Calibration Frame ภาคปฏิบัติ: ใช้ Light Dark Flat และ Bias ให้ถูกต้อง
การประมวลผลเบื้องต้น (Preprocessing) เป็นขั้นตอนที่สำคัญมาก ผมมักใช้เวลากับส่วนนี้เยอะ นอกจากขั้นตอน Calibration แล้ว ขั้นตอนส่วนใหญ่ผมลงมือทำเองทั้งหมด เพื่อให้แน่ใจว่าทุกขั้นตอนถูกต้อง เมื่อเกิดปัญหาขึ้นจะได้หาสาเหตุได้อย่างรวดเร็ว ส่วน Calibration Frame หรือเฟรมปรับเทียบ คือรากฐานของการประมวลผลเบื้องต้น บทความนี้รวบรวมกับดักที่ผมเจอมาหลายปีเรื่อง Calibration Frame และความเข้าใจเชิงปฏิบัติที่สั่งสมมา
Light Dark Flat Bias และ Flat Dark: ทำความเข้าใจให้ชัดเจนก่อน
Calibration Frame หลักสี่ชนิดในงานถ่ายภาพดาราศาสตร์คือ Light Frame Dark Frame Flat Frame และ Bias Frame รวมทั้ง Flat Dark Frame (คือ Dark Frame ของ Flat Frame) นี่เป็นแนวคิดพื้นฐานที่สุด แต่คนที่อธิบายได้ชัดเจนจริง ๆ ว่า “ความแตกต่างระหว่าง Light Frame Dark Frame Flat Frame Bias Frame และ Flat Dark Frame คืออะไร” นั้นมีน้อยกว่าที่คิดไว้ หลายคนจำได้แค่ชื่อเรียก แต่ไม่ได้เข้าใจว่าแต่ละอย่างทำหน้าที่อะไร
ภาพด้านบนเป็นคำอธิบายที่ผมอ้างอิงจาก RBA ครอบคลุมคำอธิบายของ Light Frame Dark Frame Bias Frame และ Flat Frame รวมถึงลักษณะทั่วไปของ Calibration Frame เหล่านี้ ส่วน Flat Dark Frame ก็เหมือนที่กล่าวไปแล้วคือ Dark Frame ของ Flat Frame ใช้แนวคิดเดียวกับ Dark Frame ได้เลย สิ่งที่ต้องจำจริง ๆ คือแต่ละแบบมีหน้าที่กำจัดข้อบกพร่องคนละประเภท: Dark Frame จัดการสัญญาณรบกวนจากความร้อนและกระแสมืด (dark current) Flat Frame จัดการแสงขอบมืด (vignetting) และเงาฝุ่น ส่วน Bias Frame จัดการออฟเซตจากการอ่านค่า (read offset)
Flat Frame: เฟรมที่มีเรื่องให้เรียนรู้มากที่สุด
ในบรรดา Calibration Frame ทั้งสี่แบบ Flat Frame น่าจะเป็นแบบที่เกิดปัญหาได้ง่ายที่สุด และมีเรื่องให้เรียนรู้มากที่สุดด้วย
“โดนัท” และการบดบังใน Flat Frame
เมื่อใช้กระบวนการ ScreenTransferFunction (STF) ใน PixInsight เพื่อทำ Stretch บนหน้าจอแล้วดู Flat Frame จะพบว่าใน Flat Frame เต็มไปด้วยวงกลมที่เรียกว่า “โดนัท” อยู่เสมอ ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วก็คือฝุ่นที่อยู่บนเส้นทางแสง ในเวลาเดียวกันก็จะเห็นปรากฏการณ์แสงขอบมืดด้วย และถ้าใช้ OAG ก็จะเห็นเงาบดบังของ OAG ด้วย
เมื่อระบบออปติกเปลี่ยนแปลงไปไม่ว่ากรณีใดก็ตาม (ถอดประกอบใหม่ ปรับองค์ประกอบภาพ หรือแม้แต่ปรับมาสก์เลนส์) ต้องถ่าย Flat Frame ใหม่เสมอ ไม่เช่นนั้นตำแหน่งของ “โดนัท” หรือเงาบดบังจะไม่ตรงกับตำแหน่งที่ถูกบดบังใน Light Frame ทำให้ Calibration ไม่สำเร็จ และกลับสร้างความผิดปกติแปลก ๆ ขึ้นมาหลังการ Calibration แทน
เลือกเวลาเปิดรับแสงอย่างไร: ผลการทดสอบจริง
ต้องเปิดรับแสง Flat Frame นานแค่ไหน? ผมเคยทดสอบเรื่องนี้ด้วยตัวเองมาแล้ว อุปกรณ์ที่ใช้คือกล้องโทรทรรศน์แบบนิวตัน 8 นิ้ว (ดัดแปลง) พร้อมกล้อง ASI 2600MC ที่อุณหภูมิเดียวกัน ถ่าย Flat Frame ที่ 10ms 1s 5s และ 10s พร้อม Flat Dark Frame ที่ตรงกัน หลังจาก Calibration แล้วตรวจด้วยตาเปล่า พบว่า 5s ให้ผลดีที่สุด ส่วน 10ms และ 10s มีอาการขอบภาพสว่างขึ้น จากนั้นนำ Flat Frame ที่ 5s มาหารกับ Flat Frame ที่เวลาอื่นเพื่อเปรียบเทียบ: กลุ่ม 1s น่าจะถ่ายเสีย เพราะหารออกมาแล้วมืดทั้งภาพ 10ms มีความต่างเป็นแนวทแยงจากซ้ายบนไปขวาล่าง ส่วน 10s ความต่างมีน้อยมาก Flat Frame ที่ผ่าน Calibration แล้วในแต่ละเวลา ตำแหน่งของฮิสโตแกรมใกล้เคียงกัน อยู่ตรงกลางเอียงไปทางซ้ายเล็กน้อย และไม่ได้ตัดข้อมูลส่วนใดทิ้งไป แสดงว่าการตั้งค่าถ่ายภาพถูกต้อง
สรุปคือ ถ้าไม่นับปัจจัยอื่น ระบบชุดนี้ใช้ Flat Frame ที่ 5s ดีที่สุด ส่วน 10s ก็ดีเช่นกัน เพียงแต่ใช้เวลานานกว่า ที่ต้องเตือนไว้คือ “เวลาที่ดีที่สุด” นี้เป็นผลของระบบเฉพาะชุดนี้เท่านั้น ถ้าเปลี่ยนอุปกรณ์ต้องทดสอบใหม่
แผงไฟหรือแสงท้องฟ้า?
ผมจะพิจารณาใช้แสงท้องฟ้าถ่าย Flat Frame ก็ต่อเมื่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางกล้องโทรทรรศน์ใหญ่เกินไปเท่านั้น Flat Frame จากแสงท้องฟ้ามีปัญหาไม่น้อย ทั้งจุดดาว (Flat Frame จากแสงท้องฟ้ามักมีดาวสว่างติดมา) และความสว่าง (แต่ละภาพสว่างไม่เท่ากัน) ที่ควบคุมได้ยากกว่า ในยุคที่ LED ปรับความสว่างได้แพร่หลายขนาดนี้ กล้องโทรทรรศน์ขนาดต่ำกว่า 25 เซนติเมตร ใช้แผงไฟถ่าย Flat Frame ง่ายที่สุด ถ่ายที่ไหนก็ได้ ถ้าถ่ายเสียก็ถ่ายใหม่ได้ทันที จึงไม่มีเหตุผลใดที่จะไม่ถ่าย Flat Frame เลย ถ้าจำเป็นต้องใช้แสงท้องฟ้าจริง ๆ ผมจะใช้แผ่นพลาสติกสีขาวขุ่น และไม่แนะนำให้ใช้เสื้อยืดสีขาว ในแง่จำนวน Flat Frame ประมาณ 5 ถึง 10 ภาพก็เพียงพอ จุดสำคัญไม่ได้อยู่ที่จำนวนมาก แต่อยู่ที่ถ่ายให้ถูกต้อง
ส่วนวิธีปรับความสว่างของแผงไฟ ผมก็ทดสอบมาแล้ว ปรับด้วย PWM (จะกะพริบ) แล้วถ่าย Flat Frame ที่ 1s เทียบกับใช้แผ่นลดแสงถ่าย Flat Frame ที่ 4s พบว่าภาพที่ 1s เห็นลายของ PWM ชัดเจน แต่หลังจาก Stacking แล้วลายหายไป และเมื่อหารกับ Master Flat ที่ 4s ผลออกมาเป็นสีขาว แสดงว่าแทบไม่มีความต่าง เพราะฉะนั้นการปรับด้วย PWM ใช้ได้ (แน่นอนว่าการปรับด้วยแรงดันไฟฟ้าซึ่งไม่กะพริบยังเป็นทางที่ดีที่สุด) ถ้าต้องการประหยัดเวลา ถ่ายแค่ Flat Frame ที่ 1s และ Flat Dark Frame ที่ 1s ก็น่าจะเพียงพอแล้ว
CMOS ระบบหล่อเย็น: ให้ Calibrate Flat Frame ด้วย Flat Dark Frame
จุดนี้ต้องเน้นเป็นพิเศษ ถ้าใช้กล้อง CMOS ระบบหล่อเย็น ให้ใช้ Flat Dark Frame (คือ Dark Frame ของ Flat Frame) มา Calibrate Flat Frame ไม่ใช่ใช้ Bias Frame การใช้ Bias Frame มัก Calibrate Flat Frame ได้ไม่ถูกต้อง และเมื่อ Flat Frame ไม่ได้รับการ Calibrate อย่างถูกต้อง สุดท้ายการ Calibrate Light Frame ก็จะล้มเหลว ผลลัพธ์ส่วนใหญ่ของ Flat Frame ที่ Calibrate ไม่ดีคือ เมื่อนำไป Calibrate Light Frame จะเกิดการ Calibrate มากเกินไป ทำให้มุมภาพทั้งสี่มุมสว่างขึ้น
กับดักการแสดงผล Flat Frame ของ DSLR
ถ้าใช้ DSLR (โดยเฉพาะ Nikon) ถ่าย Flat Frame อาจตกใจได้ เพราะบนกล้องหรือใน Photoshop ภาพดูสว่างชัดเจน แต่ใน PixInsight กลับดำสนิททั้งภาพ
สาเหตุคือไฟล์แบบ 16 บิตบรรจุข้อมูล 14 บิตอยู่ภายใน ดังนั้นเพื่อให้แสดงผลถูกต้อง ขั้นตอนแรกต้องใช้เครื่องมือ Histogram ปรับจุดขาวไปที่ 0.25 นี่เป็นเพียงปัญหาการแสดงผลเท่านั้น ไม่กระทบต่อข้อมูลจริง (ผมเคยอัดคลิปสาธิตขั้นตอนทั้งหมดโดยใช้ Nikon D810 Astro mod เป็นตัวอย่าง)
Dark Frame: มีวันหมดอายุ อย่าลืมอัปเดต
Dark Frame ไม่ใช่ถ่ายครั้งเดียวแล้วใช้ได้ตลอดไป เคยมีเพื่อนคนหนึ่งใช้ Dark Frame ชุดเดิม Calibrate แล้วผลลัพธ์ไม่ดี พอถามดูถึงรู้ว่า Dark Frame ชุดนั้นถ่ายไว้ตั้งแต่ต้นปี เรื่องนี้ยืนยันอีกครั้งว่า Dark Frame ต้องอัปเดตเป็นระยะ Dark Frame ชุดเดียวกันควรถ่ายใหม่ทุกประมาณสามเดือน ถ้า Calibrate เสร็จแล้วยังมีปัญหาเล็กน้อยทุกครั้ง ลองตรวจดูว่าค่าความสว่างของพิกเซลใน Dark Frame เก่ากับใหม่ใกล้เคียงกันหรือไม่ เพื่อดูว่า Dark Frame เสื่อมสภาพแล้วหรือยัง
Dark Frame ที่เวลาเปิดรับแสงต่างกันก็น่ารู้จักไว้เช่นกัน ผมเคยเห็นชุด Master Dark ของ QHY 268C (Sony IMX 571) ตั้งแต่ 0 วินาทีถึง 600 วินาที ค่าพื้นหลังแทบไม่เปลี่ยนไม่ว่าจะกี่วินาที (อยู่ที่ประมาณ 0.0075 ทั้งหมด) ความต่างที่เห็นได้ชัดคือความสว่างของ hot pixel เพิ่มขึ้นตามเวลาที่นานขึ้น เรื่องนี้นำไปสู่ข้อสรุปที่ใช้ได้จริงว่า ถ้าจัดการ hot pixel แยกต่างหาก (เช่นด้วย Cosmetic Correction) แม้เวลาของ Dark Frame จะไม่ตรงกับ Light Frame ชั่วคราว ก็ยังนำมา Calibrate Light Frame ได้
อีกเรื่องหนึ่งคือ ตอนที่ผมศึกษาเรื่อง Calibration Frame ในช่วงแรก ๆ ก็เคยเจอปัญหาจาก Dark Frame มาแล้ว หลังจาก Calibrate, Alignment และ Stacking แล้วพบว่าการ Calibrate Flat Frame มากเกินไปหรือน้อยเกินไป จึงทำ Master Flat ใหม่ทั้งหมด สุดท้ายถึงรู้ว่าปัญหาอยู่ที่ Dark Frame
บทเรียนคลาสสิก: Bias Frame เสีย ทำให้ Stacking ล้มเหลวทั้งชุด
สุดท้ายขอเล่ากรณีที่ผมประทับใจมากที่สุดสักเรื่อง มีชุดข้อมูลหนึ่งที่ Stacking ล้มเหลวโดยตรง (ใน PixInsight) หรือได้ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้อง (ใน Astro Pixel Processor) เมื่อสืบหาสาเหตุ ตัวการคือ Bias Frame ถ่ายเสีย
นี่ก็เป็นครั้งแรกที่ผมเจอสถานการณ์ที่ Bias Frame ถ่ายเสียจนทำให้ Stacking ทั้งชุดล้มเหลว จึงขอย้ำอีกครั้งว่า กล้อง CMOS ระบบหล่อเย็น ให้ใช้ Flat Dark Frame Calibrate Flat Frame อย่าใช้ Bias Frame ส่วน Flat Frame ที่ไม่ผ่าน Calibration โดยพื้นฐานแล้วก็ถ่ายไปเปล่า ๆ มีแต่จะทำให้ภาพหลัง Calibration มีปัญหาเพิ่มขึ้น ถ่าย Calibration Frame ให้ถูกต้องก่อน เรื่องต่อไปถึงจะพูดคุยกันได้
