Калибровочные кадры на практике: правильное использование лайтов, дарков, флэтов и биасов

Предварительная обработка — крайне важный этап, и я обычно трачу на неё много времени. За исключением самой процедуры калибровки, большинство шагов я выполняю вручную, чтобы убедиться в правильности каждого звена — так при возникновении проблемы причину можно найти быстро. А калибровочные кадры (calibration frame) — это и есть фундамент предварительной обработки. В этой статье я собрал ловушки, в которые попадал за эти годы с калибровочными кадрами, и накопленное практическое понимание.

Лайты, дарки, флэты, биасы и дарк-флэты: сначала разберёмся

Четыре основных калибровочных кадра в астрофотографии — это лайт (light), дарк (dark), флэт (flat), биас (bias), плюс к ним дарк-флэт (дарк для флэтов). Это самое базовое понятие, но людей, которые действительно способны чётко ответить на вопрос «кратко опишите разницу между лайтом, дарком, флэтом, биасом и дарк-флэтом», на деле меньше, чем можно подумать — многие просто заучивают названия, а это не то же самое, что понимать, что каждый из них на самом деле делает.

Изображение выше — пояснение, которое я цитирую по материалам RBA; оно охватывает объяснение лайтов, дарков, биасов и флэтов, а также то, как эти калибровочные кадры обычно выглядят в нормальных условиях. Дарк-флэт, как уже говорилось, — это просто дарк для флэтов, к нему применимо то же рассуждение, что и к дарку. По-настоящему важно запомнить, за устранение какого класса дефектов отвечает каждый из них: дарки устраняют тепловой шум и темновой ток, флэты — виньетирование по краям и тени от пыли, а биасы — смещение считывания.

Флэт: кадр, требующий больше всего знаний

Из четырёх калибровочных кадров флэт, пожалуй, тот, с которым чаще всего возникают проблемы — и с которым связано больше всего тонкостей.

«Пончики» и затенения на флэтах

Если в PixInsight использовать ScreenTransferFunction (STF) для экранного растяжения и просмотра флэта, вы обнаружите, что он всегда полон кольцевых «пончиков» — по сути это пыль на оптическом пути; одновременно вы увидите виньетирование, а если используете OAG, то и затенение от призмы OAG.

Именно поэтому как только в оптической системе происходит хоть какое-то изменение — разборка и сборка, регулировка кадрирования или даже настройка маски объектива — флэты необходимо переснять. Иначе положения «пончиков» или теней затенения не совпадут с затенёнными участками на лайтах, калибровка закономерно не сможет пройти успешно и вместо этого породит после калибровки всевозможные странные артефакты.

Как выбрать время экспозиции: практический тест

Сколько нужно экспонировать флэт? Я провёл практический тест. Оборудование — 8-дюймовый ньютон (модифицированный) с ASI 2600MC. При одинаковой температуре я снял флэты и соответствующие дарк-флэты с выдержками 10 мс, 1 с, 5 с и 10 с, а после калибровки проверил результаты на глаз: набор 5 с оказался лучшим, тогда как и при 10 мс, и при 10 с наблюдалось осветление по краям. Затем я разделил флэт 5 с на флэты других выдержек, чтобы сравнить: набор 1 с, видимо, был испорчен при съёмке — при делении он вышел целиком слишком тёмным; у 10 мс была полоса различия, идущая по диагонали из левого верхнего угла в правый нижний; разница у 10 с оказалась очень небольшой. Откалиброванные флэты всех выдержек располагались на гистограмме примерно в одном и том же месте, чуть левее центра, без обрезания информации, что говорит о правильности настроек съёмки.

Вывод: если отбросить прочие переменные, для этой системы лучше всего подходят флэты 5 с, 10 с тоже хороши, просто занимают больше времени. Стоит предупредить: эта «оптимальная выдержка» — результат для конкретной системы; смените оборудование — и тест придётся проводить заново.

Световая панель или сумеречное небо?

Разве что апертура телескопа слишком велика — только тогда я стал бы рассматривать съёмку флэтов по сумеречному небу. У флэтов по небу проблем немало: контролируемость хуже как по звёздам (на небесных флэтах часто попадаются яркие звёзды), так и по яркости (каждый кадр выходит с разной яркостью). Сегодня, когда регулируемые светодиоды настолько распространены, для телескопов диаметром до 25 см проще всего снимать флэты со световой панелью — снимать можно где угодно, а испорченный кадр тут же переснять, так что действительно нет причин не снимать флэты. Если всё же нужно использовать небо, я бы взял молочно-белую пластиковую пластину, а не белую футболку. Что касается количества флэтов, 5–10 кадров обычно достаточно; суть не в количестве, а в том, чтобы снять правильно.

Что касается способа регулировки яркости панели, я тоже это тестировал: сравнил флэт 1 с, снятый с ШИМ-регулировкой (которая мерцает), с флэтом 4 с, снятым с добавленным нейтральным светофильтром. Хотя на кадре 1 с полосы ШИМ были явно заметны, после интеграции полосы исчезали, а при делении на мастер-флэт 4 с результат выходил белым, то есть разница практически отсутствовала. Значит, ШИМ-регулировка вполне работоспособна (разумеется, регулировка напряжением, которая не мерцает, — идеальный вариант); чтобы сэкономить время, похоже, достаточно снять только флэт 1 с — и дарк-флэт тоже только 1 с.

Охлаждаемая CMOS: калибруйте флэты дарк-флэтами

Этот момент стоит подчеркнуть особо: если вы используете охлаждаемую CMOS, калибруйте флэты темновым током флэтов (дарк-флэтами), а не биасом. Биас обычно не может правильно откалибровать флэты, а если флэты откалиброваны неправильно, то в итоге при калибровке лайтов возникнет сбой. Самый частый результат плохо откалиброванных флэтов — перекоррекция при попытке откалибровать лайты, из-за чего все четыре угла становятся светлее.

Ловушка отображения флэтов с DSLR

Если вы снимаете флэты на DSLR (особенно на Nikon), результат может вас напугать: на камере или в Photoshop кадр выглядит светлым, а в PixInsight он совершенно чёрный.

Причина в том, что 14-битные данные упакованы в 16-битный файловый контейнер, поэтому для корректного отображения первым делом нужно с помощью инструмента Histogram установить белую точку на значение 0.25. Это чисто вопрос отображения, который не влияет на сами данные. (Я записал видео с демонстрацией полной процедуры на примере Nikon D810 Astro mod.)

Дарки устаревают — не забывайте их обновлять

Дарк — это не то, что снимается один раз и используется вечно. Однажды один коллега по хобби калибровал одними и теми же дарками и получил неудовлетворительный результат; когда я спросил, выяснилось, что дарки были сняты в начале года — это ещё раз подтверждает: дарки нужно периодически обновлять, одну и ту же партию дарков стоит переснимать примерно раз в три месяца. Если при каждой калибровке возникают небольшие проблемы, можно проверить, близки ли значения яркости пикселей старых и новых дарков, и по этому судить, устарели ли дарки.

Стоит также знать дарки с разными выдержками. Я видел набор мастер-дарков QHY 268C (Sony IMX 571) от 0 до 600 секунд, где фоновое значение почти не менялось независимо от выдержки (все около 0,0075); заметная разница заключалась в том, что яркость горячих пикселей росла с увеличением выдержки. Отсюда следует практический вывод: если вы обрабатываете горячие пиксели отдельно (например, с помощью Cosmetic Correction), то даже когда выдержка дарка временно не совпадает с выдержкой лайта, его всё равно можно использовать для калибровки лайта.

Кстати, в первые годы, когда я изучал калибровочные кадры, я уже обжигался на проблеме с дарками: после калибровки, выравнивания по звёздам и интеграции обнаружились признаки пере- или недокоррекции флэта, я заново пересобрал мастер-флэт целиком, и только в самом конце выяснилось, что проблема на самом деле была в дарках.

Классический урок: испорченный биас разрушает всю интеграцию

Напоследок расскажу об одном случае, который произвёл на меня глубокое впечатление. Интеграция одного набора данных попросту не удалась (в PixInsight) или дала неверный результат (в Astro Pixel Processor); при расследовании виновником оказался испорченный при съёмке биас-кадр (Bias).

Это был также первый раз, когда я столкнулся с ситуацией, что испорченный биас может обрушить всю интеграцию. Поэтому повторю ещё раз: для охлаждаемой CMOS калибруйте флэты темновым током флэтов (дарк-флэтами), не используйте биас. А неоткалиброванный флэт по сути — впустую потраченный кадр, он лишь создаёт больше проблем в откалиброванном изображении. Только когда калибровочные кадры сняты правильно, есть смысл обсуждать всё остальное.