Обробка зображень планет Марс, Юпітер, Сатурн

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

Зображення планет сучасні CCD-камери можуть формувати у вигляді окремих фотознімків або ж відеороликів. Оскільки планети є яскравими об’єктами, отримати відеоролик з частотою кадрів 30 кадрів на секунду не є проблемою для чутливої матриці астрокамери. Планетні астрокамери створюють саме під вимогу мати невеликі за розмірами матриці з великою чутливістю.

При зйомці відеоролика використовується принцип отримання максимальної кількості відеокадрів. Адже чим більша їхня кількість, тим більше якісних кадрів програма може відібрати для подальшого накладання та опрацювання. Оскільки при зйомці використовується телескоп як об’єктив з великою фокусною віддалю, масштаб зображення буде досить великим, щоб на цьому тлі почали впливати збурення атмосфери. Тому у відеоролику є розмиті кадри, які програма має вилучити.

Для обробки зображення планет оптимально використовувати не одну, а декілька більш спеціалізованих програм. Перш за все, необхідно вирізати ділянку на відеозаписі так, щоб планета постійно перебувала в мінімальному полі. Ця потреба виникає тому, що при фотографуванні планет ведення монтування телескопа не завжди є ідеальним. Для обрізки відеоролика використовується спеціалізована програма PiPP. Після обрізки вона формує власну папку з обрізаним відеороликом, який  використовуватиметься надалі.

Потім необхідно вирівняти кадри нового обрізаного відеоролика, відсортувати їх за якістю і створити особливий кадр – стек. Для здійснення цих операцій використовується спеціалізована програма Autostakkert. У ній реалізовані основні функції, необхідні для опрацювання вхідних даних, а саме: вирівнювання кадрів, відбір кадрів за якістю, утворення складеного кадру, або стека.

Вирівнювання кадрів необхідно, оскільки навіть при найточнішому веденні монтування телескопа існують збурення атмосфери, які змінюють хід світлового променя. Програма вирівнює кадри навіть тоді, коли ведення телескопа неідеальне або взагалі відсутнє. Після вирівнювання вона автоматично здійснює аналіз кадрів за якістю і сортує їх у порядку зменшення якості зображення.

Процес вирівнювання та сортування займає найбільше часу. В залежності від продуктивності процесора ПК, кількості кадрів у ролику, розміру самого кадру (кількості пікселів), кількості точок, за якими ведеться вирівнювання, цей час може варіюватися від кількох хвилин до кількох годин. Тому важливо встановити оптимальні параметри для процесу вирівнювання в рамках розумного використання часу.

Після завершення процесу вирівнювання та сортування необхідно визначити оптимальну, з точки зору користувача, кількість кадрів для отримання стека. Кількість кадрів добирає сама програма в рамках оптимальної з точки зору обробки, але користувач має можливість її змінювати. Якість кожного кадру оцінюється за графіком, який користувач може відкривати автономно. Вирішивши, яка кількість кадрів є оптимальною, користувач встановлює програмі обмеження на сумування кадрів, або ліміт. Після цього програма починає роботу з утворення стеку.

Стек – це особливий кадр, що містить усю інформацію про найкращі кадри. Це певний сумарний багатошаровий кадр. Зовні він не відрізняється від будь-якого іншого кадру з відеоролику. Але завдяки тому, що він складений з найкращих кадрів, за допомогою оперування додатковими алгоритмами, або шарами, з нього можна отримати найчіткіше зображення об’єкту зйомки. Програма формує додаткову власну папку, в якій буде розташований підсумковий кадр.

Для завершальної обробки стек-кадру використовується спеціалізована програма для комплексної обробки відеороликів поверхні Місяця, Сонця або планет RegiStax 6. На сьогодні це остання оновлена версія програми. У ній реалізовані  основні функції, необхідні для опрацювання вхідних даних, а саме: вирівнювання кадрів, відбір кадрів за якістю, утворення складеного кадру, або стека, і подальша обробка цього кадру з використанням різноманітних графічних алгоритмів. Зауважимо, що для обробки зображення планет з-поміж функцій цієї програми буде використана тільки можливість остаточної обробки стек-кадру. Досягнувши найкращої чіткості та кольоровідтворення, користувач зберігає кадр в одному з поширених форматів. Подальшу обробку кадру можна здійснювати в будь-якому графічному редакторі.

Хід роботи

1. Завантажте відеозаписи планет з ресурсу http://www.skyimaging.com/astronomy-videos.php#1
2. Відкрийте відеозапис Марса, що міститься в папці роботи, за допомогою звичайного відеплеєра та перегляньте його повністю.
3. Запустіть програму PiPP .
4. Перетягніть у вікно програми файл з відеозаписом Марса. Програма відобразить ще одне вікно, в якому буде зображення першого кадру.
5. У першому вікні програми поставте маркер .
6. Оберіть у правому верхньому куті першого вікна . У другому вікні з’явиться обрізаний перший кадр.
7. Оберіть у першому вікні вкладинку .
8. Зверніть увагу на те, щоб у цьому вікні не було маркера, що пропонує конвертувати файл у чорно-білий.

.

8. Якщо поля біля планети надто великі або надто малі, скористайтеся зміною розмірів обрізки кадру і оберіть . Поля мають бути достатніми, щоб планета не вийшла за їхні межі під час обрізки.
9. Перейдіть у вкладинку  і оберіть . Процес обрізки може бути тривалим. Дочекайтеся завершення. Якщо збережені налаштування за замовчуванням, програма сама відкриє нову папку з обрізаним роликом.
10. Закрийте програму PiPP і відкрийте програму Autostakkert .
11. Оберіть та оберіть обрізаний ролик.
12. Оберіть маркер .
13. Оберіть . Дочекайтеся завершення аналізу.

14. Пересуваючи повзунок у вікні зображення планети, визначте кількість кадрів, які будуть зібрані у стек. Якість зображення відображається на графіку в першому вікні і у відсотках на вікні зображення планети. Якість зображення планети бажано обирати в межах до 75 %.                           
15. Прочитайте кількість відібраних кадрів у віконці поряд з повзунком та зазначте в першому вікні.     
16. Оберіть у другому вікні . На зображенні планети з’явиться сітка з рамок, за якими буде вестися складання кадрів.
17. Оберіть . Дочекайтеся завершення складання.
18. У папці, створеній програмою PiPP, з’явиться папка, в якій буде сумарний кадр. Назва папки містить кількість кадрів, що увійшли до стеку.
19. Закрийте програму Autostakkert.
20. Подальша обробка зображення планети буде здійснюватися в програмі RegiStax 6 . Відкрийте програму та оберіть отриманий стек-кадр.
21. Перейдіть у вкладинку остаточної обробки. Оберіть .

Зверніть увагу на маркери в лівій частині вікна програми .

22. Використовуючи повзунки різних шарів, спробуйте досягнути оптимальної чіткості фрагменту зображення, розташованого в центрі кадру. Верхні повзунки відповідають за підвищення чіткості на дрібних деталях. Нижні – на великих. Цей процес є тривалим і творчим. Маркери у верхній частині над повзунками дають змогу використовувати різні алгоритми обробки зображення. Зазначене розміщення оптимальне для обробки зображення планет, хоча ви маєте можливість експериментувати з будь-яким іншим поєднанням маркерів. Готового рецепту для будь-якого зображення не існує.
23. Досягнувши оптимальної якості зображення в робочому полі, оберіть . Програма автоматично застосує обраний алгоритм для всього зображення. Пам’ятайте, що на цьому етапі можна змінити все, вертаючи повзунки на інші положення і натискаючи .
24. Збережіть отримане зображення, обравши один із запропонованих форматів.
25. Праве вікно цієї вкладинки дає можливість застосувати велику кількість коректив до самого зображення. Зберігши зображення, спробуйте визначити, за що відповідають функції цього вікна.
26. Проведіть аналогічні дії з відеозаписами Юпітера та Сатурна.

Після завершення роботи створіть окрему папку з вашими результатами та перемістіть отримані світлини в неї, видаливши з основної папки практикуму.

Аналіз даних

.