Обробка зображень об’єктів глибокого космосу за допомогою програми Siril

Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Теоретична частина

Для обробки зображень об’єктів глибокого космосу використовують багато спеціалізованих програм і програмних комплексів. Окрім стандартних функцій вирівнювання та накладання зображень, вони мають вбудовану функцію врахування калібрувальних кадрів. Більшість таких програм за своїми алгоритмами відрізняються від програм для обробки зображень планет. Відповідно й послідовність опрацювання зображень об’єктів глибокого космосу є абсолютно іншою, ніж у випадку з планетами.

До популярних безкоштовних програм, які використовують професійні астрономи та аматори, належить Siril. Ця програма має додаткові функції, як-от постобробка отриманого кадру зі зменшенням дефектів накладання, розпізнання об’єктів на зображенні та фотометрія. У програмі реалізовано алгоритм отримання результуючого зображення за логічною формулою:

Програма може реалізувати цю формулу в автоматичному режимі за допомогою скриптів, а також у покроковому виконанні під керівництвом користувача. У роботі розглянуто обидва режими виконання.

Особливістю програми є використання послідовностей кадрів, попередньо сковертованих у формат *.fit за допомогою власних інструментів. Усі кадри, отримані під час опрацювання вхідного матеріалу, зберігаються в окремій робочій папці process. Тому перед початком роботи необхідно з’ясувати наявність вільного місця в пам’яті ПК.

Ще одна особливість: усі вхідні матеріали (кадри зображень та калібрувальні кадри) необхідно розмістити в окремій попередньо створеній папці (наприклад, siril), яка повинна містити підпапки з назвами lights, darks, flats, biases та process. Підпапка process створюється автоматично, якщо ви вирішили обробити зображення із застосуванням скриптів. У покроковому виконанні її потрібно створити власноруч.

Siril може опрацьовувати кадри, отримані за допомогою цифрових фотоапаратів (*.cr2) – так звані RAW кадри, а також кадри з цифрових астрокамер (*.fit) – кадри FITS. Програма може працювати із зображеннями, отриманими як на кольорових, так і на монохромних матрицях. Є можливість комбінування монохромних зображень із призначеними параметрами кольору, що важливо для  отримання наукової інформації.

Процес отримання зображення складається з двох етапів: попередня обробка вхідного матеріалу зі складанням кадрів (pre-processing) та остаточна обробка отриманого зображення (post-processing).

Алгоритм першого етапу:

1. Створити робочу папку.
2. Переконвертувати файли.
3. Створити основний кадр зміщення (master bias).
4. Створити основний кадр вирівнювання поля (master flat) із відніманням основного кадру зміщення на кожному кадрі вирівнювання поля.
5. Створити основний темновий кадр (master dark), не віднімаючи основного кадру зміщення.
6. Відкалібрувати зображення з використанням основного кадру вирівнювання поля та основного темнового кадру.
7. Обробити градієнт зображень.
8. Зареєструвати об’єкти вирівнювання на зображеннях.
9. Скласти зображення з вирівнюванням основних об’єктів.

Алгоритм другого етапу такий:

1. Кадрувати зображення з автоматичним розтягуванням гістограми.
2. Калібрувати колір за виділеними ділянками зображення або за допомогою фотометричних баз (за наявності під’єднання до мережі).
3. Повторно розтягнути гістограму з використанням алгоритмів трансформації гістограми та asinh.
4. Видалити «зелений шум».
5. Відрегулювати насиченість зображення.
6. Зберегти зображення у зручному форматі.

Послідовність кроків остаточної обробки може змінюватися залежно від якості отриманого зображення. Цю послідовність користувач обирає сам у процесі роботи. Кожен крок можна за потреби скасувати, оскільки результат зберігається у вигляді протоколу обробки.

У роботі описані кроки з урахуванням того, що вихідні матеріали отримані на цифровому фотоапараті. Послідовність кроків для зображень з астрономічних камер може бути майже такою самою.

Для автоматичної обробки (pre-processing) треба правильно обрати скрипт. Стандартний перелік містить лише скрипти, що передбачають наявність усіх калібрувальних кадрів. Додаткові скрипти є на сайті підтримки програми.

Хід роботи

1. Створіть папку для обробки під назвою siril і підпапки lights, darks, flats, biases та process.
2. Скопіюйте всі вхідні кадри у відповідні підпапки.
3. Запустіть програму Siril та ознайомтеся з інтерфейсом.

4. Оберіть піктограму та вкажіть робочу папку process.
5. Натисніть Open.
6. Оберіть у правому вікні піктограму «+» і зазначте місце розташування кадрів biases, виділивши всі кадри. Натисніть Add. Кадри з’являться у вікні конвертації.
7. У стрічці Sequence name зазначте назву послідовності biases.
8. Оберіть піктограму Convert і дочекайтеся конвертації файлів. Зверніть увагу на протокол дій, що з’явиться у вікні Console. В останній стрічці зазначається час виконання дії, а в попередніх – підтвердження кроків. Це процес конвертації, який буде повторюватися для решти кадрів.
9. Перейдіть до вкладинки Sequence у правому вікні програми і переконайтеся, що для подальшої обробки обрана саме послідовність кадрів biases.

10. Перейдіть у вкладинку Stacking у правому вікні програми та встановіть параметри, відтворені на зображенні.
11. Оберіть Start stacking. Файл Master_bias у робочій папці носить назву biases_stacked.fit. Саме він буде використовуватися для обробки наступних файлів вирівнювання поля (Flats).
12. Оберіть і сконвертуйте кадри вирівнювання поля Flats, використовуючи алгоритм кроків 6–9, вказавши назву послідовності flats та видаливши у вікні списку попередні кадри зміщення.
13. Перейдіть у вкладинку Sequence і переконайтеся, що обрана саме послідовність кадрів вирівнювання поля.
14. Перейдіть у вкладинку Calibration, оберіть файл biases_stacked.fit і встановіть параметри, відтворені на зображенні.

15. Оберіть Start calibration. Відбувається віднімання кадру Master_bias від кадрів послідовності вирівнювання поля та перезапис кадрів вирівнювання плоского поля. У їхніх іменах з’являється префікс pp_.
16. Перейдіть у вкладинку Sequence і переконайтеся, що обрана саме послідовність відкаліброваних кадрів вирівнювання поля pp_flats.seq.
17. Перейдіть у вкладинку Stacking і встановіть параметри, відтворені на зображенні. Укажіть назву вихідного файлу pp_flat_stacked.
18. Оберіть Start stacking.
19. Оберіть і сконвертуйте темнові кадри Darks, використовуючи алгоритм кроків 6–9, зазначивши назву послідовності darks та видаливши у вікні списку попередні кадри вирівнювання поля.
20. Перейдіть у вкладинку Sequence і переконайтеся, що обрана послідовність темнових кадрів.
21. Перейдіть у вкладинку Stacking і встановіть параметри, відтворені на зображенні, та зазначте ім’я вихідного файлу darks_stacked.fit.
22. Оберіть Start stacking. Master_dark буде мати назву darks_stacked.fit.
23. Оберіть і сконвертуйте кадри зображення Lights, використовуючи алгоритм кроків 6–9, зазначивши назву послідовності lights і видаливши у вікні списку попередні темнові кадри.
24. Перейдіть у вкладинку Sequence і переконайтеся, що обрана послідовність кадрів зображення.
25. Перейдіть у вкладинку Calibration, укажіть файли Master_dark та Master_flat, зазначте параметри, відтворені на зображенні.
26. Зверніть увагу, щоб обов’язково стояла позначка біля Debayer before saving! Це перетворення зображень на кольорові. Оберіть Start calibration. Створюються кадри зображень із урахуванням усіх калібрувальних файлів. Ці файли будуть містити в назві префікс pp_.
27. Для того, щоб побачити зображення на поки що одному кадрі, оберіть у нижній частині вікна програми меню розтягу та встановіть параметр автоматичного розтягнення.

28. Перемикаючись між каналами зображення у верхніх вкладинках лівого поля, роздивіться цей кадр. Зверніть увагу на те, що у змішаному вигляді RGB він матиме зелений колір. Це зумовлене тим, що матриця фотоапарата має вдвічі більше зелених пікселів, ніж червоних та синіх.

29. Оберіть один із каналів та Image Processing – Background extraction. Установіть у новому вікні параметри, відтворені на зображенні. Це потрібно для видалення градієнту на всіх кадрах зображень перед їх складанням.

30. Оберіть Generate. На зображенні з’явиться велика кількість квадратів, які визначатимуть точки фону. Якщо вам потрібно додатково вказати ще точки фону, це можна зробити лівою кнопкою миші. Видалення точки здійснюється правою кнопкою. Точки фону не повинні збігатися з зірками або туманними об’єктами.
31. Оберіть Compute Background та Apply. Відбудеться видалення градієнту на всіх кадрах зображень.
32. Оберіть вкладинку Sequence і переконайтеся, що далі оброблятиметься послідовність кадрів із видаленим градієнтом.
33. Перейдіть у вкладинку Registration і встановіть параметри, відтворені на зображенні.

34. Оберіть Go register.
35. Перейдіть у вкладинку Plot і розгляньте графік якості ваших зображень. На графіку зазначені показники якості FWHM усіх кадрів послідовності. Кадри з найвищим показником вважаються програмою найгіршими. Їх можна видалити з подальшої обробки, натиснувши на точку графіка та правою кнопкою миші вибравши Exclude Frame.

36. Перейдіть у вкладинку Sequence і переконайтеся, що надалі опрацьовуватиметься послідовність зареєстрованих кадрів.
37. Перейдіть у вкладинку Stacking і встановіть параметри, відтворені на зображенні.
38. Зверніть увагу на позначку RGB equalization. Це вирівнює канали кольорів у фінальному зображенні. Оберіть Start stacking. Фіналізоване зображення має назву r_bkg_pp_lights_stacked.fit у папці process. Скопіюйте його у папку siril та перейменуйте на свій вибір. Це зображення буде надалі потрібне для подальшої обробки!
39. Закрийте програму Siril та видаліть усі файли з папки process.
40. Відкрийте програму Siril і зазначте робочу папку siril відповідно до кроку 2.
41. Для автоматизації процесу за допомогою скрипта оберіть

42. Програма автоматично проведе попередні дії, створить папку masters, у якій будуть розміщені всі Master кадри, та у зовнішній папці видасть результуючий кадр із назвою result. Цей кадр надалі можна також використати для остаточної обробки. У цьому кадрі зберігається градієнт фону, оскільки його видалення не зазначено у скрипті.
43. Для остаточної обробки оберіть фіналізоване зображення, отримане покроковим методом. Для цього у верхньому меню програми оберіть Open та зазначте файл. Файл виглядатиме темним, оскільки на початку програма використовує лінійний алгоритм розтягнення.
44. Оберіть алгоритм авторозтягнення, як у кроці 27.
45. Оберіть один із каналів зображення; якщо на краях зображення є артефакти, кадруйте його. Для цього виділіть мишею потрібний розмір, утримуючи ліву кнопку, та правою кнопкою оберіть Crop.
46. Відкалібруйте колір зображення. Для цього можна використати один із двох методів: ручне калібрування або фотометричне калібрування. Фотометричне калібрування здійснюється за умови доступу до мережі. Розпочніть ручне калібрування. Для цього оберіть один із каналів зображення та збільшивши його піктограмою «+» у нижній правій частині програми, виберіть у верхньому меню Image processing – Color calibration.
47. На зображенні виділіть мишею, затиснувши ліву кнопку, прямокутник, у якому відсутні зірки. У вікні, що з’явилося, оберіть Use current selection та Background Neutralization. Далі виділіть мишею зірку, колір якої приймете за білий; оберіть Use current selection та Apply.
48. Закрийте вікно калібрування та перегляньте результат.
49. Фотометричне калібрування вимагатиме інформації про об’єкт, наявний на зображенні (його ідентифікатор за каталогами) та знання фокусної відстані телескопа і розміру пікселя фотоапарата. Цей крок ми пропускаємо.
50. Поверніться до лінійного розтягнення гістограми, змінивши авторозтягнення. Зображення має стати темним.
51. Оберіть Image processing – Histogram Transformation. У вікні, що з’явиться, оберіть піктограму Автоматичного розтягнення.

52. Зображення стане видимим. Зміщуючи ковзунки під гістограмою, доберіть оптимальний вигляд зображення. Оберіть Apply.
53. Оберіть Image processing – Remove green noise. Це функція видалення «зеленого шуму» який створений більшою кількістю «зелених» пікселів матриці. Оберіть Apply.
54. Оберіть Image processing – Asinh Transformation. Це трансформація гістограми за іншим, більш витонченим алгоритмом. Зміщуючи ковзунки, доберіть достатній колір фону та яскравість об’єкта на зображенні. Оберіть Apply.
55. Оберіть Image processing – Color saturation. Це регулювання інтенсивності кольорів на зображенні. Ковзунками доберіть найкраще насичення кольорів об’єкта. Оберіть Apply.
56. Збережіть зображення у зручному для вас форматі та надайте йому відповідне ім’я, обравши у правому верхньому рядку функцію збереження.
57. Якщо вас влаштовує отриманий варіант, очистіть підпапки Siril.

Аналіз даних

Проаналізуйте ефективність використання алгоритмів скриптів у порівнянні з покроковою обробкою послідовностей зображень. Спробуйте доопрацювати інше зображення, отримане за допомогою скрипта.