Tähtikuvankäsittelyn perusteita, pinoaminen

Moderniin harrastajatähtikuvaukseen liittyy väistämättömänä osana monia keskustelupalstoja, joilla kysytään usein neuvoa muilta harrastajilta. Innokkaita, kokeneita auttajia foorumeilta löytyy usein, valitettavasti joukko harhaluuloja on päässyt pesiytymään perimätiedoksi asti. Yritän tämän talven aikana kirjoittaa kustakin isommasta osa-alueesta oman pienen pätkelmän, joista ensimmäisenä on vuorossa tähtikuvien käsittely.

Tähtikuvaukseen liittyy selviä eri vaiheita itse kohteen kuvaamisen ja "perinteisen" kuvankäsittelyn lisäksi: valinta, kalibrointi, rekisteröinti ja pinoaminen. Niihin kaikkiin kuuluu pieni määrä "pakollista" matematiikkaa, jonka perusteiden ymmärtämiseen on hyvä käyttää hetki aikaa. Oma lähtökohtani kuvankäsittelylle on yksinkertaisuus ja toistettavuus, jolloin voin jatkaa kutakin kohdetta useiden öiden valotuksilla.

Valinta

Aina ei kannata ottaa aivan kaikki kuvia käsittelyyn, vaan poistaa listasta kriteerit täyttämättömiä valotuksia. Kuvien valinnassa voi käyttää yksinkertaista luokittelua tähtien tarkkuuden mukaan: tilastollisilla menetelmillä suurempia kuvamääriä pinottaessa lopullinen tarkkuus on likipitäen lähdekuvien tarkkuuden mediaani. Eli kun järjestät kuvat niiden keskimääräisen FHWM-arvon mukaan, voit suoraan valita kaksi kertaa niin monta kuvaa kuin se, jonka FWHM on lähinnä haluttua kuvanlaatua. Yksittäiset epätarkat ruudut eivät siis pilaa koko settiä, jos käytettävissä on kymmenkunta hyvää valotusta.

Käytännön esimerkkinä parin kuvasarjan FWHM-lukuja:

SarjaA	2.1	2.2	2.2	2.3	2.3	2.3	2.6	2.8	3.4	4.7
SarjaB	1.8	1.9	2.1	2.2	2.4	2.4	2.4	2.5	2.5	2.5

Näistä SarjaA tuottaisi todennäköisesti tarkemman lopputuloksen kuin SarjaB, vaikka nuo kaksi epätarkinta kuvaa jätetäänkin pinottaviksi, eikä pinon tarkkuus paranisi vaikka ne jätettäisiin pois.

Kalibrointi

Koska kohteet ovat yleensä hyvin himmeitä ja kuvausolosuhteet vaihtelevat pitkin yötä kuun ja muiden asioiden vaikutuksesta, on raakakuvat yleensä ensin kalibroitava. Kalibroinnilla pyritään poistamaan laitteiston aiheuttamat epäkohdat kuvamateriaalista ja siihen käytetään kolmea erilaista "kuvatyyppiä": bias-, flat- ja darkruudut.

Biasruudut ovat lyhyimpiä mahdollisia valotuksia, joita käytetyllä kameralla saa otettua. Näillä valotuksilla voidaan poistaa kuvista (niin  raakakuvat, kuin muut kalibrointikuvat) kameran bias-taso, sekä lukuelektroniikan aiheuttamat vakioituvat kuviot, kuten viivat ja gradientit. Vastoin usein kirjoitteua olettamaa lukukohinaa ei voi poistaa, sitä voi vain lisätä. Tämän vuoksi biasruutuja on hyvä ottaa useita, jotta todellisen lukukohinan vaikutus saadaan minimoitua. Biasruudut pinotaan yleensä suoraan mediaanina, joskin muitakin tapoja on ja erilaisilla mallinusmenetelmillä saadaan varsinaisen lukukohinan osuus poistettua lähes kokonaan.  Kameran lämpötilalla ei yleensä ole merkitystä, järjestelmäkameralla kannattaa käyttää samaa ISO-arvoa kuin jolla kuvaa. Biasruuduista pinotaan niinsanottu master-bias, jota käytetään kalibroinnissa yksittäisten biasruutujen sijaan. Täten biasruutuja kannattaa kuvata kerralla riittävästi, vähintään kymmeniä, etteivät ne osaltaan lisää kohinaa lopulliseen kuvaan. Biasruutuja ei tarvitse uusia jokaisen kuvauskerran välillä, kerran pari vuodessa riittää, eikä alkuperäisiä yksittäisiä biasruutuja ole tarve säilyttää.

Flatruudut ovat yksi tärkeimmistä kalibrointiruututyypeistä, sillä niillä pyritään poistamaan kuvauslaitteiston aiheuttamia ongelmia, kuten vinjetointi ja pölypallerot. Flatruudut otetaan muun kuvauksen yhteydessä, ennen tai jälkeen varsinaisen kuvaamisen, ja kohteena käytetään mitä tahansa tasaisesti valaistua kohdetta. Yleisimmät ratkaisut ovat tasaisesti valaistu T-paita, EL-kalvo ja ilta-/aamuhämärän taivas sopivasta kohtaa. Flatruutuja tulee ottaa jokaisella suotimella erikseen, ja aina ennenkuin kääntää kameraa johonkin toiseen asentoon tarkentimessa. Flatruudut eivät ole käyttökelpoisia semmoisenaan, vaan niistä täytyy ensin vähentää bias ja pinota master-flatruuduksi. Riittävä määrä on noin 20-30 per suodatin ja niiden kirkkauden tulisi pysyä kameran lineaarisella alueella ja ruudun keskiarvon tulisi olla hieman alle puolet kennon maksimikirkkaudesta.

Darkruudut ovat kalibrointiruuduista se ainoa valinnainen. Monilla nykyisillä DSLR-kameroilla tapahtuu monenlaista jälkiprosessointia myös RAW-kuville, ja useiden jäähdytettyjen CCD-kameroiden pimeävirrat ovat niin vähäisiä, ettei darkruuduille ole usein tarvetta. Darkruuduilla pyritään poistamaan kalibroitavista kuvista kennon pimeävirtaa sekä kuumia pikseleitä, ne otetaan samassa kuvauslämpötilassa kamera tulpattuna ja ovat valotusajaltaan samanmittaisia varsinaisten valotusten kanssa. Darkruutujen ottaminen on täten hidasta, ja niitäkin tarvitaan useita (kymmeniä) kohinan lisääntymisen minimoinniksi. Darkruudut pitää myös kalibroida biasruuduilla ennen käyttöä.

Neljäntenä, nykyään lähes kokonaan unohdettuna on flatruutujen darkruudut, teoriassa nekin pitäisi ottaa ja vähentää flatruudusta (bias-kalibroituina toki), mutta nykyisillä kameroilla parin sekunnin valotukset eivät merkittävästi eroa biasruuduista.

Pimeäsignaali vähennetään kuvasta ennen flat-korjausta, muutoin myös pimeäsignaalin aiheuttamat virheet muuttuvat. Normalisoitu flatruutu tarkoittaa kuvan kunkin pikselin arvon jakamista flatruudun kaikkien pikseleiden keskiarvolla. Tällöin pölypallojen kohdalla olevat keskiarvoa tummemmat pikselit saavat arvon hieman alle 1 ja kuvan yleensä kirkkaampi keskialue saa arvokseen hieman yli 1. Jakamalla valotus tällä normalisoidulla flatruudulla kirkastaa pölypallojen kohtia ja tummentaa kirkkaita kuvakentän alueita.
Itse kalibrointi onkin varsin helppo esittää matematiikan avulla:

Kalibroitu = ((Valotus-Bias) - (Dark-Bias))/normalisoitu(Flat-Bias [- (FlatDark - Bias)])

Oikein tehdyn kalibroinnin jälkeen alkuperäisiä kuvia ei teoriassa tarvita, kunhan käytetyt kalibrointi-masterit ovat tallessa (ja tiedetään millä yhdistelmällä kuvat on käsitelty).

Rekisteröinti

Kun kuvat on saatu kalibroitua, on edessä prosessin toinen vaihe. Tässä vaiheessa valitaan yleensä yksi viitekuva, jonka mukaan kaikki muut kuvat asetellaan. Rekisteröintiin on monia tapoja, yleisin on käyttää vähintään kahden tähden avulla tehtävää uudelleenasemointia, jolloin kuvakentän todennäköinen pieni kiertyminen saadaan kumottua. Mosaiikkikuvaamiseen liittyy omat niksinsä, niistä kirjoitan myöhemmin erikseen.
 
Rekisteröinti kannattaa suorittaa kaikille kuville saman viitekuvan perusteella, tällöin eri suotimien läpi kuvatut kanavat osuvat automaattisesti kohdakkain. Rekisteröinnissä kutakin kuvaa siirretään, kierretään ja skaalataan siten, että sen tähtikenttä täsmää mahdollisimman tarkasti valittuun viiteruutuun. Näitä rekisteröityjä ruutuja käytetään seuraavissa vaiheissa, mutta käsittelyn jälkeen niitä ei tarvitse varsinaisesti säilyttää, jos on merkinnyt viiteruudun talteen.

Pinoaminen

Viimeinen varsinaista kuvankäsittelyä edeltävä vaihe on ruutujen pinoaminen. Kalibroidut, rekisteröidyt kuvat pinotaan per kanava omaksi lopulliseksi ruudukseen. Käytettävissä olevien valotusten määrä vaikuttaa pinoamisessa käyttökelpoisimpaan tapaan. Hyvin pienillä määrillä vaihtoehtoja on noin kaksi: summa ja keskiarvo. Isommalla määrällä valotuksia voidaan käyttää tilastollisia menetelmiä, joiden avulla päästään eroon satelliittien ja kosmisten säteiden aiheuttamista häiriöistä.
Tilastollisille menetelmille yhteistä on se, että kalibroidut kuvat pitää normalisoida vielä keskenään ennen varsinaista pinoamista. Vaikka pinoamisohjelmat suorittavatkin tämän toiminnan puolestasi, mutta sitä ei kannata silti unohtaa lukiessa erilaisia tulkintoja tilastollisten pinoamismenetelmien toiminnasta. Joillain pinoamisohjelmilla tähän keskinäiseen normalisointiin voi valita käytettävän menetelmän, toisilla taas ei. Syy normalisointiin löytyy kohteen ja kaukoputken välistä, samankin illan aikana otetuissa kuvissa taivaan kirkkaus voi vaihdella kohteen lipuessa valosaasteisesta horisontista kohti tummaa taivaanlakea.

Pinoamistapojen toimintaa voi tarkastella helposti rekisteröidyn kuvapinon yksittäisen pikselipaikan suhteen. Oletetaan, että kuvan keskellä on kiintoisaa kohdetta ja kunkin kanavan osalta kyseiselle pikselille tulee vaikkapa seuraavanlaiset arvot:

R	101	105	100	103	105	109	140	97	110	102
G	92	91	92	93	97	99	91	80	87	92
B	100	103	101	95	247	110	104	102	105	103

Keskiarvona saadaan (R=108, G=91, B=117), jossa kirkkaan "satelliitin" aiheuttama viiru on selvästi nähtävillä B-kanavan keskiarvossa. Tilastollisilla menetelmillä näistä poikkeusarvoista voidaan päästä eroon, ja tunnetuin tapa on käyttää "sigma-clip" -menetelmää. jokaiselle kohdalle lasketaan kunkin pikselin tilastolliset ominaisluvut mediaan ja keskihajonta, jota merkitään kreikkalaisella aakkosella sigma. Näiden laskemiseen minkäänlaisella tarkkuudella vaatii riittävän määrän osavalotuksia, pitäisin miniminä viittä valotusta.

Kunkin kanavan mediaanit ovat (R=105, G=92, B=103) ja keskihajonnat (R=11.3, G=4.9, B=43.5).
Mediaania voi käyttää sellaisenaan esimerkiksi bias- ja darkruutujen pinoamisessa. Sigma-clip menetelmässä hylätään yli tietyn etäisyyden päässä olevan arvot ja etäisyys ilmoitetaan keskihajonnan kertoimena: yksi sigma keskiarvosta kumpaankin suuntaan kattaa 68,26% arvoista ja kaksi sigmaa kattaa 95,44%.

Poistamalla jokaisesta kanavasta yli yhden sigman päässä olevat arvot (R=9, G=7 ja B=9 arvoa), voimme laskea uudet Sigma-clip -keskiarvot: (R=104.7, G=91.1, B=102.6) ja aluksi sinertävältä vaikuttava pikseli muuttuikin punertavaksi. Puolen sigman rajauksella punaisesta kanavasta hylätään jo 4 arvoa ja keskiarvoksi tulee 107, vihreällä kanavalla 92 ja sinisellä 103:

R	101	105	100	103	105	109	140	97	110	102
G	92	91	92	93	97	99	91	80	87	92
B	100	103	101	95	247	110	104	102	105	103

Monissa ohjelmissa voi määritellä eri sigma-kertoimet keskiarvon ylä- ja alapuolelle, mutta vaikutus on vastaava.

Kanavia ei kannata sekoittaa pinoamisvaiheessa, varsinkaan tilastollisilla menetelmillä pinottaessa. Varsinkin kapeakaistakohteissa kanavien väliset erot voivat olla todella jyrkkiä (esimerkiksi harsosumu), joten katsotaanpa miten 10 pikseliä leveälle yksiriviselle kuvalle käy, kun kohteessa on vain "yksivärisiä" kirkastumia. Tässä rivin kunkin kanavan arvot:

R	101	224	342	221	102	100	101	102	101	102
G	103	101	102	100	102	101	102	101	103	101
B	102	100	103	101	101	102	223	401	301	102
K-a	102	141	182	140	102	101	142	201	168	102
S-clip	102	100	102	100	102	101	101	101	102	102

Sininen ja punainen kirkastuma katosivat Sigma-clip pinosta, eikä tätä oikein voisi käyttää luminanssina tulevalle kuvalle (siitä miksi kannattaa tehdä erillinen L-kuva jos on kuvannut vain RGB-kanavia, lisää seuraavassa postauksessa).

Pinoamisen jälkeen jäljellä on enää yksi kuva kustakin kuvatusta kanavasta ja niiden yhdistäminen kuuluukin jo kuvankäsittelyn alueelle ja ansaitsee oman kirjoituksensa.

IC5068 H alpha

IC5068 H alpha
Originally uploaded by Mickut

The weather hasn't really played along with astrophotography as a hobby. It rained almost non-stop for almost two months and the nearly rainless days and nights were completely overcast. The clouds thinned out enough to shoot thru for a hour or so, even then it was a 3/8 cloudy sky.
I wasn't certain what I'll get for this target, the chart showed emission and dark nebulae as targets, so I decided to take a look. It's a bit larger than my FOV, so framing was a compromise to get the interesting filaments in view. Does it look like a bat to you too?


Via Flickr:
The IC 5068 sits below the North-America and Pelican nebulae, it's a fairly large emission target with many dark dust filaments (AFAIK) about half way between the nebula and us.
Narrowband H-alpha, 3x 20min exposures.

Obscured by clouds

Obscured by clouds
Originally uploaded by Mickut

The astronomical darkness has finally arrived. At the start of the new season I decided to try my luck with a small mosaic project of the North-America and Pelican nebulae as the objects are fairly bright and the darkness lasts only a short moment for now.
Last night was the first clear night with astronomical darkness lasting a bit under three hours. In four months the astronomical darkness should last for almost 12 hours, a significant difference there.

Via Flickr:
The famous North-America and Pelican nebulae are part of the same vast emission cloud, but the dark dusty clouds between us and the glowing gas shape the view to the familiar shapes.
LRGB 2x2 frame mosaic, 3x5min per channel and panel. Original frame at 100dpi would yield a nice 150x110 centimeter poster, but more light is needed for better SNR and color gradient corrections.

Fitting the gear

Fitting the gear
Originally uploaded by Mickut

The future skycam and SQM housing for Kirkkonummen Komeetta observatory site is made of a 45deg 110mm sewer junction, end caps and clear acrylic domes. The gear is press-fitted into place with thick, heavy foam rubber.

Greener pastures

The lush green grass has kept me fairly well off the computer during summer time. Early in the season I had a pro take a look at my swing and assign a training program. The results have been encouraging, gaining a club length in distance and significantly reduced the random hook/slice errors per round. Getting longer shots has cause a bit of trouble estimating the right club choic, and fairly frequently I've found myself in situations I couldn't even comprehend earlier.

Today was a significant exception to the better play regime. It served as a reminder on how well compared to past games I've played this season and the last. But the culprit was easy to identify. Approaching winter and dark skies have stirred a bit of life at the observatory and I'd spent yesterday doing physical labour with a chisel and wooden mallet in hand. The pounding hand was a bit shaken today, and just getting a natural feeling grip was a challenge let along getting a clean, effortless swing in rhythm. Funny how those little things can affect your game.

Currently the big question is, do I want to upgrade any part of my astrophoto setup for the coming season? The options are fairly limited with a budget available. I could get hyperstar for my own C8, but that would mean getting a 2" filter set and upgrading the rear cell focusing system to an automated one. That's stretching the budget a "bit" beyond the funds. I could hog most of the imaging time from the club William Optics, it gives a good, flat field with a near perfect angular resolution in the Finnish seeing (about 1.75"/px on my camera). The TS-Quad isn't quite as nice for my camera and it would match a C8+Hyperstar in focal length at 420mm (vs 425mm with Hyperstar). And it's a lot slower at f/6.5 vs f/2.1 for the C8 Hyperstar, a difference of over three stops. Hard decisions, and only three weeks to first moment of astronomical darkness for the next season.

Experiences from "Kellotapuli"

Kellotapuli (bell tower, clock tower) is the nickname for my astrophotography gear shelter, given its looks. It's a variation on the rolling roof shelter with minimal footprint (120cm x 65cm base) where the top half rolls off east. This enables using a steep 30/60 degree roof (convenient when living 60deg north) and a wall-sized door. Many claimed the tower would topple seeing it standing at close to 2.5m tall on a hill, but the looks deceive. It may be 65cm wide at base, but in that direction at the 1.2m level there's also the 3.5 meters of track bolted to bedrock at the far end.

The main design principle was to avoid shoveling snow at winter and this was achieved handsomely. A bit of shoveling is still needed to access the lower compartments where I store the EL-foil for flat fields, but next summer I'll build some additional removable shelving and other fasteners to keep the need for lower comparment access to a minimum. The rails froze over once, that caused a two minute delay opening the box. A reasonable improvement over the "out-house" shelter which necessated shoveling snow for a good hour or more.

The  design was also based on the assumption that this is for astrophotography only, no creature comforts or visual observation conveniences are necessary. There's a small shelf on the north side for a laptop, power and network outlets on the wall, a small ceramic heater keeping dew out during cloudy nights and that's it. The site has a separate, heated cabin for observers, so a remote desktop connection over LAN works wonders. Almost all aspects have been motorized, polar alignment is a bit of an issue with the Synta mounts in fluctuating temperatures. Although it's mounted on a pier the alignment can be off one half a degree if the temperature changes signficantly. This I guess is mostly due to the very long lower altitude bolt contracting at a different rate than the aluminium mount base. Modding the mount base to allow for a shorter lower altitude bolt should solve this problem. The second option for the current mount is to build a completely new alt-az assembly with linear actuators for an automatic polar alignment.

Over all I'm ready to declare the Kellotapuli a success. Now I can head over to the observatory with camera and laptop in my backbag and start exposing the skies in less than 10 minutes from arrival. The slowest bit now is starting the laptop, running the imaging SW and reaching initial focus. From then on the automation could take over should I have written more scripts, but that's worth a separate blog post later on.

Pacman nebula NGC281

Pacman nebula NGC281
Originally uploaded by Mickut

Day 4 in learning to use PixInsight is starting to yield results.
I tested morphological star size reduction, selective de-saturation with a star mask and very moderate luminance and chrominance noise reduction with a lightness mask to smooth out the boosted shadows while leaving the brighter, better SNR nebulous areas and stars intact.