Schematisk illustration av kalibrering: Det slutliga resultatet skapas efter att en mörkbild har subtraherats från det råa bilden och sedan har delats med en ljusbild.
Del 15: Kalibrering: Ta ljusfälts- och mörkbilder
Digitalt fångade astrofoton innehåller rå data, inte bara från det fotograferade himmelsobjektet, utan även en mängd artefakter, dvs. oönskade fenomen. Med "kalibrering" avses den process som syftar till att rensa de råa bilderna från dessa artefakter.
Orsaker till artefakterna
Först ska vi se vilka komponenter som är ansvariga för bildningsprocessen av artefakter, och vilken typ av oönskad information de genererar:
1. Kameran
Bildsensorerna i digitala kameror samt deras avläsningselektronik leder till en mer eller mindre uttalad "bildstörning", särskilt tydlig genom en "kornig" struktur i bilderna i jämnt ljusa eller mörka områden. Det finns en distinktion mellan ljus- eller luminansstörning, där pixlarna i lika ljusa motivområden godtyckligt antar olika ljusvärden, och färgstörning, där pixlar som egentligen visar ett likfärgat motiv har en något annorlunda färgåtergivning. Den elektroniska bildstörningen har olika orsaker. En av huvudorsakerna är det s.k. termiska bruset, orsakat av processer på sensorn som är temperaturberoende och spontant leder till skapandet av "laddning" i pixlarna, vilket senare tolkas som ljusstyrkeinformation. Denna bruseffekt uppstår även när sensorn inte exponeras för ljus, dvs. när ingen ljus når sensorn under "exponeringstiden". Termen "mörkfältsbrus" har därför skapats.
Storleken på störningen beror av följande faktorer:
a) Temperatur (större störning vid högre temperaturer)
b) Exponeringstid (ju längre exponeringstid, desto högre störning)
c) ISO-värde (större störning vid ökande ISO-tal)
Även typen av använd sensor, den i kameran fungerande programvaran för brusreducering och avläsningsbruset, som orsakas av elektroniken som mäter sensordata efter exponeringen, bör inte ignoreras. Eftersom dessa faktorer dock beror på kameran och inte kan påverkas av fotografen, vill vi inte gå närmare in på dem.
Förutom störningen, uppmärksammas också enskilda pixlar vid digitala sensors bilder, vars ljusstyrkevärden skiljer sig väsentligt från omgivningen. Om en enskild pixel exempelvis inte reagerar alls på infallande ljus, förblir den alltid svart och kallas en "död pixel" (dead pixel eller cold pixel). Andra pixlar reagerar däremot mycket känsligare på infallande ljus än de andra, tar alltså snabbt mycket höga ljusvärden eller går till och med i full mättnad, då ser de vita ut.
Dessa onormala pixlar kallas "heta pixlar" (hot pixel). Både "döda" och "heta" pixlar är praktiskt taget oundvikliga vid tillverkningen av sensorer, därför måste ett visst antal felaktiga pixlar accepteras. Antalet berörda pixlar kan faktiskt öka med tiden på grund av sensorernas åldrande under flera år.
En del av en mörkbild, skapad med en Canon EOS 450D vid ISO 100 (vänster) och ISO 1600 (höger). Exponeringstiden var tio minuter. Det är tydligt att den totala bildstörningen ökar med högre ISO-tal. Båda bildutsnitten ljusnades på samma sätt för att tydliggöra störningen.
2. Optiken
Inget teleskop eller objektiv ger en perfekt avbildning. Ju längre bort man är från den optiska axeln, desto mer synliga blir avbildningsfel, dvs. aberrationer. Bildhörnen påverkas särskilt. En kalibrering kan dock inte åtgärda dessa avbildningsfel. Vi vill därför fokusera på de fenomen som kan bekämpas genom kalibrering.
För det första är det vinjettering, dvs. mörkningen av bildhörnen. Vinjettering är särskilt uttalad vid användning av fotolins med full bländare. Å ena sidan kan vinjettering begränsas genom att minska bländaren. Men att minska bländaren leder å andra sidan också till en förlängd exponeringstid, vilket ofta inte är önskvärt vid astrofotografering. Dessutom producerar även teleskopoptik, av fysiska skäl, en högre bildljusstyrka längs den optiska axeln än i bildhörnen, vilket gör vinjettering till ett praktiskt oundvikligt fenomen inom astrofotografering. Ju större bildsensorn på den använda kameran är, desto större är risken för vinjettering.
Bild av stjärnbilden "Stora Björnen" med en ljusstark 50-millimeter lins och full bländare. Vinjetteringen i form av mörkade bildhörnen är obestridlig.
I extrema fall når inget ljus längre sensorernas hörn, t.ex. om en del med för liten inre diameter används i den optiska banan eller om linsen eller spegeln i objektivet helt enkelt belyser ett för litet bildfält. Då förblir bildhörnen svarta och kan inte räddas ens genom kalibrering.
För det andra avbildas smuts partiklar som har lagt sig på sensorn eller en lins eller spegel i objektivet. En noggrann rengöring av kameran och optiken kan minska uppkomsten av mörka fläckar på bilden, men inte helt förhindra dem. Ju närmare ett smutsigt partikel är sensorn, desto skarpare kommer det att synas på bilden. Partiklar som har satt sig direkt på skyddsglaset framför sensorn kan vara nästan knivskarpa.
Smuts i strålgången blir synlig i form av mörka fläckar. De tre övre fläckarna är partiklar som ligger på sensorn. Den nedre dammklimpen är ganska suddigt avbildad och befinner sig på en lins på det använda objektivet:
På den vänstra bilden av Vintergatan upptäckte jag en dammtråd som var ganska skarpt avbildad och som hade bosatt sig på skyddsglaset till sensorn. Efter att ha kört rengöringsfunktionen för sensorn i kameramenyn hade störaren försvunnit (höger):
Rengöringsfunktionen för sensorn som är inbyggd i många kameror försöker genom högfrekventa vibrationer i skyddsglaset framför sensorn "skaka av" smuts partiklar som ligger på det. Det lyckas inte alltid perfekt, men nyttan med denna funktion är obestridlig (se följande bildexempel).
Ta bilder för kalibrering
De diskuterade artefakterna kan avlägsnas eller åtminstone mildras om en bildkalibrering görs. För detta måste två typer av kalibreringsbilder skapas:
1. Mörkbilder (Darkframes)
Mörkbilder exponeras precis lika länge som de faktiska himmelsbilderna. Dock säkerställs att inget ljus når sensorn, till exempel genom att placera objektivlocket på!
Resultatet är inte en helt svart bild, eftersom mörkbilden innehåller all mörkströmsbrus. Man går utifrån antagandet att detta mörka strömsbrus är identiskt med det i himmelsbilden. Ett sådant antagande är djärvt, eftersom bruset alltid innehåller en statistisk, oförutsägbar komponent. Denna komponent är emellertid lyckligtvis relativt liten i storlek, så att antagandet i första närmande är ganska korrekt.
Utsnitt av en mörkbild, skapad med en Canon EOS 1000D vid ISO 1600 med tio minuters "exponering"stid. Till vänster originalbilden, till höger resultatet efter justering av tonvärden med Photoshop (kommando Bild>Anpassningar>Gradationskurvor...)
Idén är nu att med mörkbilden bara fånga brusandelen för att sedan subtrahera den från den senare himmelsbilden. På detta sätt bör bruset försvinna eller åtminstone kunna minskas. Samtidigt reparerar man alla "heta pixlar" som fortfarande innehåller användbara data, alltså inte är helt mättade. Döda pixlar och helt mättade pixlar kan emellertid inte "repareras" med en mörkbild.
För att producera "passande" mörkbilder måste alla ramar vara likadana för det mörka bruset som beroende av himmelsbilderna. Det innebär att inte bara exponeringstiden utan också ISO-värdet inte får ändras jämfört med himmelsbilderna. Ett problem är sensorns temperatur, som för de flesta kameror (ungefär alla digitala systemkameror) inte går att reglera. Det innebär att mörkbilderna måste skapas så nära i tid som möjligt till himmelsbilderna, antingen strax före eller direkt efter. Eftersom sensorn värms upp under längre exponeringstider förbättrar flera mörkbilder, som tas vid olika tidpunkter och sedan genomsnittas, resultatet. Till exempel kan du skapa en mörkbild före och en andra efter en serie med flera långa exponeringar.
Praxis-Beispiel:
Du vill fotografera Ringnebulosan i stjärnbilden Lyran med en digital systemkamera. Du planerar åtta bilder med tio minuters exponeringstid. Först stänger du av alla medel för brusreducering som erbjuds i kameramenyn! Detta gäller särskilt för punkten "Bullerminskning vid långtidsexponeringar", eftersom kameran annars automatiskt skulle skapa en mörkbild med samma "exponeringstid" efter varje exponering, vilket kostar värdefull observations tid. Hälften av observations tiden skulle då behöva investeras i de automatiskt skapade mörkbilderna.
Efter att ha stängt av denna funktion tar du först en mörkbild med alla inställningar som du också vill använda för himmelsbilden. Därefter följer serien med de åtta tio minuters exponeringarna, följt av en ytterligare mörkbild. För att ta de mörka bilderna placera du objektivlocket på objektivet eller teleskopet. De två befintliga mörkbilderna kommer sedan att genomsnittas senare och subtraheras från alla himmelsbilder. Både himmelsbilderna och mörkbilderna måste vara i RAW-formatet, annars fungerar inte kalibreringen.
2. Ljusfältbilder (Flatframes)
Ljusfältbilder skapas när du fotograferar en jämnt lysande yta. Självklart bör samma fotograferingsoptik användas som för himmelsbilderna.
För att få en ljusfältbild kan du fästa en bit papper framför fotograferingsoptiken. För fotograferingen bör detta papper sedan belysas jämnt, till exempel med en ficklampa.
En bild skapas som visar både vinjettering och de smutspartiklar som finns i strålgången. Om himmelsbilderna senare divideras med ljusfältbilderna kan också dessa artefakter avlägsnas.
Typisk ljusfältbild. Den innehåller vinjettering (mörka bildkanter) och de smutsfläckar i strålgången (fläckar).
Helgfältbilder bör idealiskt skapas med så låg ISO-inställning och kort exponeringstid som möjligt, för att inte införa ytterligare mörk strömförstärkning.
Ett praktiskt exempel:
Du har redan tagit de diskuterade bilderna av M57-ringnebulosan och de matchande mörkfältsbilderna som diskuteras i avsnittet "Mörkfältsbilder". Nu vill du skapa även helgfältsbilder. Det är mycket viktigt att arrangemanget av kameran och optiken förblir absolut oförändrat! Ta alltså inte bort objektivet från kameran eller kameran från teleskopet och ändra absolut inte fokusen! För att skräppartiklarna ska avbildas på samma plats på sensorn som vid himmelsfotograferingarna, är det till och med klokt att inte ens röra vid kameran. Om möjligt bör du styra kameran med en ansluten bärbar dator. Det är särskilt kritiskt om anslutningen mellan kameran och teleskopet eller dess okularuttag inte är speciellt stabila. Nu är frågan var du kan hitta en jämnt belyst yta på natten. Ett alternativ skulle vara att fästa ett semitransparent material (t.ex. ett pappersark) framför frontlinsen på objektivet eller teleskopet, som sedan belyses på framsidan av en lampa. Du kan även använda en blixt som ljuskälla. För att uppnå önskade, korta exponeringstider behöver du en ljus ljuskälla. Det är dock viktigt att korrekt exponera helgfältsbilden. Den bör vara ordentligt belyst utan att gå över i mättnad.
Kontrollera histogrammet för helgfältbilden, vars "databerg" bör vara placerat till höger om mitten utan att nå den högra kanten. Vid konstant ljus kan du enkelt ställa in kameran på tidsautomatik ("Av" eller "A") och den manuella exponeringskompensationen på värdet "+1,5". Då kan helgfältsbilderna till och med skapas med kamerans exponeringsautomatik. Det är viktigt att du använder samma bländare på objektiven som användes för himmelsfotograferingarna.
Sammanfattningsvis bör det nämnas att både mörkfälts- och helgfältsbilderna bör skapas med största möjliga omsorg. Å ena sidan eftersom de inte längre kan reproduceras efter demontering och å andra sidan eftersom användningen av "felaktiga" kalibreringsbilder inte förbättrar resultatet utan faktiskt kan försämra det.
Genomför kalibrering
Till syvende och sist är kalibrering en matematisk operation där mörkfältbilden subtraheras från råbilden och sedan delas med helgfältsbilden. Formeln är således:
Formel för bildkalibrering.
Men oroa dig inte, du behöver inte utföra detta matematiska beräkningsoperation för de många miljoner pixlarna på din digitalkamera själv; en lämplig programvara utför detta åt dig.
Kalibrering av astrofoton genom mörk- och helgfältsbilder kan inte göras med vanliga bildbehandlingsprogram som t.ex. Adobe Photoshop. Det gäller också och särskilt för foton som tagits med färgkameror, såsom en digital systemkamera. Anledningen är färgsyntesen från råbilden: De enskilda pixlarna på bildsensorn är försedda med olika färgfilter ("Bayer-matris"), varigenom en interpolation av RGB-färgvärdena för varje pixel sker automatiskt vid öppnandet av bildfilen. Kalibreringen måste emellertid ske innan färgsyntesen utförs!
Ett ganska lättanvänt program för att utföra kalibreringen korrekt är "DeepSkyStacker", som kan laddas ner gratis (freeware) från webbplatsen http://deepskystacker.free.fr/german/index.html. Jag ska förklara kalibreringsprocessen med hjälp av det här programmet.
Först sparar jag mina himmelsfoton ("Lightframes") tillsammans med mörkfältsbilderna ("Darkframes") och helgfältsbilderna ("Flatframes") i en mapp. I det här specifika fallet handlar det om sju ljusfoton och en mörk- och helgfältsbild vardera. Målet är M57-ringnebulosan i stjärnbilden Lyran, som jag exponerade sju gånger i två minuter med en Canon EOS 450D vid ISO 800. För att undvika förvirringar är det bra att redan i filnamnen indikera om det är ett ljus-, mörk- eller helgfältsfoto.
Genom att använda "talande filnamn" kan man redan skilja mellan de faktiska himmelsfotona, mörkfältsbilden och helgfältsbilden, vilket minskar risken för förväxlingar.
Därefter startar jag programmet DeepSkyStacker.
Programvaran DeepSkyStacker: Skärmdump efter programstart.
Med de tre översta kommandona i den vänstra panelen kan jag öppna mina bilder, varvid det är viktigt att inte blanda ihop ljus-, mörk- och helgfältsbilderna.
Programvaran DeepSkyStacker: Öppna himmelsfoton ("Lightframes") genom att välja kommandot Öppna ljusfoton…
Alternativt kan jag också dra mina filer med Drag&Drop från Windows Utforskaren till DeepSkyStacker, men måste göra det i tre steg eftersom man alltid måste ange vilken typ av fil(er) det rör sig om.
Programvaran DeepSkyStacker: När filer importeras med "Drag&Drop" till DeepSkyStacker, frågar programmet vilken typ av filer det är.
När alla filer har lagts till (även mörk- och helgfältsbilden) ser jag en översikt över vilka filer som har importerats i fillistan. I kolumnen Typ dubbelkollar jag säkerhets skull om den korrekta kopplingen till "Ljus", "Mörkt" och "Flat" är rätt.
Programvaran DeepSkyStacker: Alla nödvändiga filer har importerats. I en lista kan man kontrollera om rätt filtyp har angivits (kolumnen "Typ", röd ellips).
När du klickar på en fil i listan, laddar DeepSkyStacker in filen i minnet och visar den i bildfönstret. Jag klickar en gång på ett ljusram och måste vänta några sekunder tills bilden visas. Genom att flytta det mellersta triangeln längst upp till höger till vänster får jag en ljusare visning, så att de mörka bildhörnen syns tydligt - en följd av vinjettering.
Programvara DeepSkyStacker: Visning av en enskild bild från listan (nedre röda pil). Genom att flytta gråpunkten (övre röda pil) åt vänster får jag en ljusare bild.
Sedan klickar jag på Flatframe, som visas för mig efter en kort väntetid. De mörka bildhörnen är tydligt synliga även på Flatframe.
Programvara DeepSkyStacker: Visning av ljusfältet (nedre pil). Det inkluderar de mörka bildhörnen som uppstår på grund av vinjettering, som de övre fyra pilarna pekar på.
Innan du startar kalibreringsrutinen ser jag till att alla filer är markerade med en bock i rutan till vänster om filnamnet. Om så inte är fallet, klickar jag på kommandot Markera alla i den vänstra sidofältet.
Programvara DeepSkyStacker: Markera alla importerade filer:
Sedan är det dags genom att välja den rödmarkerade kommandot Stapla markerade bilder.
Programvara DeepSkyStacker: Start av kalibreringsrutinen genom kommandot "Stapla markerade bilder…", där begreppet "Stapla" står för att överlappa enskilda bilder.
Ett dialogruta visas med en sammanfattning av de kommande automatiserade redigeringsstegen.
Programvara DeepSkyStacker: Dialogruta för att starta kalibrerings- och staplingsprocessen.
Eftersom DeepSkyStacker automatiskt justerar bilderna, dvs. inte matchar identiska foton genom att flytta och rotera för att överlappa, är det viktigt att ställa in och kontrollera några programparametrar. Jag klickar på knappen Staplingsparametrar…; vilket resulterar i en annan omfattande dialogruta med åtta flikar. Utan att gå in på alla alternativ visar jag nu alla åtta flikar med mina inställningar, som i stor utsträckning överensstämmer till och med med standardinställningarna:
Staplingsparametrarna för programvaran DeepSkyStacker, fliken "Resultat". Här ska "Standardläge" väljas.
Staplingsparametrarna för programvaran DeepSkyStacker, fliken Ljus. Bra resultat erhålls med staplingsläget Kappa-Sigma-Clipping, där extrema värden inte tas med i medelvärdet:
Staplingsparametrarna för programvaran DeepSkyStacker, fliken Mörk. Eftersom det bara finns en enda Dark Frame spelar det ingen roll vilket staplingsläge som väljs här.
Staplingsparametrarna för programvaran DeepSkyStacker, fliken Ljusfält. Här är staplingsläget heller inte avgörande, eftersom det endast finns en enda ljusfältsbild.
Staplingsparametrarna för programvaran DeepSkyStacker, fliken Utriktning. Metoden Automatisk säkerställer en exakt överlappning av enkla bilder, där stjärnor väljs som referenspunkter. Identifikationen av referenspunkter sker också helt automatiskt.
Staplingsparametrarna för programvaran DeepSkyStacker, fliken Mellanbilder. För att spara interimistiska resultat behöver programmet tillräckligt med lagringsutrymme. Därför kan det vara meningsfullt att välja en Temporär mapp med tillräckligt med gratis utrymme.
Staplingsparametrarna för programvaran DeepSkyStacker, fliken Skrubb. Trots kalibreringen kan enstaka felaktiga pixlar finnas kvar. Programvaran kan automatiskt upptäcka och ta bort dessa.
Staplingsparametrarna för programvaran DeepSkyStacker, fliken Utgång. Här kan anges vad som ska hända med resultatet av beräkningarna.
Jag avslutar den omfattande dialogrutan med OK och startar kalibreringsproceduren med en annan klick på OK i dialogrutan Staplingssteg ovan. Sedan följer en mycket beräkningsintensiv tid, som på min dator tog längre än en halvtimme. Under tiden tillhandahöll DeepSkyStacker statusmeddelanden om bearbetningens framsteg:
Programvara DeepSkyStacker: Kalibrering och stapling kan ta lite tid. Under tiden visas ett statusmeddelande.
Efter att programmet har slutfört sitt arbete visas resultatet i bildfönstret:
Programvaran DeepSkyStacker: Visar resultatbilden efter kalibrering och stapling.
Såvida du inte har angivit annat, har resultatet samtidigt sparats under filnamnet "Autosave.tif" i samma mapp där de bearbetade filerna befinner sig. Den här bilden i TIF-format har en "färgdjup" på 32 bit per pixel och färgkanal. För att fortsätta bearbeta en sådan bild i Adobe Photoshop behöver du åtminstone version CS2. Om du använder en äldre version bör du i DeepSkyStacker klicka på kommandot Spara bild som... och välja filformatet TIFF-bild (16 bit/K).
Programvaran DeepSkyStacker: Dialogrutan "Spara som..." låter dig välja filformatet, här ett TIF-format med 16 bit per pixel och färgkanal (röd pil).
Jag använder här Adobe Photoshop CS3 för att ge den av DeepSkyStacker skapade "Autosave.tif" den sista touchen. Den kan enkelt öppnas med Photoshop och genom att titta på titellinjen i filfönstret kan du se att det är en 32-bitars fil:
Öppnad 32-bitars fil i Adobe Photoshop CS3. De 32 bitarna per pixel och färgkanal nämns i titellinjen i bildfönstret (röd pil).
Redan en första titt på den här bilden visar tydligt framgången med kalibreringen: De mörka hörnen på bilden har försvunnit!
Att fortsätta bearbeta 32-bitars bilder i Photoshop är dock mycket begränsat. Därför konverterar jag dem först till 16 bitar. Jag väljer kommandot Bild>Läge>16-bitars kanal... och får följande dialogruta visas:
Omvandling av en bild från 32 till 16 bitar i Adobe Photoshop CS3.
Jag bekräftar - här av enkelhetsskäl, utan att ändra några inställningar i det - med OK och kan nu använda nästan hela uppsättningen kommandon i Photoshop CS3 med en 16-bitars bild.
Vad som följer här är mycket beroende av det ursprungliga materialet och går inte att generalisera. Med bilden av Ringnebulosan beskar jag först histogrammet till vänster för att mörka ner himlen (kommandot Bild>Justeringar>Tonkurvor...):
Förskjutning av svartpunkten (markerad med röd pil) från nolläge till höger.
Efter det, med kommandot Bild>Justeringar>Gradationskurvor... "böjde" jag kurvan för att fortsätta att mörka ner himlen och ljusa upp de ljusa motiven (en "S-form" för gradationskurvan), för att öka kontrasten i bilden:
En s-format böjning av gradationskurvan i Photoshop ger ökad kontrast. Den vänstra röda pilen visar var kurvan böjdes nedåt, medan den högra pilen visar var den lyftes upp.
Efter att jag ökat färgmättnaden något (kommandot Bild>Justeringar>Färgton/Mättnad...) var jag för tillfället nöjd med slutresultatet:
Slutfotot av Ringnebulosan. Alla artefakter har försvunnit med kalibreringen. En galax i bakgrunden, nämligen IC 1296, markeras med en pil.
Varför då allt detta arbete?
Användningen av DeepSkyStacker har med avseende på kalibreringen fört med sig följande fördelar:
Minskning av mörkbrus på enskilda bilder genom subtraktion av ett mörkbild
När vi zoomar in på en liten del av ett enskilt bild i hög förstoring kan vi tydligt se både minskningen av brus och elimineringen av varma och döda pixlar. Kalibreringen med mörkbild för denna jämförelse gjorde jag också med DeepSkyStacker:
Kalibrering av en enskild bild (vänster) med en mörkbild. Resultatet syns till höger: Brusnivån är minskad och de felaktiga pixlarna har försvunnit. Endast en liten del av hela bilden visas.
Eliminering av vinjettering och smuts på strålgången
Först tar vi en titt på hela bilden för att bedöma de mörka hörnen som har uppstått på grund av vinjettering. Det är tydligt att DeepSkyStacker genom att använda en ljusfältsbild har kunnat eliminera detta fel helt och hållet:
På den råa bilden (vänster) syns vinjetteringen som mörka hörn, och genom användningen av en ljusfältsbild har denna artefakt eliminerats (höger).
Nu tittar vi närmare på en liten del av bilden där en smutsfläck har avbildats och satt sig antagligen på sensorn. Även denna fläck försvann helt genom användningen av ljusfältsbilden:
Vid närmare titt på enskilda bilder syns små mörka fläckar, orsakade av damm på sensorn (allra mest till vänster, en del av en rå bild). Samma del av ljusfältsbilden (mitten) visar också denna dammfläck. Genom kalibrering försvinner den (höger).
En annan observation från ovanstående bild: Vid jämförelsen av en enskild rå bild (vänster) med resultatet av de genomsnittade sju bilderna (höger) är det tydligt att genom att sammanställa flera enskilda bilder har en ytterligare minskning av bruset uppnåtts. Denna metod för att bekämpa bildbrus kommer att vara ämnet för den kommande och sista delen av handledningsserien "Astro- och stjärnfotografering".
