캘리브레이션 프레임 실전: 라이트·다크·플랫·바이어스를 올바르게 사용하기
전처리는 매우 중요한 과정으로, 저는 보통 이 단계에 많은 시간을 들입니다. 캘리브레이션 절차 자체를 제외하면 대부분의 단계는 수동으로 처리하여 모든 과정이 올바른지 확인합니다—이렇게 해 두면 문제가 생겼을 때 원인을 빠르게 찾아낼 수 있기 때문입니다. 그리고 캘리브레이션 프레임(calibration frame)이야말로 전처리의 토대입니다. 이 글에서는 제가 지난 몇 년간 캘리브레이션 프레임에서 겪은 시행착오와 쌓아 온 실무적 이해를 정리합니다.
라이트·다크·플랫·바이어스·플랫 다크: 먼저 구분하기
천체 사진의 4대 캘리브레이션 프레임은 라이트(light)·다크(dark)·플랫(flat)·바이어스(bias)이고, 여기에 플랫 다크(플랫을 위한 다크)가 더해집니다. 이것은 가장 기본적인 개념이지만, 막상 ’라이트·다크·플랫·바이어스·플랫 다크의 차이를 간단히 설명해 보세요’라는 물음에 제대로 답할 수 있는 사람은 생각보다 많지 않습니다—많은 사람이 그저 이름만 외우고 있을 뿐, 그것은 각각이 무엇을 하는지 이해하는 것과는 다릅니다.
위 이미지는 제가 RBA에서 인용한 설명으로, 라이트·다크·바이어스·플랫의 해설과, 일반적인 상황에서 이 캘리브레이션 프레임들이 어떻게 보이는지를 다룹니다. 플랫 다크는 앞서 말했듯이 플랫을 위한 다크일 뿐이므로, 개념은 다크에 준해서 생각하면 됩니다. 정말로 기억해 두어야 할 것은 각각이 어떤 종류의 결함을 제거하는 역할을 맡는가입니다: 다크는 열 노이즈와 암전류를, 플랫은 주변부 광량 저하(비네팅)와 먼지 그림자를, 바이어스는 리드아웃 오프셋을 처리합니다.
플랫: 배울 것이 가장 많은 한 장
네 종류의 캘리브레이션 프레임 중에서 플랫은 아마 가장 문제가 생기기 쉽고—배울 것도 가장 많은 한 장일 것입니다.
플랫 속의 도넛과 가림
PixInsight에서 ScreenTransferFunction(STF)으로 스크린 스트레칭을 하여 플랫을 확인해 보면, 플랫 안에는 늘 둥근 고리 모양의 ’도넛’이 가득하다는 것을 알게 됩니다. 그것들은 기본적으로 광로 위의 먼지입니다. 동시에 비네팅 현상도 보이고, OAG를 사용한다면 OAG의 가림 그림자도 보입니다.
바로 이 때문에, 광학계에 어떤 변경이라도 생기면—분해·조립, 구도 조정, 심지어 렌즈 마스크 조정이라도—반드시 플랫을 다시 촬영해야 합니다. 그러지 않으면 도넛이나 가림 그림자의 위치가 라이트에서 가려진 위치와 맞지 않게 되어, 당연히 캘리브레이션이 제대로 될 수 없고, 오히려 캘리브레이션 후 온갖 기이한 현상을 만들어 냅니다.
노출 시간을 어떻게 고를까: 어느 실측
플랫은 얼마나 노출해야 할까요? 저는 실측을 한 번 해 봤습니다. 기재는 8인치 뉴턴(개조)에 ASI 2600MC를 조합한 것으로, 같은 온도에서 10ms·1s·5s·10s의 플랫과 그에 대응하는 플랫 다크를 각각 촬영하고, 캘리브레이션이 끝난 뒤 육안으로 확인했습니다. 그 결과 5s가 가장 양호했고, 10ms와 10s는 둘 다 주변부가 밝아지는 현상이 있었습니다. 이어서 5s 플랫을 다른 초수의 플랫으로 나누어 비교했습니다: 1s 세트는 아마 촬영에 실패한 듯, 나누어 보니 전체가 검게 치우쳤습니다. 10ms에는 왼쪽 위에서 오른쪽 아래로 향하는 차이가 한 줄 있었습니다. 10s의 차이는 매우 작았습니다. 캘리브레이션을 거친 각 초수의 플랫은 히스토그램 위치가 모두 비슷하고, 가운데보다 살짝 왼쪽이며, 정보가 잘려 나간 것도 없어서 촬영 설정이 올바랐음을 나타냅니다.
결론은, 다른 변수를 고려하지 않는다면 이 시스템에서는 5s 플랫이 가장 좋고, 10s도 훌륭하며 다만 시간이 더 걸릴 뿐이라는 것입니다. 주의할 점은, 이 ’최적 초수’는 특정 시스템에서의 결과이므로, 기재를 바꾸면 처음부터 다시 측정해야 한다는 것입니다.
라이트 패널인가, 하늘 플랫인가?
망원경 구경이 너무 클 때가 아니면, 저는 하늘 플랫을 쓸 생각을 하지 않습니다. 하늘 플랫에는 문제가 적지 않습니다: 별(하늘 플랫에는 밝은 별이 자주 찍힙니다)이나 밝기(장마다 밝기가 다 다릅니다) 모두 제어하기가 비교적 어렵습니다. 조광 가능한 LED가 이토록 보급된 오늘날, 25cm 이하의 망원경이라면 라이트 패널로 플랫을 찍는 것이 가장 간편합니다—어디서든 찍을 수 있고, 잘못 찍어도 바로 다시 찍을 수 있으니, 플랫을 찍지 않을 이유가 정말로 없습니다. 정말로 하늘을 써야 한다면, 저는 흰 티셔츠가 아니라 유백색 플라스틱 판을 씁니다. 플랫 장수는 5장에서 10장 정도면 대체로 충분하며, 요점은 많이 찍는 것이 아니라 올바르게 찍는 데 있습니다.
라이트 패널의 조광 방식에 대해서도 테스트해 봤습니다: PWM 조광(깜박입니다)으로 찍은 1s 플랫과, 감광판을 더해 찍은 4s 플랫을 비교했습니다. 1s 이미지에는 PWM의 줄무늬가 뚜렷이 보였지만, 인테그레이션 후에는 줄무늬가 사라졌고, 4s 마스터 플랫으로 나눈 뒤에는 하얗게 나와 거의 차이가 없음을 나타냈습니다. 따라서 PWM 조광은 실용 가능합니다(물론 깜박이지 않는 전압 조광이 가장 이상적입니다). 시간을 아끼려면, 1s 플랫만—플랫 다크도 1s만—찍으면 충분한 듯합니다.
냉각 CMOS: 플랫은 플랫 암전류로 캘리브레이션하세요
이 점은 특히 강조하고 싶습니다: 냉각 CMOS를 사용한다면, 플랫은 플랫 암전류(플랫을 위한 다크)로 캘리브레이션하고, 바이어스는 쓰지 마세요. 바이어스로는 대개 플랫을 올바르게 캘리브레이션할 수 없고, 플랫이 올바르게 캘리브레이션되지 않으면 마지막에 라이트를 캘리브레이션할 때 실패합니다. 플랫 캘리브레이션 불량으로 가장 흔한 결과는, 라이트를 캘리브레이션하려 할 때 나타나는 과보정으로, 네 모서리가 밝아지는 것입니다.
DSLR 플랫의 표시 함정
DSLR(특히 Nikon)로 플랫을 찍으면 깜짝 놀랄 수 있습니다: 분명 카메라나 Photoshop에서는 밝게 보이는데, PixInsight 안에서는 새까맣습니다.
원인은 14비트 데이터가 16비트 파일 컨테이너에 담겨 있기 때문으로, 올바르게 표시하려면 첫 단계로 Histogram 도구를 사용해 화이트 포인트를 0.25로 조정해야 합니다. 이것은 순전히 표시상의 문제일 뿐, 데이터 자체에는 영향을 주지 않습니다. (저는 Nikon D810 Astro mod를 예로 조작 동영상을 녹화하여 전체 절차를 시연한 바 있습니다.)
다크: 유효기간이 있으니 갱신을 잊지 마세요
다크는 한 번 찍으면 계속 쓸 수 있는 것이 아닙니다. 예전에 어떤 동호인이 같은 다크로 캘리브레이션했는데 결과가 좋지 않아, 물어보니 그 다크는 연초에 찍은 것이었습니다—이는 다크는 정기적으로 갱신해야 하며, 같은 배치는 대략 3개월 쓰면 다시 찍어야 한다는 것을 다시금 확인해 줍니다. 캘리브레이션할 때마다 조금씩 문제가 생긴다면, 옛 다크와 새 다크의 픽셀 밝기 값이 비슷한지 확인하여 다크가 노화했는지 판단할 수 있습니다.
서로 다른 노출 초수의 다크도 알아 둘 가치가 있습니다. 저는 QHY 268C(Sony IMX 571)의 0초부터 600초까지의 마스터 다크를 한 세트 본 적이 있는데, 배경값은 몇 초든 거의 변하지 않았고(모두 0.0075 전후), 눈에 띄는 차이는 핫 픽셀의 밝기가 초수에 따라 밝아진다는 것이었습니다. 여기서 실용적인 결론이 나옵니다: 핫 픽셀을 별도로 처리한다면(예를 들어 Cosmetic Correction으로), 다크의 초수가 급하게 라이트와 맞지 않게 되더라도 여전히 라이트 캘리브레이션에 쓸 수 있습니다.
덧붙이자면, 저는 초창기에 캘리브레이션 프레임을 연구하던 때 다크 문제로 손해를 본 적이 있습니다: 캘리브레이션·스타 레지스트레이션(정합)·인테그레이션을 마친 뒤 플랫의 과보정 또는 보정 부족의 징후를 발견하고, 마스터 플랫을 처음부터 전부 다시 만들었다가, 마지막의 마지막에야 문제가 실은 다크에 있었음을 깨달았던 것입니다.
어느 고전적인 교훈: 바이어스를 잘못 찍으면 인테그레이션 전체가 실패한다
마지막으로 인상 깊은 사례를 하나 이야기하겠습니다. 어떤 데이터는 인테그레이션이 곧바로 실패하거나(PixInsight) 결과가 올바르지 않았는데(Astro Pixel Processor), 추적해 보니 원흉은 바이어스(Bias)를 잘못 찍은 것이었습니다.
이것은 제가 바이어스를 잘못 찍은 것이 인테그레이션 전체를 무너뜨리는 상황을 겪은 첫 경험이기도 했습니다. 그러니 한 번 더 알려 드립니다: 냉각 CMOS는 플랫을 플랫 암전류로 캘리브레이션하고, 바이어스는 쓰지 마세요. 그리고 캘리브레이션하지 않은 플랫은 기본적으로 헛찍은 것이나 마찬가지로, 캘리브레이션 후 이미지에 문제를 더 늘릴 뿐입니다. 캘리브레이션 프레임을 제대로 찍어야, 그다음 이야기를 할 수 있습니다.
