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.