Обробка зображень фотосфери та хромосфери Сонця

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

Поверхня Сонця містить велику кількість деталей, але їхнє зображення отримати досить проблематично, оскільки світність Сонця є дуже великою. Фотосферу світила зазвичай вивчають за допомогою зображень, отриманих із використанням спеціального світлофільтра, що поглинає понад 90% сонячного світла. Такий світлофільтр має вигляд тонкої плівки, розміщеної перед апертурним входом телескопа. Використання світлофільтра лише зменшує інтенсивність сонячного світла, а тому на диску Сонця будуть видимі винятково великі деталі, приміром сонячні плями або факельні поля. Використання супутніх кольорових світлофільтрів може незначно збільшити контрастність зображення.

Використання ж фільтрів, побудованих на інтерференційній основі, дає змогу виділити з потоку випромінювання дуже вузьку ділянку, ширина якої вимірюється кількома ангстремами. Завдяки цьому можна не тільки зменшити інтенсивність прохідного світла, а й виділити ті ділянки, які найінтенсивніше випромінюють обраний діапазон світла. Цей принцип використовують у хромосферних телескопах.

Хромосферний телескоп CORONADO має вбудований фільтр, за допомогою якого вдається виділити з сонячного спектру тільки найінтенсивнішу лінію випромінювання гідрогену. Отримуючи зображення в цьому діапазоні, можна досить контрастно виділити елементи у хромосфері Сонця, а саме ділянки сонячних спалахів та протуберанці.

Зображення поверхні Сонця постають у вигляді відеороликів, що складаються з набору світлин. Для обробки цих зображень пропонується набір спеціалізованих програм: PiPP, Autostakkert та RegiStax 6. За умови, що увесь сонячний диск розташований на кадрі, необхідно обрізати всі кадри за шаблоном, відібрати кадри за якістю, утворити об’єднаний стек-кадр та збільшити чіткість зображення графічними алгоритмами. Для обрізки зображень використовується спеціалізована програма PiPP. Після обрізки вона формує власну папку з обрізаними кадрами, які  використовуватимуться надалі.

Для здійснення операцій сортування та складання кадрів 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. 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. Відкрийте папку із зображеннями фотосфери Сонця, знятими без кольорового світлофільтру, яка міститься в папці роботи.
2. Запустіть програму PiPP .
3. Перетягніть у вікно програми всі зображення. Програма відобразить ще одне вікно, в якому буде зображення першого кадру.
4. У першому вікні програми поставте маркер .
5. Оберіть у правому верхньому куті першого вікна . У другому вікні з’явиться обрізаний перший кадр.
6. Оберіть у першому вікні вкладинку .
7. Зверніть увагу на те, щоб у цьому вікні не було маркера, що пропонує конвертувати файл у чорно-білий.

8. Якщо зображення сонячного диску повністю не помістилося в кадр, змініть значення полів обрізки кадру  і оберіть . Поля мають бути достатніми, щоб сонячний диск не виходив за межі кадру під час обрізки.
9. Перейдіть у вкладинку  і оберіть . Процес обрізки може бути тривалим. Дочекайтеся завершення. Якщо збережено налаштування за замовчуванням, програма сама відкриє нову папку з обрізаними кадрами.
10. Закрийте програму PiPP і відкрийте програму Autostakkert .
11. Оберіть  та оберіть обрізані зображення.
12. Оберіть маркер .
13. Оберіть . Дочекайтеся завершення аналізу.

14. Пересуваючи повзунок у вікні зображення сонячного диска, визначте кількість кадрів, які будуть зібрані у стек. Якість зображення відображається на графіку в першому вікні і у відсотках – на вікні зображення диску. Якість зображення диску бажано обирати в межах до 50 %.                                    
15. Прочитайте кількість відібраних кадрів у віконці поряд із повзунком та зазначте в першому вікні.    
16. Оберіть у другому вікні маркер  та, натиснувши ліву клавішу маніпулятора, виділіть найбільш чітку ділянку зображення. Таких ділянок можна обрати декілька.
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 диску буде здійснюватися у 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 можливість використовувати різні алгоритми обробки зображення. Зазначене розміщення оптимальне для обробки зображення Сонця, хоча ви можете вільно 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 змогу застосувати ще велику кількість коректив до самого зображення. Зберігши зображення, спробуйте визначити, за що відповідають функції цього вікна.
26. Проведіть аналогічні дії з зображеннями Сонця, отриманими з використанням оранжевого світлофільтру та на хромосферному телескопі.

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

Аналіз даних

.