2013-10-14

Pentax O-GPS1 Astrotracer 拍攝後的簡易後製 (post-processing) /DeepSkyStacker 疊圖、平場處理 / Aperture + FlatAide

(updated 2016/03/05)

easy post-processing for O-GPS1's shots/ deep sky shots



A. 不做平場處理的情況

使用Aperture 軟體做基本影像處理


下面這張是個人在陽明山以Pentax K5(改全光譜)與DA*200鏡頭加LPS-D1光害濾鏡,設定在ISO3200 F2.8 曝光一百秒之後的原圖,看起來背景頗亮,然而這是正常的照片,且並沒有過曝。有些初次拍攝天體的朋友,可能會直覺若自己拍攝出來的天空如此泛白是過曝了,所以有時會在拍攝時刻意地想要讓曝光出來的天空保持黑暗或至少灰灰的不泛白,因此常會造成目標天體曝光不足(訊噪比太低)的狀況。(註:若將多張疊圖時,則單張可不必非要曝光至天體清楚的情況,單張曝光時間可Astrotracer追蹤精度狀況自行縮短,通常K5+DA*200 可設為單張六十秒,追蹤成功率高。)




誠然,以前在底片時代,假設曝光至此,若自己沒有暗房與相關技術可處理,那麼拿去沖洗出來也就是這樣了。數位化造福了無數的星空愛好者,感光元件的曝光效益越來越好(曝光時間縮短),此外,陸續有包括光害濾鏡等各種寬、窄頻天文濾鏡出現並商品化,以及與數位暗房處理相關的、易操作的套裝軟體出現(在郊山拍攝深空天體變得容易許多),且其中有許多免費軟體,最後,包括許多簡易攝星器材的出現,以上種種發展,不但使得星空、天文攝影不再那麼遙不可及,普遍同好都能夠以簡單的方式拍下美麗星空,同時數位暗房技巧相關知識的普及,也讓同好能夠在自己家裡的書桌前就能夠簡單處理自己拍攝的天體照片。

這些近年的發展導致,拍出上面這張原始圖變得可以接受(這已是數位時代拍攝深空天體的常態之一,尤其在光害區),因為它並不是最終我們會拿去印刷的成品,我們還需要進一步處理它。所以初次拍攝深空天體的朋友實在不用擔心自己拍出來的檔案天空一點也不黑,而為什麼看到別人的照片天空背景是黑的這樣的問題,並因此而不敢放膽去曝久一點而導致曝光不足,訊噪比太低。

後續處理它的相關技巧與知識並不困難,下面就是要介紹初步的影像處理。


1.首先先以影像處理軟體開啟上面的檔案,我們會發現色階圖(左上)中藍色的分佈偏右,正是對應了這張照片偏藍的色調,這樣的色偏通常是因為濾鏡或白平衡的設定造成。此例我要先校正這樣的色彩不平衡。校正的方式有直接手動調整曲線,或利用編輯軟體的自動白平衡來修正。



2.這裡我們使用Aperture中的自動白平衡功能。請注意這項功能必需使用在RAW檔,使用在JPEG檔常常不準確,所以在拍攝天體照片時就請設定在RAW檔格式或RAW+JPEG格式。
使用自動色溫校正後,色彩變的平衡了,可以從左上方的色階分佈看出,三種顏色的分佈重疊在一起,沒有一前一後的情況。(若自動校正效果不佳,便要使用手動調整色階的方式。通常使用LPS-P2或D1濾鏡拍攝的RAW檔使用此功能都可以自動對齊)




3. 上面是調整好了白平衡,雖然色調是對了,但照片仍然是泛白的,接下來就是要修正泛白的情況。請使用Curves 或 Levels的功能,這裡使用Curves,手動調整每一色的曲線(或同時調整RGB的曲線),讓曲線的下端點儘量接近該色色階分布圖的左緣,當拉動曲線,我們會發現該色的色階分佈會開始向左移動,請注意保持色階圖三色的重疊。下面的圖示中,已經調好綠色與藍色的曲線,正要調整紅色的曲線。



4. 現在,照片已消除了大部份的泛白的天空背景(或應該說前景),並同時仍保持色彩的平衡。這樣,初步的影像調整就完成了。





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此外,上面處理過的照片中,中央比周圍偏亮,這是光學系統的週邊減光所造成,若週邊減光嚴重需要消除,可做平場處理。

有許多軟體與方式可以做平場處理,包括拍攝平場檔案然後在DeepSkyStacker疊影像的過程就一併做平場修正, 或在接近圖片調整完成的階段以FlateAide、PhotoShop裡做仿平場處理來消除中央的光暈。以下就接著介紹這些操作。


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B. 需要平場處理的情況

(一)使用DSS(DeepSkyStacker) 疊圖與做平場處理(修正照片中因鏡頭光學系統的週邊減光等效應所造成的中央比周圍還要亮的成像)

*天體影像(Light) 與平場檔案(flat) 請以RAW檔格式拍攝。

*若拍攝後照片的天空背景光很亮,那麼直接使用RAW檔進DSS處理有時會造成偵測星點非常不順,疊圖也不易成功,處理時間也會異常的漫長。這時,先進行 A 影像基本處理(存成16 bit tiff 檔,這時平場也須改用tiff格式),然後再來進行接下來的DSS處理反而會比較容易。


拍攝平場檔請使用與拍攝天體影像時同樣的相機、鏡頭設備,ISO與光圈設定,以AV模式對著黎明無雲的天空各角度拍攝多張。或以下面的方式拍攝效果也不錯:使用電腦螢幕開啟一張全白的圖檔,螢幕開亮,鏡頭前罩著白色T-Shirt(請將皺紋抹平,個人使T-Shirt繃緊後又以橡皮筋固定。),然後相機對著螢幕拍攝平場檔(一樣要用同樣的設備設定,切手動對焦,對焦距離轉到無限遠,使用AV模式拍攝。)。以下的例子個人共拍攝了二十張平場檔。

一般傳統使用燈箱的情況,鏡頭應儘量靠近燈箱,但使用電腦螢幕的情況則最好不要完全貼緊,距離請自行拿捏,勿讓相機視野超出螢幕範圍。



註:廣角鏡頭不適合用此方式

因為此例要處理的影像檔有使用LPS-D1光害濾鏡,也因此拍攝平場檔時鏡頭前也加上了LPS-D1,以自動白平衡拍攝,預覽中會呈現藍色的色調,不用去理會。到時將RAW檔放到DSS裡,DSS會自動將它們疊成一張MasterFlat平場檔,這個檔案已自動修正白平衡。




拍好的平場檔即使預覽或輸出JPEG白平衡不準(如下)也沒關係,並不影響平場檔的RAW檔。直接將RAW檔丟入DSS處理就好。



DSS 處理程序:
將相機拍好的天體影像RAW檔與所有平場RAW檔一起丟到DSS裡疊圖。(RAW檔勿經過任何處理)



首先分別開啟載入影像檔(Light frames) 和 平場檔案(flat frames)  (此例尚不處理暗電流訊號 Dark 與偏壓訊號 Bias),然後勾選你要處理的檔案(這裡全部勾選),第三個步驟是執行「偵測勾選影像中的星點」(registering),這時會跳出偵測設定的視窗,如果要讓程式在偵測星點後接著就開始疊圖,可以在這裡設定,勾選「偵測完星點後馬上疊合」,然後設定疊合參數,基本的疊合參數設定包括設定疊合方式(個人最常使用的是平均、Sigma-Kappa、高動態這三種模式),是否讓程式自動幫你校正疊圖影像的背景色等。設定完後進行最後即第四步驟,按下OK,程式便會開始偵測星點、疊圖同時做平場修正。



在前面第三步驟中,進階設定裡可以設定偵測星點的敏感度,百分比越低(即降低臨界值),就會偵測出越多星點。改變這個值有時會影響程式自動篩選疊合的檔案數量(有時候發現程式疊合的檔案太少,譬如你的影像檔有二十幅,可是程式只取十幅來疊合,可以試著改變這個值,或大,或小都試試,重新偵測星點,然後再疊合看看)。



下面是程式開始處理影像的畫面。




處理好檔案可以直接在DSS進一步調整色階,或直接存檔後使用其他軟體處理。這裡我選擇直接存檔、將來用其他軟體中調整(因為我覺得DSS裡的調整界面不好用XD),所以存檔時勾選崁入但不套用,便會存成如下的檔案。


接著我使用Aperture軟體裁切並微調,PIT修正星點,得到以下的成品。



關於暗電流檔(Dark frames):現在中高階的數位相機都具有長時曝光除噪的功能,若開啟這個功能,在曝光完成後相機會再花相同的時間做除噪的程序,這個程序就是在修正暗電流所產生的熱訊號(一般我們稱之為熱噪)。但是因為當我們拍攝天體影像時通常不是曝光很久就是會曝很多張,如果每拍一張照片,我們就讓相機重複同樣時間來除去暗電流訊號,尤其是曝很多張設定相同、曝光時間也相同的檔案時,讓相機重複拍同樣的暗電流再修正實在太沒有效率了,而且有時遇到特殊天象也是有分秒必爭的情況,所以最好的辦法就是在拍攝深空天體時請記得將您的相機關閉長時曝光除噪這個功能,若需要處理暗電流,則由我們自己拍攝好更種設定的暗電流檔,在後製階段需要的時候才拿來到DSS中處理,使用方式很簡單,就是把暗電流檔案與影像檔、平場檔一起載入DSS中執行疊圖的動作。

需注意的是,暗電流與溫度、ISO、曝光時間相關,這三個條件要與影像檔拍攝時(Light frames)的參數條件相同,才能拿來使用,所以通常暗電流都是利用拍攝當下空檔的時間來拍,且多拍幾張不同的設定。暗電流的拍法是設定好ISO、曝光時間(如果超過三十秒就用定時快門線),然後蓋住鏡頭蓋拍攝,為避免漏光,還是要在暗處或用布之類的蓋住。同樣的設定的暗電流需要幾張呢?一般來說需要的總曝光時間至少要等於影像檔的總曝光時間,如果暗電流檔的品質不佳或參數設定與影像不同的話(譬如溫度不同,差一點尚可,但不能差太多),使用暗電流檔反而會弄巧成拙。


但若拍攝時有充分的「dither」(請參考王為豪《星野攝影II》第112~114頁有非常詳細說明dither的原理與效用),在不同的曝光中使每顆星不會每次都落在同一個像元上,那麼我們對於暗電流檔案的需求就不需要那麼多張,尤其是近三五年來的DSLR熱訊號都比之前的機種低很多,且在20度以下的環境熱訊號也會更低,應該拍個十張以內就已足夠。


有趣的是,基於O-GPS1的動作方式,在多張對同一目標的曝光之間一定皆經歷了dither,無論使用者是否有意識到。因為當每次的追蹤曝光完成,感光元件會復歸到原來(中心)的位置,假設我們在第一張曝光前是將目標放在視野中心,那麼當使用者接著進行第二張曝光,目標已經不在中心的位置了。即使使用者因為防止目標漂移出視野而經常需要自己將目標移回視野內,那也不可能會剛好把同一星點移回像元的同一位置(如果我們不做任何移動,那麼就等於讓天體隨著天球運行方向而做了規律的dither offset,如果使用者會調整目標,那也是有隨機的dither)。

暗電流(俗稱熱噪)是一種固定的訊號,上圖中,K5的兩張相同ISO(3200)、溫度(常溫),但不同曝光時間(左60秒, 右100秒)下的暗電流檔案,在放大並同時拉高兩格曝光下,可以看出訊號出現的位置有重複的模式,只是曝光時間越長,訊號就會越強。也因此我們才可能將它從影像中減去。所以說暗電流是一種訊號,而非一種雜訊。


註:Bias 偏壓訊號則是相機本身從感光元件讀取訊號時所產生的,這個訊號的拍攝方式。這個Bias frames的拍攝方式也是要蓋住鏡頭蓋並在黑暗中,以相機的最快快門來拍攝。ISO一定要與影像檔相同,溫度則不重要。但暗電流中即包含了偏壓,所以一般狀況是若影像處理時有減暗電流,就不需要另外再拍攝偏壓檔來處理。除非當light frames 與 dark frames的總曝光時間不同。

然則,因為這個bias訊號不高,如果不是特別情況,譬如要輸出二十公分以上大張的相片之類(這自己還沒有需求),因為只是在網路上記錄、分享,所以個人並沒有特別去作bias修正。甚至,個人也經常沒有處理暗電流,這是基於覺得自己的影像並尚未嚴肅到暗電流足以左右整張成像的品質,也就是說無論拍攝、影像處理都沒有到那麼要求,簡單說,若單就 Light frames 本身的拍攝、處理就未達到那種細膩的程度,無論有無處理暗電流影像並不大。然則,這是目前個人的興趣、目標,懶惰使然(羞)。但製作暗電流是舉手之勞,所以有空還是多做呵。

Dark 與 Bias 也需以Raw檔拍攝。(Light, Flat, Dark, Bias 四種檔案的格式需完全相同。)


*2015/11/26 註: 王為豪先生建議Bias 一定要做,因為它會影響flat。即使有拍暗電流也要拍Bias,因為Bias訊號也在flat裡,要減掉它flat才可以拿去除別人。



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(二)不使用DSS (或當相片中的光暈不均勻,或因特定方向的光害使照片中央光暈偏向一邊,使用DSS 做平場效果不佳時。),這時可以試試使用PhotoShop 或 FlatAide 做平場處理。


範例:使用Aperture + FlatAide

在這個例子中並未使用自動白平衡校正。

1.使用有曲線 Curves (或者色階 Levels) 工具的相片編輯軟體開啓原始檔。這裡使用的是Aperture。

Pentax O-GPS1 拍攝後的簡易後製 (post-processing), Aperture
這張差不多已曝光可以達到的極限(再曝下去就會過曝),看左上方色階分布圖中最亮的藍色幾乎已碰觸到分布圖的右緣(這裡要注意勿過度曝光至部分區域變成完全白色,將無法藉由後製恢復)。因為許多深空天體的亮度都很暗,所以有時我會盡量曝光久一點以求收集到來自天體較多的光線,可以在拍完後就馬上從LCD上確認/看到暗天體,但曝光越久,背景/前景也會越來越亮(光害多的地方越明顯)。
我們可從相機的LCD隱約看到原始照片中的加州星雲,確認有拍到。


(2015/08/05 註:相機移除IR cut 濾鏡,即改成全光譜後搭配光害濾鏡的曝光效果好很多。因為h-alpha波段的光線通過率起碼是相機未改之前的三倍上下,而H-alpha是發射星雲發出的光線的重要波段)




2. 任意選擇曲線中的一種色版,此例我們先選擇紅色。
將輸入的最暗端(曲線左下角)向右拉至紅色像素分佈的左端附近,請自行斟酌要拉多少。(如果我們曝光較不足,則可以拉動最亮端。有時兩端都調整可以達到較高對比)
Pentax O-GPS1 拍攝後的簡易後製 (post-processing), Aperture


3.選擇其他色版,仿照前一個步驟分別完成三種色版(red, green, blue)的曲線調整。

以上步驟是將各色版的像素分佈調整至較正常均勻的情況,光暈減少,天體輪廓變的較為清晰。這時我們可以清楚看見光學系統造成的周邊減光現象,接近中心的亮度最亮,越向邊緣越暗,呈現出圓形的光暈。

因為我們上面只是專注在將亮度調暗,這時色調仍是偏藍的狀態,在這裏我們可以將藍色曲線向下拉動調整讓色彩平衡如前面的例子(如果發現天體顏色變得很怪,我們可能必須在一開始就先調整白平衡(請拍攝時使用RAW檔,RAW檔比較容易自動調整至正確白平衡),或者,在FlatAide做平場時再處理,因為FlatAide 可以設定自動校正背景色,所以此例先未調整色彩至完全平衡。


Pentax O-GPS1 拍攝後的簡易後製 (post-processing), Aperture
如果不做平場或仿平場處理,那麼在這裡就要調整各色至平衡,無論如何拉動,通常讓直方圖中的三種顏色都保持重疊在一起就能達到色彩平衡。





4.將調整完曲線的圖檔輸出,並以FlatAide 開啓。
Pentax O-GPS1 拍攝後的簡易後製 (post-processing), FlatAide


5.依步驟指示完成平場修正(除去周邊減光的效應)。

Pentax O-GPS1 拍攝後的簡易後製 (post-processing), FlatAide

#關於FlatAide及其使用方法(包括消除星點紫邊)請參考:FlatAide 平場修正軟體 (Windows)

#PhotoShop 也可以做仿平場處理,請參考使用Photoshop 消除光暈(仿平場校正 2)/ artificial flat-field 2





PS.
1. DSLR拍攝時的ISO感度選擇:

一般對ISO越高畫質越差是不正確的觀念,通常我們的印象中高ISO的雜訊會比較高其實是因為,在一般認為的曝光量相同的情況下(通常自動測光就是這樣做),也就是快門與ISO乘積相同(假設光圈相同),那麼高ISO那張的快門時間即曝光時間永遠比較短。在這樣的情況下ISO比較低的畫質當然比較好,但是是因為它曝光時間比較長而非它的ISO比較低。如果在同樣等量、充足的進光量下,高ISO因為它的讀出雜訊較小,它的畫質反而是比較好的。然則因為低ISO的動態範圍較大,所以拍攝天體最佳的ISO選擇是使用「天文ISO」(詳見王為豪《星野攝影 II》第十六章及表4-2),Pentax K5的天文ISO是ISO1600。儘量累積曝光時間才是提高畫質的重要關鍵。


2.前面提到的,DSS會將你所載入的所有平場檔案平均製作出一個MasterFlat並儲存在你的平場檔案所在目錄下,我們可以到目錄下檢視這個檔案,可發現因為使用RAW檔,白平衡得以不影響MasterFlat
MasterFlat 




3.iPad/iPadmini/iPhone 上具有曲線調整工具的繪圖APP :

Art Studio


有了這個軟體就可以先在拍攝的當下調整曲線,如果有需要的話,這個功能可以讓我們可以更好地確定是否有曝到目標(有時需要拉一下曲線才看得清楚)。不過通常是用不到,因為對照相機螢幕上的星點與星圖上的星點我們就可以知道天體是否在構圖之中。

可以使用有wifi功能的記憶卡,在曝光完畢之後可將檔案傳至iOS裝置上,然後再使用這個app。

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