logo

Jak vytvořit kvalitní master-flat snímek

V tomto článku je popsáno, jak získat použitelné flat-field snímky pomocí tzv. "light boxu" a jak z těchto snímků vytvořit master-flat snímek. Kvalitní master-flat snímek spolu s odpovídajícím master-dark snímkem jsou klíčové pro přesnou (a nezkreslenou) fotometrii. Stejně tak jsou důležité pro získání kvalitních snímků vesmírných objektů.
Mlčky předpokládám, že jste obeznámeni a sžiti jak se samotným dalekohledem, pro který budete dělat flat snímky, tak se softwarem, kterým ovládáte CCD kameru. Zde budu používat postup pro CCDSoft Version 5, který máme nainstalovaný na PC v obou kopulích.
Pro ty, kteří by chtěli proniknout hlouběji do problematiky kalibrace astronomických snímků doporučuji bohatou studnici článků na internetu (stačí zadat do vyhledávače heslo "image reduction"). Pro základní přehled stačí nahlédnout do manuálu k programu CCDSoft.

Pořízení série flat-field snímků

Flat-field snímek je vlastně takovým záznamem vlastností optické trasy systému dalekohled-filtry-kamera. Prach na optických plochách, vinětace optického systému, všechny mechanické součásti zasahující do trasy světelného svazku uvnitř dalekohledu (např.sekundární zrcátko), rozdílná citlivost jednoitlivých pixelů CCD čipu, to všechno se promítne do výsledného snímku ve formě stínů či reflexů. Dobrá zpráva je, že všechny tyto vady jdou odstranit pomocí procesu zvaného kalibrace snímků.
Je nutné mít na zřeteli, že každé přeostření, změna filtru či natočení kamery vede ke změně parametrů optické trasy, a tedy k nutnosti pořízení nového flat-field snímku. Dokonce, pokud bychom ani jednu ze zmiňovaných věcí neměnili, je nutné po delším čase udělat nový flat snímek z důvodu nově usazeného prachu na optických plochách.
Ukázka typického flat-field snímku
Jak tedy pořídit sérii flat-field snímků?
Metod je několik. Základem je, aby na celou plochu CCD čipu dopadal světelný tok stejné intenzity, jinými slovy, aby každý pixel CCD čipu dostal za stejný expoziční čas stejný příděl fotonů. Toho lze dosáhnout několika způsoby:
1. namířením dalekohledu na rovnoměrně nasvětlenou bílou plochu (tzv. dome flat-field)
2. pořízením flatů krátce před východem nebo po západu slunce (tzv. skylight flat-field)
3. použitím tzv. light-boxu, což je zdroj plošně rovnoměrného bílého světla
Zatímco u Newtona 200/1200 v západní kopuli je možné pořídit flaty pouze před východem nebo po západu slunce, pro Meade dalekohled ve východní kopuli jsem vyrobil onen zmiňovaný lightbox, jehož použití je jednoduché a operativnější.
Lightbox je v podstatě polystyrénová krabice, která má na jedné straně vyřezaný otvor pro nasazení na dalekohled. Na druhé straně je vevnitř umístěná vysoce-svítívá bílá LED dioda a od ní je vyveden kablík pro připojení napájení (viz.obrázek). Mezi oběma konci jsou umístěny dvě přepážky z pauzovacího papíru, který slouží jako rozptylovač světla emitovaného LED diodou. Součástí lightboxu je i "ovládací elektronika" - což je krabička s potenciometrem, kterým ovládáte velikost jasu LED diody. Ta se zapojuje mezi kablík od LED diody a síťovým adaptérem (viz.další obrázek). Lightbox i "ovládací elektroniku" spolu se zdrojem najdete ve skladu pod východní kopulí. Lightbox nejdete snadno a zbytek je v černé textilní taštičce na polici jak je kufr s okuláry.
1. kablík od LED diody
2. krabička s potenciometrem
3. síťový adaptér
4. taštička s el.příslušenstvím
A teď už vlastní postup:
Nejlépe bezprostředně po snímání objektu, kdy máme již kameru teplotně stabilní najedeme dalekohledem tak, aby mířil do zenitu.
Důležité je, abychom nijak neměnili natočení kamery a nepřeostřovali
Na dalekohled opatrně nasadíme lightbox. Otvory jsou dostatečně velké, aby se dal pohodlně nasadit na tubus dalekohledu. Lightbox nasadíme tak hluboko na tubus, až se nám jeho spodní okraj dotkne ramene vidlicové montáže.
V tomto okamžiku můžeme připojit ovladač s potenciometrem ke kablíku od LED diody. Síťový adaptér zastrčíme do zásuvky 230V a napájecí kablík zasuneme do krabičky. Co a kam zapojit je patrné z výše uvedeného obrázku. Jednotlivé komponenty jsem naaranžoval na fotku tak, jak mají být v reálu propojeny. LED dioda se po zasunutí napájecího kablíku rozsvítí, není zde tedy žádný vypínač pro zapnutí/vypnutí.
To, jestli LED dioda svítí, zkotrolujeme zhasnutím všech světel v kopuli. Polystyren je průsvitný, takže pokud LED svítí, uvidíme to.
V programu CCDSoft nastavíme shodné hodnoty binningu a filtru, jaké jsme použili při snímání objektu. U volby "Image:Frame" nastavíme hodnotu Flat-Field. To nám zajistí, že CCDSoft bude dělat light snímky a do výsledného souboru přidá příponu FLAT.
Nastavíme expoziční dobu, např.60s. Zhasneme všechny světla v kopuli a vypneme i monitor (nebo zaškrtneme volbu "Screen Shutter" v záložce "Setup"). Exponujeme jeden snímek.
Po nasnímání a zobrazení snímku v programu zjistíme, jaké hodnoty nasycení jednotlivé pixely CCD čipu dosáhly. Bohužel CCDSoft neumí zjistit průměrnou hodnotu nasycení pixelů. Pomůžeme si tak, že kurzorem pohybujeme po snímku, a v levém dolním rohu se nám ukazuje poloha (v závorkách) a hodnota nasycení aktuálního pixelu. Naší snahou je dosáhnout hodnoty 33%-50% efektivní hodnoty nasycení pro lineární oblast (43.500 ADU pro ST-8XME). Pro naše kamery to představuje rozmezí hodnot nasycení 14.500 až 21.750 ADU. Jakmile zjistíme pohybem kurzoru, že hodnoty se pohybují v uvedeném rozmezí, máme správně nastavenou expozici pro flat-field snímky. V opačném případě upravíme nastavení expozičního času, nebo potenciometrem upravíme jas LED diody.
Máme-li určenou správnou expoziční dobu, nastavíme ji v programu (pokud tam již není). Změníme také hodnotu počtu požadovaných snímků na minimálně 10. Optimálně, pro opravdu kvalitní master-flat snímek, je nutné alespoň 16 snímků, ale záleží, jak jste na tom s časem. V krajním případě se dá použít master-flat vyrobený z 5 snímků, ale to opravdu jen v krajním případě. Rozumná hodnota (zlatá střední cesta) je série 10 snímků. Nezapomeneme si zapnout volbu "AutoSave on", aby se nám snímky uložily.
Pokud jsme snímali objekt ve více filtrech, provedeme celou výše popsanou proceduru pro všechny použité filtry.
Protože flat snímky jsou zatíženy tepelným šumem, je třeba nasnímat pro tyto snímky i příslušné "flat-dark" snímky. Hodnotu expozice "flat-dark" snímků pak volíme podle délky expozice pro danou sérii flat snímků. Co se týká počtu "flat-dark" snímků platí to samé, co bylo řečeno u flat snímků.
V programu tedy nastavíme expoziční čas, počet snímků a volbu Dark pro typ snímku (položka "Image->Frame"). V záložce AutoSave pojmenujeme ukládané soubory třeba "flat-dark", abychom je tak odlišili od normálních dark snímků pro daný objekt. Nezapomeneme vypnout lightbox, stejně tak bychom neměli zapínat osvětlení v kopuli. Máme-li vše připraveno, můžeme snímat.
Nyní tedy máme série flat-field snímků pro jednotlivé filtry, a série "flat-dark" snímků pro různé expoziční časy. Pokud jsme flat-field snímky pro různé filtry snímali shodným expozičním časem, postačí nám samozřejmě jenom jedna série "flat-dark" snímků. To je ta nejvýhodnější situace (co se týká času stráveného u dalekohledu), je třeba ale dodržet pravidlo správného nasycení pixelů pro všechny filtry.

Vytvoření master-flat snímku

Teď, když máme nasnímány všechny potřebné snímky, můžeme přikročit k vlastnímu vytvoření master-flat snímku. Tuto proceduru můžeme uskutečnit v libovolném softwaru, který to umožňuje. Já zde ukážu postup v programu CCDSoft, ikdyž existují programy, které master-flat snímek dokážou vytvořit z pořízené série snímku mnohem přímější cestou.
V krátkosti zde uvedu slovní postup, potřebný pro vytvoření master-flat snímku:
1. Nejprve vytvoříme z flat-dark snímků master-flat-dark snímek.
2. Vytvořený master-flat-dark snímek odečteme od každého flat-field snímku v dané sérii.
3. Z redukovaných flat-field snímků vytvoříme námi požadovaný master-flat snímek.
V prvním kroku si vytvoříme nový adresář (např."flat_Clear), do kterého nakopírujeme jednu sérii flat-field snímků.
Nyní si přes nabídku "Image->Reduce->Image Reduction" otevřeme okno pro redukci snímků. V poli "Reduction Groups" klikneme na "Imager->Dark Frames".
Přes tlačítko "Add Frames" přidáme celou sérii flat-dark snímků do skupiny "Dark Frames".
V poli "Options:Dark Frames" zvolíme metodu zkombinování snímků pomocí funkce Median a korekci expozice None.
Po přidání flat-dark snímků se nám tyto soubory objeví v poli "Reduction groups". Klikneme na tlačítko "Reduce folder" a objeví se nám nové okno. V horním políčku vybereme adresář, kde jsme si nakopírovali sérii flat-field snímků. V dolním políčku si vybereme adresář, do kterého se nám uloží redukované snímky. Poté klikneme na tlačítko "Reduce" v tomto okně. Program nyní vypočte z flat-dark snímků master-flat-dark a ten odečte od každého flat-field snímku. Série redukovaných flat-field snímků se nám pak uloží do námi zvoleného adresáře.
V tomto okamžiku již máme vše připraveno pro vytvoření master-flat snímku. V poli "Reduction groups" klikneme na položku "Imager->Flat Frames". Přes tlačítko "Add Frames" vybereme redukované flat-field snímky, vytvořené v předchozím kroku.
V poli "Options:Flat Frames" zvolíme metodu zkombinování snímků pomocí funkce Median.
Master-flat snímek vytvoříme kliknutím na tlačítko "Preview Combined Frames (Master Frame)". Master-flat se nám zobrazí v hlavním okně programu CCDSoft.
Nyní již můžeme okno "Image Reduction" zavřít.
Je možné, že se vám objeví snímek, který bude celý bílý nebo černý. Je to dáno jenom nastavením hodnot v histogramu snímku. Změnou polohy šoupátek na histogramu si nastavte snímek tak, aby byl "koukatelný".
Nemusíte se obávat, že tím nějak ovlivníte snímek, jedná se jenom o úpravu, která má vliv pouze na momentální zobrazení na monitoru.
Master-flat snímek uložíme přes nabídku "File->Save as". Jako typ ukládaného snímku zvolíme Flexible Image Transport System files. Tak a máme hotovo
Na závěr bych zmínil jenom několik poznatků.
1. Pro kvalitní redukci snímků je vedle master-flat snímku nutný i master-dark snímek.
2. Master-flat není všemocný
Je třeba si uvědomit, že takto vyrobený master-flat je tzv. "instrumentální". Mapuje odezvu optické soustavy na rovnoměrně osvětlenou plochu. V případě, že jas pozadí snímaného objektu nebude rovnoměrný, takto vyrobený master-flat nebude účinný. V případě snímání s dlouhými ohnisky, je snímané zorné pole velmi malé, takže tam gradient jasu pozadí nezaznamenáme. Pokud ale budeme snímat krátkými ohnisky, pak gradient jasu oblohy, způsobený například svitem Měsíce či světelným znečištěním bude již na snímcích patrný.
3. Bacha na parazitní světlo
Každé parazitní světlo, které se nám dostane do tubusu dalekohledu, degraduje snímek tak, že je např. pro fotometrii už nepoužitelný. Jedná se zejména o měsíční svit, pokud snímáme hvězdné pole blízko Měsíce. Pokud nemáme na výběr a musíme v takové pozici snímat, snažíme se Měsíc "zaclonit" vhodným natočením kopule. Ne vždy to ale jde.
U Newtona jsem zjistil, že dochází k pronikání parazitního světla v oblasti uchycení okulárového výtahu. Řeším to opatrným obtočením úchytu ok.výtahu šátkem. Pokud můžete, vypněte veřejné osvětlení. Zvlášť v zimě při sněhové pokrývce je úroveň jasu okolí velká.
Toto je už opravdu vše. Pokud něčemu nerozumíte, napište mi, nebo pošlete dotaz do hvězdárenské diskuze.
Pro potřeby pozorovatelů HaP JP v Ostravě vytvořil Radek Kocián.
A to by bylo vše