Laad de hele frameset
   

Wat ruist daar door mijn foto's heen?

– Calibratie van CCD-opnamen –

Calibratie is een procedure om de effecten te reduceren van CCD bias, donkerstroom en bepaalde defecten in het optische systeem.


Alvorens de procedure te starten, eerst even een stukje ruiskunde. Een CCD heeft drie soorten ruis:

  • thermische ruis
  • quantumruis
  • bias

Thermische ruis in een opname is het gevolg van de warmte van de CCD en omgeving. Ook "amplifier glow" (de beruchte rode gloed in een beeldveldhoek) hoort hiertoe. Thermische ruis is in elke opname gelijk zolang belichtingstijd en temperatuur gelijk blijven. Thermische ruis neemt toe naarmate langer wordt belicht en wordt ook wel ‘donkerstroom’ genoemd. Dit is de plaag van iedere deep-skyfotograaf – bij deepsky wordt immers lang belicht.

Quantumruis is toevalsruis, die ook toeneemt bij langere belichting, maar deze is verschillend bij elke opname en kan alleen worden bestreden door zoveel mogelijk opnamen te middelen.

Bias is uitleesruis die bij elke opname gelijk is, ongeacht de belichtingstijd.

Het middelen of stapelen van zoveel mogelijk opnamen kan helpen ruis te bestrijden, maar alleen de quantumruis wordt daardoor verminderd. Immers, thermische ruis en bias worden bij stapeling van opnamen alleen maar gemiddeld en niet verminderd. Onder meer voor reductie van die laatste twee soorten ruis wordt calibratie toegepast.


1. Lichtbeelden 4. Calibratieprocedure
2. Donkerbeeld-extractie 5. Schalen van donkerbeelden
3. Flatfielding  

1. Lichtbeelden

‘Lichtbeelden’ zijn belichte opnamen: plaatjes (of een film) van een hemelobject geschoten via the CCD. Elke pixel in de opname heeft een numerieke waarde die de invloed weergeeft van:

  • Licht van hemelobjecten in het beeldveld (het signaal).
  • De verschillende soorten ruis door de CCD veroorzaakt.
  • Defecten in het optische systeem.

Met calibratie willen we langs elektronische weg proberen ruis te verminderen om zo de signaal-ruisverhouding te verbeteren: meer signaal en minder ruis. Dit proberen we door zoveel mogelijk van de bias en donkerstroom uit elk plaatje te verwijderen. Tevens willen we proberen zoveel mogelijk gevolgen van optische defecten te verwijderen.

2. Donkerbeeld-extractie

Het doel hier is om de CCD bias- en donkerstroomruis te verwijderen van elk lichtbeeld. Allereerst bouwen we een master donkerbeeld dat enkel de bias and donkerstroom van een belichting bevat. Dan trekken we het master donkerbeeld af van elk van onze belichte opnamen (of van elk frame van onze film).

Donkerbeelden zijn opnamen die worden genomen zonder dat er licht op de CCD valt, zodat de enige waarden in de pixels het gevolg zijn van bias en donkerstroom (met wat quantumruis). Gewoonlijk worden donkerbeelden gemaakt door een lichtdichte kap over het telescoopobjectief te plaatsen en vervolgens een serie van opnamen te maken met dezelfde instellingen (belichtingstijd, iso, gain enz.) als de te calibreren belichte opnamen.

  • Voor foto's moet een set donkerbeelden worden geschoten (zo'n 10 stuks) en gemiddeld tot een enkel master donkerbeeld. Dit zal het niveau van quantumruis in het master donkerbeeld minimaliseren.
  • Maak bij gebruik van een webcam een 'donkere' videoreeks met exact dezelfde instellingen als de belichte videoreeks. Stapel alle videobeelden om een enkel master donkerbeeld te verkrijgen.

Het beste is dat CCD gelijke werktemperatuur heeft tijdens alle opnamen van donker- en lichtbeelden. Een goede procedure is om de donkerbeelden onmiddellijk voor, na, of zelfs tussen de belichte opnamen door te schieten.

Het master donkerbeeld, dat enkel bias and donkerstroom bevat, moet apart van elk lichtbeeld worden afgetrokken om de meeste ruis van bias en donkerstroom van de opnamen te verwijderen.

Een typisch donkerbeeld

3. Flatfielding

Het doel hier is om de gevolgen van diverse defecten te minimaliseren, zoals:

  • CCD inhomogeneniteiten (hete of koude pixels);
  • Vignettering (beeldveld wordt donkerder naar de randen toe);
  • Stof op het CCD-venster (zichtbaar als donut-vormige vlekken in het beeld);
  • Interne reflecties;
  • Gradiënten (kleurverschillen in de hemelachtergrond als vervelende bijwerking van sommige interferentiefilters).

Eerst maken we een master flatfield dat al deze defecten toont, daarna delen we elk lichtbeeld door dit master flatfield. (Jazeker, DELEN!).

Een flatfield  is een opname van een perfect homogeen wit oppervlak. Elke inhomogeneniteit die de opname dan nog toont is het gevolg van CCD of optische defecten.

Flatfield-opnamen moeten worden geschoten met een belichting die rond 50-75% verzadiging van the CCD geeft. Bekijk het histogram: de piek moet liggen tussen het midden en 2/3 naar rechts. Verder moet alles in de optische configuratie (gebruikte optische componenten, filters, soort projectie, brandpunt enz.) hetzelfde zijn als bij de belichte opnamen die gecalibreerd moeten worden. Dit alles om zeker te zijn dat de defecten in de flatfieldopnamen die in de belichte opnamen zo dicht mogelijk benaderen.

En je raadt het al... Om quantumruis te vermijden, maak een master flatfield door diverse flatfield-opnamen (een stuk of 10) te middelen, of stapel een flat frame video.

Een typische flatfieldopname

In theorie bevatten Flatfield-opnamen zelf natuurlijk ook bias en donkerstroom zodat je eigenlijk van elke flatfieldopname ook weer een master donkerbeeld van dezelfde belichtingstijd af moet trekken alvorens ze te middelen. In de praktijk is donkerstroom echter te verwaarlozen bij de korte belichtingstijden van Flatfields. Het is echter wel te overwegen bias-opnamen af te trekken.

Hoe maak je bias-opnamen? Bias-opnamen zijn net als donkerbeelden opnamen die worden genomen zonder dat er licht op de CCD valt, dus met de kap op de lens. Omdat alleen de uitleesruis vastgelegd moet worden en niet de donkerstroom, moet de belichtingstijd nul zijn of althans de kortste belichtingstijd die de camera beschikbaar heeft. Zodoende moet er een serie van opnamen gemaakt worden met dezelfde instellingen (iso, gain enz.) maar met de kortst mogelijke belichtingstijd.

Tenslotte moet elk van de belichte opnamen (na donkerbeeld-extractie) worden gedeeld door de master flatfield om gecalibreerde opnamen te krijgen die zoveel mogelijk vrij zijn van ruis en optische defecten.

NB: als men een kleurencamera gebruikt, zoals een Starlight Express MX7-C of een Canon EOS SLR-camera, moet een Flatfield-opname eerst worden onderworpen aan een mediaanfilter (radius 2, power 0.3), alvorens het toe te passen op een lichtbeeld, anders zal alle kleur uit een afbeelding worden verwijderd!

Verkrijgen van goede Flatfields kan behoorlijk lastig zijn! Een veelgebruikte methode is opnamen te schieten van de avondhemel tijdens de schemering nabij het zenit, eventueel met een vel papier over het telescoopobjectief. Dit uiteraard met de telescoop-opbouw (camera, filters, projectiemethode, objectief) zoveel mogelijk gelijk aan hoe later de belichte opnamen zullen worden geschoten. Nadeel is dat de avondschemeringshemel een blauwzweem heeft en de resulterende gecalibreerde foto daardoor een roodzweem. Ook zijn er speciale verlichte flatfieldschermen te koop die gelijkmatig wit licht afgeven, zodat flatfields ook 's nachts kunnen worden gemaakt. Er zijn verschillende soorten met verschillende kwaliteit. Zie ook de links hieronder.

Een typische bias-opname

4. Calibratieprocedure

Om het hele proces nog eens door te nemen...

Voor de waarneemactie
  1. Schiet ca. 10 Flatfield-opnamen (of een 30 sec flatfield video) van een heldere schemerhemel nabij het zenit. Zorg dat de telescoop is opgezet met optiek, instelling en focussering als bij de later belichte opnamen.
Tijdens de waarneemactie
  1. Schiet je belichte opnamen.
  2. Capture 10 or so dark images (or a 30sec dark video) immediately after your belichte opnamen using  the same exposure (and other settings for video) as for the belichte opnamen.
Calibratie
  1. Maak een master donkerbeeld door de donkerbeelden te middelen (stapelen).
  2. Maak een master faltfield door de flatfieldopnamen te middelen (stapelen).
  3. Selecteer elk lichtbeeld en:
    • trek het master donkerbeeld er vanaf
    • deel het door het master flatfield
    • bewaar het bestand onder een nieuwe naam die aangeeft dat deze is gecalibreerd.

Veel astronomische beeldbewerkingssoftware helpt bij de stappen 4 t/m 6 hierboven. Selecteer de namen van je licht- donker- en flatfieldopnamen en het programma doet de rest. Bijvoorbeeld:

  • in Deepskystacker (freeware) kun je al je donker- flatfield- en bias-beelden aangeven zonder dat je ze eerst hoeft te stapelen tot een master en past ze volautomatisch toe op de lichtbeelden.
  • Registax (freeware) accepteert avi-filmpjes en kan daaruit flat- en donkerbeelden produceren. De flat- en donkerbeelden worden dan automatisch op elk video-frame toegepast dat wordt uitgelijnd en gestapeld. 
  • Maxim DL heeft een 'calibratie wizard' die vraagt naar de bestandsnamen van je donker- en flatfield-opnamen, produceert donker- en flatfieldframes en past die toe op de belichte opnamen.
  • Er zijn er nog veel meer... zie ook de links hieronder.

5. Schalen van Donkerbeelden

(Dit is meer voor gevorderden - sla over als je wilt)

De procedure voor donkerbeelden hierboven vereist dat alle donkerbeelden dezelfde belichtingstijden hebben als de lichtbeelden. Dat is niet altijd gemakkelijk, dus kan het nodig zijn de donkerbeelden te ‘schalen’ zadat ze geschikt zijn voor andere belichtingstijden.

Zoals al eerder vermeld bevat een donkerbeeld twee soorten ruis: bias en donkerstroom. Donkerstroom neemt evenredig toe met de belichtingstijd en bias is bij elke opname gelijk ongeacht belichtingstijd. Als we de bias van het donkerbeeld aftrekken kunnen we de resulterende donkeropname naar believen schalen (dit wordt wel een Thermal Frame genoemd) naar een andere belichtingstijd, alvorens de bias er weer bijop te tellen voor een bruikbaar donkerbeeld met andere belichtingstijd.

Een bias beeld is een donkerbeeld van belichtingstijd nul (of bij gebrek daaraan, de minimum belichtingstijd die de camera beschikbaar heeft). Zoals voor alle calibratieopnamen: stapel een aantal Bias-opnamen om quantumruis te verminderen. Ga als volgt te werk:

  • schiet een donkerbeeld met belichtingstijd e1;
  • schiet een bias-opname met zo kort mogelijke belichtingstijd;
  • trek het bias-beeld van het donkerbeeld af
  • vermenigvuldig het resultaat met e2/e1 (waarbij e2 de belichtingstijd van de lichtbeelden is die men wenst te calibreren)
  • tel het bias beeld bij het resultaat op en men heeft een donkerbeeld bij de lichtopname met belichtingstijd e2.

Sommige astronomische beeldbewerkingssoftware automatiseert het schalen van donkerbeelden. Bijvoorbeeld kun in Maxim-DL donkerbeelden schalen, waarbij het programma vraagt naar de set van bias-frames en de rest gaat vanzelf.


Bronnen:

Met dank aan Myastrostuff.com van Tony Evans. Dit artikel is daarvan een vertaling en bewerking door Pieter Welters.

Behulpzame links:

Terug