Frame hiệu chỉnh trong thực tế: sử dụng đúng frame light, dark, flat và bias

Tiền xử lý là một khâu vô cùng quan trọng, và tôi thường dành rất nhiều thời gian cho phần này. Ngoài quy trình hiệu chỉnh ra, phần lớn các bước tôi đều làm thủ công để bảo đảm từng mắt xích đều chính xác — như vậy một khi có vấn đề xảy ra thì mới nhanh chóng tìm ra nguyên nhân được. Và frame hiệu chỉnh (calibration frame) chính là nền móng của tiền xử lý. Bài viết này tổng hợp những cái bẫy tôi từng vấp phải trong mấy năm qua cùng những hiểu biết thực tế mà tôi tích lũy được về frame hiệu chỉnh.

Light, dark, flat, bias, flat dark: phân biệt cho rõ trước đã

Bốn loại frame hiệu chỉnh chính của nhiếp ảnh thiên văn là frame light, frame dark, frame flat và frame bias, cộng thêm frame flat dark (frame dark dành cho frame flat). Đây là khái niệm cơ bản nhất, nhưng số người thực sự trình bày rành mạch được câu “hãy nói ngắn gọn sự khác nhau giữa frame light, frame dark, frame flat, frame bias và frame flat dark” lại không nhiều như bạn tưởng — rất nhiều người chỉ thuộc lòng tên gọi, mà điều đó không đồng nghĩa với việc hiểu từng loại đang làm gì.

Ảnh trên là phần giải thích tôi trích dẫn từ RBA, bao gồm cách giải thích về frame light, frame dark, frame bias và frame flat, cùng với dáng vẻ thường thấy của các frame hiệu chỉnh này trong điều kiện bình thường. Frame flat dark thì như đã nói ở trên, chỉ là frame dark dành cho frame flat, quan niệm cứ chiếu theo frame dark là được. Điều thật sự cần ghi nhớ là mỗi loại chịu trách nhiệm khử đi loại khuyết tật nào: frame dark đối phó với nhiễu nhiệt và dòng tối, frame flat đối phó với tối góc (vignetting) và bóng bụi, còn frame bias đối phó với offset đọc (readout offset).

Frame flat: tấm có nhiều điều phải học nhất

Trong bốn loại frame hiệu chỉnh, frame flat có lẽ là tấm dễ gặp trục trặc nhất — và cũng là tấm có nhiều điều phải học nhất.

Donut và vùng bị che trong frame flat

Khi bạn dùng ScreenTransferFunction (STF) trong PixInsight để screen stretch và xem frame flat, bạn sẽ thấy frame flat lúc nào cũng đầy những vòng “donut”; về cơ bản đó chính là bụi nằm trên đường truyền quang. Đồng thời bạn cũng sẽ thấy hiện tượng tối góc, và nếu dùng OAG thì còn thấy cả bóng che của OAG.

Chính vì vậy, chỉ cần hệ quang học có bất kỳ thay đổi nào — tháo lắp, chỉnh lại khung hình, thậm chí chỉnh mặt nạ ống kính — là đều phải chụp lại frame flat. Nếu không, vị trí của các donut hay bóng che sẽ không khớp với vị trí bị che trên frame light, đương nhiên hiệu chỉnh không thể thành công, ngược lại còn tạo ra đủ kiểu hiện tượng giả (artifact) kỳ quặc sau khi hiệu chỉnh.

Chọn thời gian phơi sáng thế nào: một thử nghiệm thực tế

Frame flat cần phơi sáng bao lâu? Tôi từng làm một thử nghiệm thực tế. Thiết bị là kính Newton 8 inch (đã cải tiến) ghép với ASI 2600MC; ở cùng một nhiệt độ, tôi lần lượt chụp frame flat 10ms, 1s, 5s, 10s cùng các frame flat dark tương ứng, hiệu chỉnh xong thì kiểm tra bằng mắt thường và thấy bộ 5s cho kết quả tốt nhất, còn 10ms và 10s đều bị sáng lên ở vùng rìa. Tiếp đó tôi lấy frame flat 5s chia cho frame flat ở các mức giây khác để so sánh: bộ 1s hẳn là đã chụp hỏng, chia ra thì cả tấm ngả tối; bộ 10ms có một dải khác biệt chạy từ trên trái xuống dưới phải; còn khác biệt của bộ 10s thì rất nhỏ. Các frame flat đã hiệu chỉnh ở mọi mức giây đều có vị trí trên biểu đồ histogram gần như nhau, hơi lệch trái so với giữa, cũng không có thông tin nào bị cắt mất, cho thấy thiết lập chụp là đúng.

Kết luận là: nếu không xét đến các biến số khác, hệ thống này cho kết quả tốt nhất với frame flat 5s, 10s cũng rất tốt, chỉ là tốn thêm thời gian. Cần nhắc bạn rằng “mức giây tối ưu” này là kết quả của một hệ thống cụ thể; đổi sang bộ thiết bị khác thì phải đo lại từ đầu.

Tấm đèn hay ánh sáng bầu trời?

Trừ khi khẩu độ kính thiên văn quá lớn thì tôi mới cân nhắc lấy ánh sáng bầu trời để làm frame flat. Frame flat bầu trời có không ít vấn đề: cả về sao (frame flat bầu trời hay xuất hiện sao sáng) lẫn về độ sáng (mỗi tấm một độ sáng khác nhau), khả năng kiểm soát đều kém hơn. Trong thời buổi đèn LED chỉnh được độ sáng phổ biến như hiện nay, kính thiên văn dưới 25 cm dùng tấm đèn để chụp frame flat là tiện nhất — chỗ nào cũng chụp được, chụp hỏng còn chụp lại ngay được, thực sự không có lý do gì để không chụp frame flat. Nếu thật sự phải dùng ánh sáng bầu trời, tôi sẽ dùng tấm nhựa trắng sữa chứ không khuyên dùng áo thun trắng. Về số lượng frame flat, 5 đến 10 tấm là đủ; điều quan trọng không nằm ở chỗ nhiều, mà ở chỗ chụp cho đúng.

Còn về cách chỉnh độ sáng của tấm đèn, tôi cũng đã thử: chụp frame flat 1s bằng cách điều chỉnh độ sáng theo PWM (có nhấp nháy) rồi đem so với frame flat 4s chụp khi có thêm tấm giảm sáng. Tuy trên ảnh 1s vẫn thấy rõ vân PWM, nhưng sau khi tích hợp (integration) thì vân biến mất, và khi chia cho master flat 4s thì kết quả hiện màu trắng, tức là gần như không có khác biệt. Vậy nên điều chỉnh độ sáng bằng PWM là khả thi (dĩ nhiên điều chỉnh bằng điện áp thì không nhấp nháy, lý tưởng nhất); còn muốn tiết kiệm thời gian thì chỉ chụp frame flat 1s, frame flat dark cũng chỉ 1s, xem ra là đã đủ.

CMOS làm lạnh: hãy hiệu chỉnh frame flat bằng dòng tối của frame flat

Điểm này cần nhấn mạnh đặc biệt: nếu dùng CMOS làm lạnh, hãy dùng dòng tối của frame flat (frame dark dành cho frame flat) để hiệu chỉnh frame flat, đừng dùng frame bias. Dùng bias thường không hiệu chỉnh đúng được frame flat, mà frame flat không được hiệu chỉnh đúng thì đến lúc hiệu chỉnh frame light sẽ thất bại. Phần lớn hậu quả của việc frame flat bị hiệu chỉnh kém là khi đem đi hiệu chỉnh frame light sẽ xuất hiện hiệu chỉnh quá mức, làm bốn góc sáng lên.

Bẫy hiển thị của frame flat chụp bằng DSLR

Nếu bạn dùng DSLR (nhất là Nikon) để chụp frame flat, có thể bạn sẽ giật mình: rõ ràng trên máy ảnh hay trong Photoshop thì trông sáng, vậy mà trong PixInsight lại đen kịt.

Nguyên nhân là dữ liệu 14 bit được đặt trong vùng chứa tệp 16 bit, nên muốn hiển thị đúng thì bước đầu tiên phải dùng công cụ Histogram để chỉnh điểm trắng về 0.25. Đây thuần túy là vấn đề hiển thị, không ảnh hưởng đến bản thân dữ liệu. (Tôi từng quay video thao tác lấy Nikon D810 Astro mod làm ví dụ, trình bày trọn bộ các bước.)

Frame dark: có hạn dùng, nhớ cập nhật

Frame dark không phải chụp một lần là dùng được mãi. Từng có một người bạn cùng sở thích hiệu chỉnh bằng đúng bộ frame dark cũ và kết quả không tốt; hỏi ra mới biết bộ frame dark đó chụp từ đầu năm — điều này một lần nữa xác nhận rằng frame dark cần được cập nhật định kỳ, cùng một bộ frame dark dùng khoảng ba tháng là nên chụp lại. Nếu lần nào hiệu chỉnh xong cũng có chút vấn đề, bạn có thể kiểm tra xem giá trị độ sáng pixel của bộ frame dark cũ và bộ mới có xấp xỉ nhau không, rồi từ đó phán đoán frame dark đã lão hóa hay chưa.

Frame dark ở các mức giây phơi sáng khác nhau cũng đáng để tìm hiểu. Tôi từng xem một bộ master dark của QHY 268C (Sony IMX 571) từ 0 giây đến 600 giây: giá trị nền gần như không đổi dù ở mức giây nào (đều quanh 0.0075), khác biệt nhìn ra được là độ sáng của điểm ảnh nóng (hot pixel) tăng dần theo số giây. Từ đây rút ra một kết luận thực dụng: nếu bạn xử lý hot pixel riêng (ví dụ bằng Cosmetic Correction), thì khi số giây của frame dark tạm thời không khớp với frame light, bạn vẫn có thể dùng chúng để hiệu chỉnh frame light.

Nhân tiện, hồi những năm đầu nghiên cứu frame hiệu chỉnh, tôi cũng từng thiệt vì frame dark trục trặc: sau khi hiệu chỉnh, căn chỉnh theo sao và tích hợp thì phát hiện frame flat hiệu chỉnh quá mức hoặc chưa đủ, tôi chỉnh lại master flat rồi làm lại toàn bộ một lượt, đến cuối cùng mới nhận ra vấn đề nằm ở frame dark.

Một bài học kinh điển: bias chụp hỏng làm cả quá trình tích hợp thất bại

Cuối cùng, xin kể một trường hợp để lại ấn tượng sâu sắc. Có một bộ dữ liệu tích hợp thì thất bại luôn (PixInsight) hoặc cho kết quả không đúng (Astro Pixel Processor); truy ngược lại thì thủ phạm chính là frame bias (Bias) chụp hỏng.

Đây cũng là lần đầu tôi gặp tình huống bias chụp hỏng dẫn đến cả quá trình tích hợp thất bại. Vậy nên xin nhắc lại một lần nữa: với CMOS làm lạnh, hãy hiệu chỉnh frame flat bằng dòng tối của frame flat, đừng dùng bias. Còn frame flat mà không được hiệu chỉnh thì về cơ bản là chụp uổng công, chỉ khiến ảnh sau hiệu chỉnh nảy sinh thêm nhiều vấn đề. Chụp đúng frame hiệu chỉnh trước đã, sau đó mới có gì để bàn tiếp.