Kalibrační snímky v praxi: jak správně používat light, dark, flat a bias

Předzpracování je nesmírně důležitá část workflow a obvykle jí věnuji hodně času. Kromě samotné kalibrace zpracovávám většinu kroků ručně, abych měl jistotu, že každý článek řetězu sedí – díky tomu, když se něco pokazí, dokážu rychle najít příčinu. A kalibrační snímky (calibration frame) jsou přímo základem předzpracování. V tomto článku jsem sepsal nástrahy, do kterých jsem za ta léta u kalibračních snímků spadl, i praktické porozumění, které jsem si postupně vybudoval.

Light, dark, flat, bias, flat dark: nejdřív si to ujasněme

Čtyři základní kalibrační snímky v astrofotografii jsou snímek light, snímek dark, snímek flat a snímek bias, k nimž se přidává ještě flat dark (dark pro vaše snímky flat). Je to ten nejzákladnější pojem, a přesto lidí, kteří dokážou skutečně jasně odpovědět na otázku „stručně popište rozdíl mezi light, dark, flat, bias a flat dark“, je ve skutečnosti méně, než by se čekalo – mnozí si jen zapamatovali názvy, a to není totéž jako rozumět tomu, co každý z nich vlastně dělá.

Obrázek výše je vysvětlení, které cituji od RBA a které pokrývá light, dark, bias a flat i to, jak tyto kalibrační snímky obvykle vypadají za běžných podmínek. Flat dark je, jak už bylo řečeno, prostě dark pro vaše snímky flat – stačí na něj nahlížet stejně jako na dark. Co si skutečně musíte zapamatovat, je to, jaký druh vady má každý z nich za úkol odstranit: dark řeší tepelný šum a temný proud, flat řeší vinětaci a stíny od prachu, bias řeší vyčítací offset.

Flat: snímek, u kterého je nejvíc co se učit

Ze čtyř kalibračních snímků je flat pravděpodobně ten, u kterého nejčastěji něco nevyjde – a zároveň ten, u kterého je nejvíc co se učit.

Donuty a překážky ve snímcích flat

Když si v programu PixInsight prohlédnete flat pomocí obrazovkového roztažení ScreenTransferFunction (STF), zjistíte, že je vždy plný kruhových „donutů“ – v podstatě jde o prach v optické dráze; zároveň uvidíte i vinětaci, a pokud používáte OAG, uvidíte i stín od jeho překážky.

Právě proto platí, že jakmile dojde k jakékoli změně v optické soustavě – rozebrání a složení, úprava kompozice, dokonce i úprava masky objektivu – musíte snímky flat znovu vyfotit. Jinak se poloha donutů nebo stínů od překážek nebude shodovat s tím, kde je zastíněný obraz na snímcích light, kalibrace přirozeně neuspěje a místo toho po ní vzniknou nejrůznější podivné artefakty.

Jak zvolit expoziční dobu: praktický test

Jak dlouho by se měl exponovat flat? Provedl jsem praktický test. Sestava byla 8palcový Newton (upravený) s ASI 2600MC; při stejné teplotě jsem pořídil snímky flat a odpovídající snímky flat dark s expozicí 10ms, 1s, 5s a 10s a po kalibraci jsem výsledky zkontroloval okem. Zjistil jsem, že nejlépe dopadl 5s snímek, zatímco u 10ms i 10s se okraje rozjasnily. Pak jsem 5s snímek flat porovnal dělením se snímky flat s jinými expozicemi: sada 1s zřejmě byla zkažená – po vydělení vyšla celá tmavá; u 10ms byl patrný pruh rozdílu z levého horního do pravého dolního rohu; u 10s byl rozdíl velmi malý. Zkalibrované snímky flat ve všech expozicích měly v histogramu podobnou pozici, mírně vlevo od středu, a žádná informace nebyla oříznutá, což ukazuje, že nastavení snímání bylo správné.

Závěr je: pokud odhlédneme od ostatních proměnných, tato sestava dopadá nejlépe s 5s snímkem flat, 10s je také dobrý, jen to zabere víc času. Je třeba upozornit, že tato „optimální doba“ je výsledkem pro konkrétní sestavu – s jiným vybavením je nutné testovat znovu od začátku.

Světelný panel, nebo obloha?

Snímky flat z oblohy bych zvažoval jen tehdy, kdyby byla apertura dalekohledu příliš velká. Snímky flat z oblohy mají řadu problémů: horší ovladatelnost mají jak hvězdy (na snímcích flat z oblohy se často objevují jasné hvězdy), tak jas (jas se u každého snímku liší). V dnešní době, kdy jsou stmívatelné LED tak rozšířené, je pro dalekohledy pod 25 cm nejjednodušší fotit snímky flat se světelným panelem – dá se to udělat kdekoli, a když se snímek nepovede, hned se dá přefotit, takže opravdu není důvod snímky flat nefotit. Pokud opravdu musíte použít oblohu, použil bych mléčně bílou plastovou desku, ne bílé tričko. Co se počtu snímků flat týče, obvykle stačí 5 až 10 – nejde o množství, ale o to, aby byly pořízené správně.

Co se týče způsobu stmívání panelu, i to jsem otestoval: porovnal jsem 1s flat pořízený s PWM stmíváním (které bliká) se 4s snímkem flat pořízeným s přidanou neutrální šedou destičkou. Na 1s snímku sice byly zřetelně vidět proužky od PWM, ale po skládání proužky zmizely a po vydělení 4s snímkem master flat vyšel výsledek bílý, což znamená téměř žádný rozdíl. Stmívání pomocí PWM je tedy použitelné (samozřejmě stmívání napětím, které nebliká, je ideální); pro úsporu času se zdá stačit fotit jen 1s flat a flat dark taky jen 1s.

Chlazená CMOS: kalibrujte snímky flat temným proudem snímku flat

Tohle je potřeba zvlášť zdůraznit: pokud používáte chlazenou CMOS kameru, kalibrujte snímky flat temným proudem snímku flat (dark pro váš flat), a ne snímkem bias. Bias obvykle neumí flat správně zkalibrovat, a pokud flat není správně zkalibrovaný, nakonec selže i kalibrace snímků light. Nejčastějším důsledkem špatně zkalibrovaného snímku flat je přehnaná korekce při kalibraci snímků light, kdy se všechny čtyři rohy rozjasní.

Past ve zobrazení snímků flat z DSLR

Pokud fotíte snímky flat na DSLR (obzvlášť Nikon), možná vás to překvapí: na fotoaparátu nebo v programu Photoshop snímek vypadá jasně, ale v programu PixInsight je úplně černý.

Důvodem je, že 14bitová data jsou uložena v 16bitovém souborovém kontejneru, takže pro správné zobrazení je prvním krokem nastavit nástrojem Histogram bílý bod na 0.25. Jde čistě o problém zobrazení, který se netýká samotných dat. (Natočil jsem ukázkové video na příkladu fotoaparátu Nikon D810 Astro mod, kde předvádím celý postup.)

Dark: má expiraci, nezapomeňte ho obnovovat

Dark není něco, co vyfotíte jednou a pak to používáte napořád. Jednou jeden kolega z oboru kalibroval stejnými snímky dark a výsledky nebyly dobré; když jsem se zeptal, ukázalo se, že snímky dark byly pořízené na začátku roku – což znovu potvrzuje, že snímky dark je třeba pravidelně obnovovat, jednu dávku snímků dark byste měli přefotit zhruba po třech měsících. Pokud se po každé kalibraci objeví nějaký drobný problém, můžete zkontrolovat, jestli jsou hodnoty jasu pixelů u starých a nových snímků dark zhruba stejné, a podle toho posoudit, jestli snímky dark zestárly.

Stojí za to znát i snímky dark s různou dobou expozice. Viděl jsem sadu snímků master dark z kamery QHY 268C (Sony IMX 571) od 0 do 600 sekund, kde se hodnota pozadí bez ohledu na dobu expozice téměř neměnila (vždy kolem 0.0075); rozdíl, který bylo vidět, spočíval v tom, že jas horkých pixelů se s dobou expozice zvyšoval. Z toho plyne praktický závěr: pokud horké pixely řešíte zvlášť (například pomocí Cosmetic Correction), lze snímek dark použít ke kalibraci snímku light i v případě, že se jeho doba expozice se snímkem light dočasně neshoduje.

Mimochodem, když jsem v raných letech zkoumal kalibrační snímky, sám jsem se popálil na problému se snímkem dark: po kalibraci, zarovnání a skládání jsem zjistil, že flat je překalibrovaný nebo nedokalibrovaný, celý master flat jsem znovu sestavil od začátku a teprve nakonec jsem zjistil, že problém byl ve skutečnosti ve snímku dark.

Klasické poučení: zkažený bias srazí celé skládání

Nakonec jeden případ, který mi hodně utkvěl v paměti. U jedné sady dat skládání rovnou selhalo (v programu PixInsight) nebo výsledek vyšel nesprávně (v Astro Pixel Processor); po vypátrání se ukázalo, že viníkem je zkažený bias.

Byla to i moje první zkušenost s tím, že zkažený bias dokáže srazit celé skládání. Tak to zopakuji ještě jednou: u chlazené CMOS kalibrujte snímky flat temným proudem snímku flat, ne snímkem bias. A nezkalibrovaný flat je v podstatě zbytečně vyfocený snímek, který jen přidává problémy do zkalibrovaného obrazu. Teprve když máte kalibrační snímky pořízené správně, má smysl bavit se o dalším.