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疊圖排異:演算法選擇與 Rejection Map 解讀

預處理與疊圖2021.01

疊圖時的「排異」(rejection),就是在把多張影像疊起來的過程中,自動剔除那些不該出現的離群值——衛星軌跡、宇宙射線白斑、殘留熱像素、過亮的星點外圍等等。選對排異演算法、看懂它產出的 Rejection Map,是疊出乾淨影像的關鍵。這篇整理排異演算法的選擇邏輯,以及那兩張常被忽視的排異地圖到底該怎麼讀。

排異演算法家族

PixInsight 疊圖時提供好幾種排異演算法,官方文件裡列出了各演算法適合的場景,很值得一讀(要注意這份文件發表已有一段時間,並沒有涵蓋後來加入的 GESD 演算法)。

PixInsight Image Integration 官方文件列出的排異演算法

大致可以分成兩類:

  • Sigma 家族:以標準差為基礎的離群值剔除,例如 Sigma Clipping、改良版的 Winsorized Sigma Clipping、以及 Percentile Clipping。它們的原理與數學同屬一個體系。
  • GESD Test:以 Grubbs’s test 為基礎,理論與數學跟 sigma-based 完全不同,是相對後期才加入的演算法。

GESD vs Sigma:張數少時誰贏?

我實際比較過。有一次拿只有 12 張的資料,同時跑 GESD Test、Winsorized Sigma Clipping 與傳統 Sigma Clipping。

GESD、Winsorized Sigma、Sigma Clipping 三者比較(12 張資料)

12 張其實不符合 GESD 與 Winsorized Sigma 的建議張數,但這一組裡 GESD Test 的效果反而最佳。不過要補充一個後記:如果是彩色、張數又不夠的情況,還是用 Winsorized Sigma 或 Sigma 比較適合。所以沒有「永遠最好」的演算法,得看資料。

GESD 對付黯淡衛星軌跡

GESD 還有一個實戰優勢。以前用 sigma 家族疊圖,常遇到較黯淡的衛星軌跡排不掉,即使有 17 張、疊完還是殘留部分軌跡,而且這種黯淡軌跡不適合用 manual selective rejection(手動塗黑)來排除。

調整 GESD 參數並擴張黯淡衛星軌跡後成功排除

改用 GESD Test,並適當調整參數、把黯淡衛星軌跡做擴張成長之後,成功排除了非常黯淡的軌跡;而且普遍來說,GESD 的訊噪比都高於傳統 Sigma Clipping 或 Winsorized Sigma Clipping。(不過大部分情況下,用 sigma 家族並不會遇到這種排不掉的問題,這是比較極端的個案。)

特殊武器:Range Clipping

除了統計式的離群值剔除,還有一種「暴力」但好用的手段——Range Clipping。

以 Low Range clipping 強制移除暗場校正不良造成的黑點

如果手上有那種暗場校正不良、出現很多黑點的圖(例如 10 張裡有、5 張裡沒有),正規的排異演算法很難靠挑離群值把這些黑點剔掉。這時可以在疊圖時用 Range Low Clipping,強制把低於某門檻的黑點全部移除。這是針對特定瑕疵的直接手段,和統計式排異互補。

Low Range clipping 移除黑點的效果

讀懂 Rejection Map

用 ImageIntegration 或 WBPP 疊完圖,除了成品,還會產生兩張排異地圖:一張針對高亮度方向(rejection high),一張針對低亮度方向(rejection low)。大部分人會直接無視這兩張——這其實浪費了很有用的診斷資訊。

Rejection High 地圖中出現的衛星軌跡、肥大星點外圍與近地天體軌跡

通常 rejection low 沒什麼好看的,重點在 rejection high:這裡會出現你希望「不要出現在成品裡」的各種干擾——衛星軌跡、過亮或肥大星點的外圍、近地天體軌跡,還有熱像素、宇宙射線造成的白斑等(熱像素我通常在疊圖前就用 Cosmetic Correction 清掉了,所以這裡數量不多)。

這張圖最實用的判讀方式是:如果你希望排除的像素,出現在 rejection high 裡,代表它被成功剔除了;如果它沒出現在這裡、卻留在疊好的成品中(例如殘留的衛星軌跡),那就代表排異參數不夠、或該換演算法

幾個常見的「要不要挑掉這張」問題

搞懂上面的原理後,很多新手的糾結就有答案了。

星點肥大的影像,要不要挑掉不參與疊圖? 除非是失焦,否則我通常都讓它參與疊圖。

Rejection High 中被剔除的肥大/過亮星點外圍與衛星軌跡示意

檢視 rejection high 就會發現,那些過大範圍或過亮的星點部分,已經被排異法去除、沒有參與疊圖運算;人造衛星軌跡、宇宙射線白塊也一樣落在 rejection high 裡。這類工作交給軟體就好。

有亮的衛星軌跡貫穿目標,要不要手動刪除那張? 答案同樣是不用。

7 張資料中一張有衛星軌跡貫穿目標,靠嚴格 Sigma High 參數自動排除

做法:如果張數較少,就用排異能力較強的演算法(例如 Sigma Clipping 家族),把 Sigma High 參數設得嚴格一點(例如低於 2.5)。有個例子只有 7 張、其中一張衛星軌跡橫貫目標,每張對訊噪比都很重要,因此設定適當參數(不用軟體預設值),就讓疊圖程序自動完成排異,成功排除的軌跡會出現在 rejection high 裡。每個辛苦得來的像素都別浪費。

壞線例外:排異救不了

最後補一個排異救不了的例外——CCD 的壞線(defect column)。

以 Defect Map 消除 CCD 壞線,殘留再交給排異處理

壞線太暗、又貫穿整條,硬要靠排異去除得犧牲太多好像素、效果還不佳。正確做法是先替相機製作 Defect Map(以拿鐵的 16803 CCD 為例,有一條明顯壞線在畫面中央、加三條不明顯的壞線),用 DefectMap 程序載入套用在亮場上,大幅減輕壞線影響後,剩餘的部分再交給疊圖排異輕鬆去除。也就是說,排異是收尾的清道夫,不是萬能的第一道防線——該用專門工具處理的瑕疵,還是得先用對工具。