Сложение астроснимков в DeepSkyStacker

Сложение — важный этап обработки астроснимков. От его результата будет зависеть получится ли сделать качественное изображение или нет. Методов сложения много и главное правильно выбрать подходящий вариант.

Программы для сложения снимков

Сложение снимков производится специальным астропрограммами. Их довольно много, поэтому я остановлюсь только на DeepSkyStacker (новые версии см. на github). Для редактирования и просмотра результата можно использовать Fitswork 4.47 .

Основы сложения

Каждый RAW-файл представляет собой набор пикселей матрицы. Матрица покрыта специальными цветными фильтрами, чтобы каждый фотодиод поглощал только свой цвет: красный, зеленый или синий. Это называется фильтр Байера.

Чтобы получить цветное изображение выполняется операция дебайеризации. Существуют разные алгоритмы дебайеризации, например биллинейная интерполяция, когда «недостающие» пикселы формируются путем вычисления от соседних. Существует более «традиционный» вариант, который обычно так и называют Bayer Pattern.

С практической точки зрения, разбираться во всех этих тонкостях особого смысла нет. Проще проверить результат по тестовым снимкам и выбрать наиболее подходящий.

После того, как произведена дебайеризация, изображения складываются между собой. Это примерно как наложение слоёв (по яркости) в фотошопе. Там где пиксели совпадают, происходит увеличение их яркости. Это приводит к усилению полезного сигнала и уменьшению уровня хаотичного шума.

Как правило кадры немного смещены между собой. Это происходит из-за неточности гидирования, вращения поля и т.п. Поэтому при сложении нужно кадры выровнять между собой.

Делается это за счет поиска на изображении ярких звёзд по которым и производится математический расчёт как смещать изображения между собой (по горизонтали, вертикали и поворот).

В DeepSkyStacker эта процедура полностью автоматизирована. Нужно лишь указать уровень определения звёзд. Обычно для полноценного выравнивания достаточно 3..5 звёзд, но программа находит их гораздо больше — десятки и сотни.

Методов сложения также существует довольно много. Самое простое — это сложение по среднему значению пикселей (Average). Более сложный вариант — сложение по медиане (Median). В этом случае учитывается отклонение каждого пикселя от среднего, что позволяет отсечь случайные пиксели, например треки метеоров, горячие пиксели и т.п. Более сложные методы Kappa-Sigma Clipping или Median Kappa-Sigma Clipping, представляют собой улучшенные алгоритмы, но при этом дольше работают.

После того, как сложение выполнено, DeepSkyStacker может выполнить дополнительные операции с изображением: поиск и удаление «горячих» и «холодных» пикселей, выравнивание RGB-фона и т.д.

На выходе результат будет сохранён в fit-файле для последующей обработки. Многие сохраняют результат в формате tif, но лучше всё-таки использовать fit, поскольку он 32-разрядный и больше приспособлен именно для астрофото.

Темновые файлы — dark

Dark-файл — это темновой кадр, который делается с теми же параметрами, что и основной кадр, только с закрытой крышкой. Кадр содержит только тепловые шумы без какого-либо яркостного сигнала извне. На этапе сложения dark-файл вычитается из основного кадра, что должно приводить к уменьшению уровня шума.

Следует учитывать, что тепловой шум матрицы имеет хаотичную структуру. То есть несколько dark-файлов будут иметь разные значения пикселей. Поэтому считается, что dark-файл должен быть сделан сразу же после съемки основного кадра, пока характеристики матрицы не изменились (в основном речь идёт о температуре). На практике же с этим есть определённые сложности и астрономы снимают dark-файлы уже после всей фотосессии. По этой причине dark'и не соответствуют основным кадрам, что в итоге приводит не к уменьшению уровня шумов, а наоборот, к их увеличению.

Из-за этого, dark'и если и использовать, то в больших количествах. Автор DSS говорит как минимум о 20 файлах. На практике же речь должна идти хотя бы о 50..100 кадрах. Тогда эффект от применения темновых кадров действительно будет иметь какое-то значение. Dark-файлы складываются между собой (по медиане), чтобы в итоге получился MasterDark, который будет содержать только постоянную составляющую темнового шума, исключая хаотичную.

Если же сделать большое количество дарков возможности нет, то лучше вовсе от них отказаться. Как минимум это не испортит сложенное изображение.

Калибровочные Offset/Bias

Эти кадры получаются путем сьёмки при закрытой крышке на самой быстрой выдержке (1/4000 или 1/8000 сек. — зависит от фотоаппарата). Предполагается, что матрица шумит «сама по себе» (шум считывания) и этот уровень шума можно выявить через Offset/Bias-файлы. На практике же, современные камеры настолько малошумящие, что уровень такого шума крайне незначителен и не играет существенной роли в общем сигнале. С другой стороны, сделать такие файлы быстро и просто, и к тому же их обновлять достаточно всего раз в год (эти шумы не меняются со временем). Поэтому оптимальным вариантом будет всё-таки сделать отдельные серии под используемые ISO и добавлять при сложении. Если на матрице есть дефекты, то такие кадры будут полезны, но опять же, в большом количестве, чтобы выявить только постоянную составляющую.

Калибровочные Flat

С помощью Flat-кадров можно исправить виньетирование снимков. Если есть возможность, то флэты лучше делать, поскольку это самый простой и качественный способ исправить неравномерную освещённость. Создание флэтов не самый простой процесс, поскольку требует либо light-бокса, либо сноровки, чтобы его заменить.

С другой стороны виньетирование больше проявляется по краям снимка, поэтому, если снимаемый объект имеет малые размеры, то перепад яркости будет минимальный. Здесь флэты уже особо и не нужны.

Ну и кроме того, современные астропрограммы, включая Fitswork умеют исправлять частичное виньетирование. Более того, исправляется не только перепад от виньетирования, но и градационные перепады, например от близко расположенного фонаря, Луны или засвеченного горизонта. Таким образом flat-файлы в общем можно заменить специальной постобработкой.

Требования к кадрам изображений (light)

Важно понимать, что сложение не сделает чуда и не превратит плохие кадры в хорошие. Поэтому если на кадрах изображений есть треки звёзд или неверная фокусировка, то всё это так и останется (особенно, если кадров немного). Если среди всех кадров найдётся хоть один плохой, то он может испортить итоговое изображение. Лучше использовать всего несколько хороших кадров, чем много плохих.

Второй момент — сложение это больше математический процесс. Он не создаст шедевра, если при сложении выполнять «сопутствующие» процедуры. Нужно чётко разделять этап сложения, где и должно быть только сложение, от последующей обработки, где можно выравнивать rgb-каналы, усиливать цвет и сглаживать фон. Чем меньше при сложении сторонних операций, тем качественнее будет результат в итоге.

При увеличении количества кадров, требования к одиночным «бракованным» снижаются. При этом используется сложение по методу kappa-sigma, которая как бы отсеивает этот самый «брак» и на итоговом снимке они не проявляются. Но здесь речь идёт о сложении десятков, или даже сотен кадров.

Настройки сложения в DeepSkyStacker

После установки DSS, нужно сделать сброс настроек до дефолтных. В боковой панели: Опции — Загрузка — Восстановить настройки по-умолчанию.

Вначале нужно указать метод дебайеризации raw-снимков: Установки RAW/FITS DDP....

По сути в DSS есть только два практических варианта: билиннейная интерполяция и AHD. Разница между ними в том, что билиннейная интерполяция довольно сильно «замыливает» и ухудшает фон и звёзды, хотя работает быстрее всех.

Обратите внимание как слились близкие звёзды. И хотя фон более сглажен, такие вещи лучше делать на уровне постобработки, где этот процесс контролируется в полной мере.

Строго говоря, дебайеризация выполняется библиотекой dcraw (в новых версиях LibRaw), в которой есть варианты: низкокачественная билинейная интерполяция (low-quality bilinear interpolation), VNG (по переменному числу градиентов / Variable Number of Gradients), PPG (группировка пикселей по шаблону / Patterned Pixel Grouping) и AHD (адаптивная гомогенно-ориентированная / Adaptive Homogeneity-Directed). Из всех этих вариантов в DSS доступны только низкокачественная билинейная и AHD.

Вы можете выставить опцию «Использовать автобаланс белого». В этом случае DSS попробует определить баланс белого по фону, который он будет принимать за серый цвет. На самом же деле, фон неба не серый, а имеет отчетливый красный (как правило) оттенок, поэтому автокоррекцию можно отключить и сразу указать корректный баланс вашего фотоаппарата. Этот вопрос я детально рассматриваю в статье Баланс белого в астрофотографии.

Уровень определения звёзд задаётся в Настройках регистрации. Обычно 10% достаточно. Для надежного определения смещений программе достаточно десятка-двух звёзд. Подавление шума — это для особо тяжёлых снимков с высоким уровнем шума.

Через Настройки сложения указываются все остальные параметры.

Здесь нужно убрать калибровку фона. Её лучше сделать на этапе постобработки в Fitswork'e, где можно нормально проконтролировать результат.

Что касается режима сложения, то здесь следует исходить из ряда факторов. Самый лучший вариант — среднее, где пиксели складываются как есть. Но, если на снимке есть паразитные треки от самолетов или метеоров, а также много горячих пикселей, то режим сложения должен быть более сложным. Медиана, хоть и удалит случайные пиксели, приведёт к увеличению шума. Поэтому лучше использовать Kappa-Sigma Clipping (или Median Kappa-Sigma Clipping). Значение Kappa выставить 3.00, а количество проходов 2.

См. детальное исследование: Сложение астроснимков по методу Kappa-Sigma

Результат нужно сохранить в формате fits. Это файл Autosave.fts, который будет создан автоматически и который можно открыть в Fitswork'е для обработки.

При сложении также будут созданы небольшие текстовые файлы — они играют роль вспомогательных, где содержится информация по каждому кадру. После сложения их можно безболезненно удалить.

Этап сложения

После того, как отобраны raw-файлы для сложения, их следует добавить в DSS. Можно перетащить их мышкой в окно программы.

В списке внизу можно выбрать любой файл для его отображения. Скорее всего изображение будет тёмным, поэтому можно немного подкорректировать гамму для увеличения яркости. Эта настройка никак не сказывается на результате сложения.

После этого нужно выявить плохие снимки. Вначале желательно определить процент определения звёзд. Для программы достаточно и десятка, но обычно находится сотня-другая. Если счет на тысячи, то процент нужно понизить.

Нажимаем «Регистрация выбранных кадров» и переключаемся на вкладку «Дополнительно». Там нажать кнопку «Подсчитать количество определяемых звёзд».

Регулируя ползунок, добиваемся нужного количества звёзд. После следует нажать «Отмена» и перенести значение в «Настройки регистрации».

После этого можно выбрать «Подсчёт смещений». Программа произведёт необходимые операции и результат занесёт в таблицу с файлами.

Главное здесь — это балл и FWHM (Full Width Half Maximum value, Полуширина). Балл — это суммарное значение всех качеств снимка. FWHM указывает на «жирность» звёзд. Нужно следить за тем, чтобы этот показатель был примерно одинаков на всех снимках. Большое значение может указывать на плохую атмосферу, треки или расфокусировку. Чем FWHM меньше, тем лучше звезды.

Ориентируясь на балл можно отсеять плохие снимки и не включать их в сложение.

Теперь, когда точно определено, какие файлы будут складываться, можно приступить непосредственно к сложению.

Нажимаем «Регистрация выбранных кадров» и указываем параметры. В первую очередь нужно указать «100%» и убрать опцию для поиска горячих пикселей.

Нажимаем ОК и видим окно перед сложением.

Если снимки будут разной выдержки и/или ISO, то DeepSkyStacker вначале их сложит между собой, а уже после соединит в один файл. Если выдержка не сильно «гуляет», то можно у снимка принудительно выставить нужные параметры (вызывается второй кнопкой мыши).

После этого DSS будет складывать за один проход.

Итоговое изображение будет автоматически сохранено в файле Autosave.fts. DSS откроет это изображение у себя, но скорее всего оно будет очень тёмным. С ним ничего делать не нужно. Можно сохранить список файлов (если нужно будет еще раз складывать) и закрыть программу.

Дальнейшая работа с fit-файлом происходит в уже других программах, например Fitswork, где корректируется гамма и выполняется начальная обработка изображения.

Сколько снимков нужно для сложения

Чем больше будет сложено снимков, тем лучше будет отношение сигнал/шум (SNR) и тем меньше на изображении будет посторонних шумов, объекты будут более яркие и т.п. Оценить уровень шума можно по статистике в Fitswork'е, но в целом существует квадратичная зависимость. Четыре сложенных кадра дадут двукратное улучшение SNR. Девять снимков — в 3 раза. 25 снимков — в 5 и т.д.

Большое количество снимков позволяет вытягивать из шума больше полезной информации. Именно поэтому многие астрономы-любители снимают один объект много ночей, чтобы получить сотни снимков для сложения. На практике, конечно, это требует много труда и времени.

Чтобы визуально оценить результат сложения разного количества снимков, я сделал тестовое сложение скопления M35. Все снимки сделаны с ISO 5000 при выдержке 15 секунд. Масштаб 100%.

Из этого теста хорошо видно, что увеличение количества снимков даёт заметное улучшение фона неба.