DS-kuvien kalibroinnin perusteet ja ongelmat Canonilla

Nämä ovat syvää taivasta digijärkkärillä kuvaavien Hauholla 6.-7.2.2010 järjestettävään tapaamiseen valmistelemani esityskalvot. Ensin on selitetty havainnollisin esimerkkikuvin mistä kuvien kalibroinnissa on kyse ja mitä hyötyä siitä on. Vaikka kuvat ovat piirrettyjä, on ne käsitelty samoilla kalibrointityökaluilla kuin oikeatkin tähtikuvat. Seuraavaksi sama asia on esitetty käppyröin tarkastelemalla kuvan keskiosan yksittäistä pikseliriviä. Samalla ilmenee mitä ongelmia perinteisessä kalibrointiajattelussa voi tulla, jos kuvaat Canonin digijärkkärillä. Lopuksi pari yleistä vinkkiä kuvaamiseen. Ellet jaksa lukea tai et tykkää käppyröistä, hyppää suoraan kahteen viimeiseen kalvoon.

Kalibroinnin idea - Miksi kalibrointi toimii? - Ongelmia Canonilla - Ratkaisu - Yhteenveto

Kuvien kalibroinnin idea

Otettuasi kaukoputken läpi minuutin tai kahden mittaisen valotuksen tähtitaivaan kohteesta, kuva näyttää suunnilleen tältä:

Kohteen yksityiskohdat erottuvat huonosti, kuvassa on kuumia pikseleitä (ne ei ole tähtiä), kennolla oleva pöly heittää kuvaan varjoja ja kuva tummenee reunoille päin (vinjetointi).

Aloittelevat tähtikuvaajat tyytyvät usein ns. pimeäruudun ottamiseen. Se onkin helppoa, tulppa vain kaukoputkeen/kameraan ja otetaan saman mittainen valotus:

Nyt kuumat pikselit ja pimeäkohina erottuvat selvästi. Näitä voi ottaa muutaman, laskea niistä keskiarvon jolloin saadaan master dark.

Kun saatu master dark vähennetään galaksin kuvasta, saadaan hieman sileämpi kuva ilman kuumia pikseleitä:

Pölypallot ja vinjetointi ovat kuitenkin vielä jäljellä.

Jos kalibrointi jätetään tähän ja pinotaan kaikki otetut galaksikuvat, saadaan vähempikohinainen galaksikuva

Kun pinottun kuvan kontrastia venytetään esim. Photoshopin Levels-työkalulla, huomataan miksi kalibrointia olisi kannattanut jatkaa.

Koska kuvan eri osat ovat kirkkaudeltaan erilaisia, ei kontrastia voi venyttää tarpeeksi ilman että kuvan keskiosa palaa puhki ja nurkat pimenevät yhtäaikaa. Pölypallotkin korostuvat.

Ratkaisu on ottaa ns. flättikuvat. Hyvien flättien ottaminen on taitolaji, mutta alkuun pääsee ripustamalla valkoisen T-paidan linssin eteen, osoittamalla sitä lampulla ja ottamalla kuvia. Yksittäinen flättiruutu näyttää suunnilleen tältä.

Niinkuin yksittäisessä kuvassa aina, on yksittäisessä flätissäkin satunnaista kohinaa. Flättejä kannattaa ottaa kymmeniä ja pinota ne yhteen, ettei vahingossa tule lisänneeksi galaksikuvaan kohinaa.

Reilu määrä flättiruutuja pinottuna tuottaa master flatin.

Kun yksittäinen galaksiruutu jaetaan saadulla kohinattomalla flätillä, korjautuvat kuvan pimeämmät osat (pölypallot ja pimentyneet nurkat) valoisten osien tasolle.

Näitä kalibroituja yksittäisruutuja voidaan sitten pinota yhteen ja saada kalibroitu pino. (kuvat on tietysti kohdistettava ensin)

Hyvin onnistunut pino on lähtökohta kuvan jälkikäsittelylle. Tässä piirrettyä galaksikuvaa on venytetty Levelsillä ihan kuten oikeaakin tähtikuvaa.

Sama käppyröinä

Tarkastellaan nyt samaa asiaa ottamalla kuvan keskeltä yksittäinen vaakarivi pikseleitä ja piirtämällä käyrä niiden kirkkauksista. Koordinaatiston alareunassa on musta (0), yläreunassa valkoinen (255).

Tähtitaivaan kohdettamme esittää nyt selvyyden vuoksi nätti ja sileä sinikäyrä. Sitä voi ajatella vaikka poikkileikkauksena galaksin spiraalihaaroista.

Raakakuva kohteesta näyttää kuitenkin tältä.

Noin pikselin 23 kohdalla oleva tummentunut lovi on pölyhiukkanen ja pikseli 70 on kirkas kuuma pikseli. Vinjetointi painaa kirkkauden alas reunoilla.

Kuvataan darkkikuva.

Kuvasta näkyy että pimeässäkin kenno valottuu n. 80 ADU:n verran ja kuuma pikseli elää omaa elämäänsä.

Darkin vähentämisen jälkeen jäljellä on vielä pölyhiukkanen ja vinjetointi.

Kuvataan flättikuva.

Kun lasketaan keskiarvo (tai siis mediaani) monesta flättiruudusta ja poistetaan bias-taso (tästä kohta lisää), saadaan master flat.

Normitin master flatin nyt arvoon 100, jolloin pystyakselia voi ajatella prosentteina siitä määrästä, kuinka paljon objektiivin ja pölyhiukkasten läpi pääsee kennon eri osiin valoa siitä määrästä, joka niihin kuuluisi päästä. Reunoilla ja pölyn kohdalla vain 25%.

Nyt jaetaan yksittäiset kuvat master flatilla.

Nyt pöly hävisi ja reunat oikenivat oikeaan kirkkauteensa.

Pinotaan nippu kalibroituja kuvia.

Ja venytetään fotarilla.

Miksi kalibrointi toimii?

Kaikki yllä esitetty kuitenkin toimii vain teoriassa tai hyväkäytöksisellä CCD-kameralla. Järkkäreillä kuvalle kuitenkin tapahtuu jotain mystistä matkalla kennolta muistikortille. Palataan vielä ideaalisen CCD-kameran tilanteeseen.

Jokaisella pikselillä on ns. offset- eli bias-taso. Tämä on analoginen vakiojännite (kai) joka joka pikselin mittaukseen lisätään jotta arvot pysyisivät kyllin kaukana nollasta. Tämä bias-arvo jää kuvaan vaikka lukisit kennon valottamatta sitä hetkeäkään (tai vaikka kuvaisit järkkärillä darkin lyhimmällä valotusajalla)

Mukana on myös hiukkasen lukuprosessista tai jostain muusta johtuvaa lukukohinaa.

Nyt kun kennoa valotetaan tulppa kiinni, kertyy pikseleihin ns. pimeävirtaa (dark current). Seuraavassa kuvassa bias-taso on jätetty vertailun vuoksi näkyviin.

Myös pysyvät kohinamuodot biassissa jäävät darkkiinkin näkyviin, jos sellaisia kamerassa on (näkyy tässä vähän huonosti).

Jos darkkia valotetaan tuplasti pidempään, tulee kuvaan bias-tason päälle tuplaten pimeävirtaa.

Jos kenno on hyväkäytöksinen tai muuten ideaalinen, ottamalla nippu tällaisia kalibrointikuvia voidaan näiden häiriöiden vaikutus poistaa lopullisesta kuvasta. Myös väärän mittaiset darkit voidaan korjata vähentämällä ensin bias pois ja skaalaamalla darkkia valotusaikojen suhteella (mieluiten alaspäin). Tällöin kuumat pikselitkin skaalautuvat oikein ja häviävät tyystiin.

Ongelmia Canonilla

Mikä sitten järkkärillä menee pieleen? Oletetaan että Canonin CMOS-kennoillakin bias on n. 50 (oikeat arvot tokavikassa kalvossa). Jos otat dark-ruudun, senkin taso on yllättäen keskimäärin 50 (kuumia pikseleitä lukuunottamatta)!

Jos otat tuplasti pidemmän darkin, tulos näyttää tältä. Pikselit ovat edelleen kirkkaudeltaan viidenkympin tuntumassa, mutta kohina vain kasvaa mitä pidempään valotetaan.

Tuosta näkee että ainakaan CCD-tyylinen darkin skaalaus ei tule toimimaan. (Tämä kohina muuten ympätään sellaisenaan kuvattavan kohteen päälle. Tämä ei kuitenkaan tarkoita että pitkät valotukset kohisisivat aina enemmän, koska pidemmän valotuksen aikana kohteestakin tulee kennolle enemmän valoa. Itseasiassa useimmiten pidemmällä valotuksella voitetaan signaali-kohina-suhteessa.)

Tämä on ihmeellinen huomio, jonka voi todeta lataamalla järkkärin darkkiruudun IRIS-ohjelmaan ja komentamalla stat. Canonin kamerat tekevät pimeäsignaalille jonkun mystisen skaalauksen joka sitten ryssii perinteiset kalibrointityylit. Ainoa paikka jossa olen nähnyt tästä mainittavan on Craig Starkin (Nebulosityn ja PHD Guidingin tekijä) artikkeli aiheesta Astrophoto Insight -nettilehdessä. (Tämä ei sitten tarkoita että Canonit olisi huonoja tähtikuvaukseen ja että kannattaisi mielummin suosia Nikonia. Nikonilla vain kuvataan niin paljon vähemmän tähtiä eivätkä Nikonistit taida olla samanlaisia pikselinviilaajia, että tällaisia pikkuseikkoja tulisi ilmi?)

Ratkaisu

Ratkaisu ongelmaan on simppeli:

Jätä darkit ottamatta!

Pitkien valotusten kohinaominaisuudet ovat nykyjärkkäreillä hyvin hallinnassa eikä valotusajan mukana kasvava pimeävirta toimi kuten CCD-kameroilla, joilla darkkikalibrointi on välttämätöntä (paitsi Sonyn kennoilla). Vasta jos osavalotuksesi lähenevät kymmentä minuuttia, alkaa darkkikohina haitata kuvaa (varsinkin jos se on kiinteän muotoista).

Kuumat pikselit ja oikeassa alakulmassa näkyvä kiusallinen amp glow ovat ainoat ongelmat joihin darkkia kannattaa käyttää. Onneksi amp glow on uudemmilla kameroilla mitätön ongelma ja kuumia pikseleitä varten voi valottaa yhden mielettömän pitkän darkin jossa kaikki vähänkin lämpimämmät pikselit näkyvät ja käyttää sitä karttana niiden poistamiseksi tähtikuvista, esim. IRIS:n Cosmetic correction -toiminnolla. Myös esim. Maxim DL -softaan saa pluginin jossa on taikanappi, jolla kuumat pikselit häviävät kerralla jäljettömiin (vertailee pikseleiden eroa naapureihin, jos ero on esim. 30%, pikseli saa kyytiä). En ymmärrä miksei muissa softissa ole tuollaista nappia.

Voit silti ottaa darkit mikäli pidät huolta että ne on otettu samalla valotusajalla ja edes suunnilleen samassa lämpötilassa kuin varsinaiset kuvat. Ja jos viitseliäisyys riittää useiden kymmenien darkkien ottamiseen (20min osavalotuksilla ei ihan helppo homma). Muuten voi tulla ongelmia; darkit joko yli- tai alikorjaavat (kuumia pikseleitä jää tai niiden tilalle ilmestyy mustia täpliä) tai kohina lisääntyykin tarpeettomasti, jos otit darkkeja liian vähän.

Flätit on kuitenkin ehdottomasti syytä ottaa niinkuin yllä todettiin. Tässäkin on ongelmia. Ellet kuvaa mitään muita kalibrointikuvia kuin flätit, aiheuttaa bias-tason olemassaolo sen ettei flätti korjaa prikulleen oikein kuin ne pikselit, jotka sattuvat olemaan saman kirkkauksisia vastaavan flätin pikselin kanssa. Periaatteessa siis bias-taso pitäisi vähentää sekä varsinaisista että flättikuvista ennen pinoamista tai jakolaskua. Vasta tämän jälkeen flätti kuvaa oikein kennon valaistuserojen suhdetta toisiinsa. Ennen kuin huomasin tämän, minulla oli valtavia ongelmia saada flätit toimimaan oikein (joko pölypallot eivät hävinneet kokonaan tai sitten niiden tilalle ilmestyi kirkkaampia palloja). Etsin turhaan vikaa flättiboksistani ja kuvausasetuksista.

Taas kerran, koska bias-kuvassa on myös satunnaista lukukohinaa, saattaa huolimattomalle käydäkin niin että biassin vähentäminen lisääkin lopullisen kuvan kohinaa (mittasin kerran, lisäsi se). Ongelman voi kiertää joko ottamalla tuhansia bias-ruutuja tai sitten ihan vaan olettamalla että bias-taso on kaikkialla sama, eli käyttämällä vakioarvoista bias-kuvaa:

Tällaisen kuvan saa aikaan IRIS:ssä komentamalla fill 50.

Ideaalitilanne siis olisi, jos saat otettua valtavan kasan täydellisiä darkkeja sekä varsinaisille kuville että fläteille (fläteille tietysti flättien valotusajalla). Koska tämä on usein joko tarpeettoman vaivalloista tai kokonaan mahdotonta, voi käytännössä yhtä hyvään tulokseen päästä kirjoittamalla bias-kuvaan saman arvon joka pikseliin ja käyttämällä sitä "darkkina".

Yhteenveto + muita vinkkejä