer“), με αποτέλεσμα να πραγματοποιείται αυτόματα μία διάδοση των RGB τιμών χρώματος για κάθε pixel με το άνοιγμα του αρχείου εικόνας. Ωστόσο, η βαθμονότηση πρέπει να πραγματοποιηθεί πριν γίνει η σύνθεση χρώματος!

Ένα πολύ εύκολο στη χρήση λογισμικό για τη σωστή βαθμονότηση είναι το "DeepSkyStacker", το οποίο μπορεί να κατεβάσετε δωρεάν (Freeware) από τον ιστότοπο http://deepskystacker.free.fr/german/index.html. Μέσω αυτού του προγράμματος θέλω να εξηγήσω τη διαδικασία της βαθμονότησης.

Πρώτα αποθηκεύω τις λήψεις του ουρανού μου („Lightframes“) μαζί με τα σκοτεινά πλαίσια („Darkframes“) και τις εικόνες φωτεινού πεδίου („Flatframes“) σε ένα φάκελο. Σε αυτήν την περίπτωση, πρόκειται για επτά Lightframes και ένα Darkframe και Flatframe. Το θέμα είναι ο "Messier 57", ο Δαχτυλίδιος Νεφέλης στο αστερισμό της Λύρας, τον οποίο φωτογράφισα με μία Canon EOS 450D σε δύο λεπτά έκθεσης επτά φορές σε ISO 800. Είναι καλύτερα να αποφύγετε τυχόν μπέρδεμα, όταν τα ονόματα αρχείων δηλώνουν εάν πρόκειται για Light-, Dark- ή Flatframe.



Με τη χρήση «μιλητών ονομασιών αρχείων» μπορείτε ήδη να διακρίνετε μεταξύ των πραγματικών λ

Κάνοντας κλικ σε οποιοδήποτε αρχείο στη λίστα, το DeepSkyStacker φορτώνει το αρχείο στη μνήμη και το εμφανίζει στο παράθυρο εικόνας. Κάνω κλικ σε ένα Lightframe και πρέπει να περιμένω λίγα δευτερόλεπτα μέχρι να εμφανιστεί η εικόνα. Μετακινώντας το μεσαίο τρίγωνο στην επάνω δεξιά μεριά προς τα αριστερά, προκαλώ μια φωτεινότερη εμφάνιση ώστε να είναι ευκολότερο να δούμε τις σκοτεινές γωνίες της εικόνας - μια συνέπεια της φωτοβολταϊκής.



Λογισμικό DeepSkyStacker: Εμφάνιση μιας μεμονωμένης εικόνας από τη λίστα (κάτω κόκκινο βέλος). Μετακινώντας το γκρι σημείο (πάνω κόκκινο βέλος) προς τα αριστερά, προκαλείται μια φωτεινότερη αναπαράσταση.