Görüntü birleştirme ve işleme

Kanca

Kırk karelik bir gecenin tam ortasında bir uydu, karelerden birinin üzerinden parlak bir çizgi çekerek geçti. İlk tepki hayal kırıklığı: iki saatlik çalışma bir uydu yüzünden mi bozuldu?

Ücretsiz görüntü işleme yazılımı Siril'in belgelerinde bu sorunun cevabını gösteren bir örnek var: birleştirme sırasında atılan pikselleri gösteren bir harita. Haritada uydunun izi açıkça görülüyor; o iz, son görüntüye hiç girmeden ayıklanmış. Bu derste, onlarca ham karenin tek bir temiz fotoğrafa nasıl dönüştüğünü adım adım izleyeceğiz.

Merkezi soru

Kalibre edilmiş kareler nasıl hizalanır ve birleştirilir, birleştirme sırasında uydu izleri ve bozuk pikseller nasıl atılır ve ortaya çıkan görüntü hangi sırayla temizlenip gerilir?

Anlatım

İşlemenin sırası

Derin uzay fotoğrafçılığı dersinde bir gecenin sonunda elinde kalan kareleri tanıdık: ışık kareleri, karanlık kareler, düz alan kareleri ve sapma kareleri. Bu derste, Siril'in belgelerinin izlediği sırayla, bu karelerden bir görüntüye giden yolu açıyoruz.

Sıra önemlidir. Önce kareler kalibre edilir, sonra hizalanır, sonra birleştirilir. Birleştirilmiş görüntüden gökyüzünün istenmeyen eğimi çıkarılır ve renkleri dengelenir. En son germe yapılır. Birazdan göreceğimiz gibi, bu adımların bazıları yanlış sırayla yapılırsa sonuç bozulur.

Hizalama: yıldızları üst üste getirmek

Takip ne kadar iyi olursa olsun, ardışık iki karede aynı yıldız birkaç piksel ötede durabilir; hele birden fazla gecede çekilmiş karelerde çerçeve hiçbir zaman tam aynı olmaz. Siril'in belgeleri hizalamayı (registration), bir dizideki görüntüleri sonradan işlenebilecek biçimde hizalama süreci olarak tanımlar.

Belgelere göre hizalama aslında üç adımlı bir süreçtir. Önce bütün görüntülerde eşleştirilecek özellikler, yani yıldızlar bulunur. Sonra her görüntü ile referans görüntü arasındaki dönüşüm hesaplanır: ne kadar kaydığı, ne kadar döndüğü. Son olarak bu dönüşüm her görüntüye uygulanır ve bütün kareler referans kareyle aynı yere oturur.

Yıldızlar burada bir parmak izi gibi çalışır. Görüntüdeki yıldızların birbirine göre konumlarından oluşan desen, karenin hangi yöne kaydığını ya da döndüğünü tek anlamlı biçimde gösterir.

Birleştirme: ortalama mı, toplam mı?

Hizalanmış kareler piksel piksel birleştirilir. Siril'in belgeleri birkaç yöntemi anlatır. En basiti toplamadır: her pikselin değerleri toplanır. Belgelere göre bu yöntemde sinyal-gürültü oranı birleştirilen görüntü sayısının kareköküyle artar. Ama toplama normalleştirme ve aykırı değer atma içermediği için belgeler onu yalnızca gezegen görüntülerinin işlenmesinde öneriyor.

Derin uzay görüntüleri için belgelerin önerdiği yöntem, aykırı değerleri atarak ortalama almaktır. Bu yöntem, bir yığındaki pikselleri, sapan pikselleri dışladıktan sonra ortalar ve isteğe bağlı olarak görüntüleri referans görüntüye göre normalleştirir. Sinyal-gürültü oranındaki artış yine görüntü sayısının kareköküyle orantılıdır. Kırk karenin birleşimi, yalnız başına duran bir kareye kıyasla kırkın karekökü, yani yaklaşık 6,3 kat daha iyi bir oran demektir.

Aykırı değerleri atmak

Sapan pikselleri nasıl buluruz? Siril'in belgelerine göre en yaygın yöntemlerden biri sigma kırpmadır (sigma clipping): ortanca değerden, sigma birimiyle verilen iki sınırdan daha uzak düşen pikselleri tekrar tekrar atan bir algoritma. Bir pikselin kırk karedeki değerleri çoğunlukla birbirine yakınsa ve yalnızca birinde çok parlaksa, o parlak değer bu sınırın dışında kalır ve atılır.

Belgeler, az sayıda görüntü için daha basit, çok sayıda görüntü için daha güçlü seçenekler de sıralar; hangisinin seçileceği karenin sayısına ve gürültünün türüne bağlıdır. Hepsinin ortak fikri aynı: çoğunluğun söylediğine güven, tek başına sapan değeri at.

Kanca'daki harita tam bunu gösterir. Siril, hangi pikselleri attığını bir atma haritası olarak kaydedebilir; belgelerdeki örnek haritada bir uydunun izi açıkça görülür ve son görüntüden silinmiştir.

Çözümlü hesap: bir uydu izi ne bırakır?

Kırk kare düşün. Belli bir pikselde gökyüzünün değeri her karede 50 birim olsun. Karelerden birinde o pikselin üzerinden bir uydu geçmiş ve değeri 1000 birime çıkmış.

Aykırı değer atmadan düz bir ortalama alırsan sonuç, 1000 artı otuz dokuz kere 50'nin kırka bölümü, yani yaklaşık 73,75 birim olur. Bu, gökyüzünden yaklaşık yüzde 47 daha parlak bir çizgi demektir; uydu izi son görüntüde soluk ama belirgin bir şerit olarak kalır.

Sigma kırpmayla ise 1000 birimlik değer öbür otuz dokuz değerden çok uzak olduğu için atılır ve ortalama yeniden 50 birim çıkar. Kırk değerin ortancası da 50'dir. Tek bir bozuk kare, fotoğrafı bozmak yerine sessizce ayıklanır.

Kareleri tartmak

Her kare eşit değerde değildir. Bazıları rüzgârlı bir anda, bazıları ince bir bulutun arkasından çekilmiştir. Siril'in belgelerine göre birleştirmede karelere istatistiksel bir ağırlık verilebilir; böylece en iyi kareler sonuca daha çok, en kötüleri daha az katkı yapar. Belgelerdeki ölçütler arasında karedeki yıldız sayısı, yıldız sayısıyla ağırlıklandırılmış yıldız genişliği ve arka plan gürültüsü var.

Bu, Ay ve gezegen çekimi dersindeki kare seçiminin daha yumuşak bir biçimidir: orada en kötü kareler tümden atılıyordu, burada her kare kalitesi oranında konuşur.

Arka planı düzeltmek

Birleştirilmiş görüntünün bir köşesi çoğu zaman öbür köşesinden daha aydınlıktır. Siril'in belgelerine göre gökyüzü arka planında çoğu zaman ışık kirliliğinden, Ay'dan ya da yalnızca kameranın yere göre yönünden kaynaklanan istenmeyen bir eğim bulunur. Arka plan çıkarma aracı bu eğimi modeller ve çıkarır; model pürüzsüz bir işlevi izlediği için bulutsular ve öteki gerçek sinyal korunur.

Belgeler iki yol sunar. Birinde arka plan görüntünün birçok noktasından örneklenir ve bu örneklerin arasından pürüzsüz bir yüzey geçirilir. Öbüründe örnek yerleştirilmez; yıldızlar ve bulutsular gibi yapılar tekrar tekrar ayıklandıktan sonra kalan her piksele doğrudan bir model oturtulur.

Renk: yıldızlara sormak

Bir fotoğrafın renkleri doğru mu? Siril'in fotometrik renk kalibrasyonu aracı bu soruyu yıldızlara sorar. Belgelere göre araç, görüntüdeki yıldızların rengini kataloglardaki renkleriyle karşılaştırarak en doğal rengi otomatik ve öznel olmayan bir yolla bulur.

Bunun için yazılımın görüntüdeki yıldızları katalogdaki yıldızlarla eşleştirebilmesi gerekir; yani görüntünün gökyüzündeki konumunu bilen bir astrometrik çözüm şarttır. Görüntü dosyalarının nasıl saklandığını anlatan derste tanıdığımız, bir pikseli gökyüzü koordinatına bağlayan dünya koordinat sistemi tam da bunu sağlar.

Burada sıranın neden önemli olduğu ortaya çıkar. Siril'in belgeleri açık bir uyarı içerir: fotometrik renk kalibrasyonu mutlaka histogramı henüz gerilmemiş, doğrusal bir görüntü üzerinde yapılmalıdır; aksi hâlde fotometrik ölçümler yanlış olur ve elde edilen renklerin doğruluğu güvence altında olmaz.

Germe: gözün gördüğü gibi

Siril'in belgelerine göre kameradan gelen piksel değerleri yaklaşık doğrusal bir yasa izler: yüzey parlaklığı bir yıldızın yarısı olan bir bulutsunun piksel değerleri de onunkinin yarısıdır. İnsan gözü ise ışığı böyle görmez; karanlık bölgeleri güçlendirir ve belgelerin örneğiyle, onda biri parlaklıktaki bir cismi yarısı kadar parlak görebilir.

Germe, bu algıya benzer bir dönüşümü görüntünün piksel değerlerine uygulamaktır. Belgeler, ekrandaki görüntüleme ayarlarının yalnızca bir gösterim hilesi olduğunu, germenin ise piksel değerlerini gerçekten değiştirdiğini vurgular. Siril'in bunun için üç ana aracı var; bunlardan biri, ters hiperbolik sinüs, yani asinh dönüşümüdür. Bu dönüşüm sönük bölgeleri güçlü biçimde aydınlatırken parlak yıldızları görece az değiştirir.

Germe geri dönüşü zor bir adımdır; bu yüzden en sona bırakılır. Önce kalibrasyon, hizalama, birleştirme, arka plan ve renk; en son germe.

Aslında…

Büyük resim

Görüntü işleme, astrofotoğrafçılığın ölçüm tarafıdır. Hizalama, birleştirme, aykırı değer atma, arka plan modelleme ve renk kalibrasyonu, profesyonel gökbilimcilerin veri işleme hatlarında kullandıkları yöntemlerin küçük birer kardeşidir. Veriyle astronomi modülünde bir yıldızın parlaklığını ölçerken ve bir ötegezegen ararken kullandığımız düşünceler burada da iş başındadır: çok ölçüm, dikkatli ayıklama, karekök kuralı.

Aynı zamanda estetik bir iştir. Germenin ne kadar güçlü, renklerin ne kadar doygun olacağı fotoğrafçının kararıdır. Ama bu kararların doğru sırayla ve doğrusal verinin bütünlüğü korunarak verilmesi, güzel bir fotoğrafı doğru bir fotoğraftan ayırır.

Özet

1. İşleme sırası: kalibrasyon, hizalama, birleştirme, arka plan çıkarma, renk kalibrasyonu ve en son germe. Hizalama yıldızları bulur, her karenin referans kareye göre dönüşümünü hesaplar ve uygular.
2. Birleştirmede sinyal-gürültü oranı kare sayısının kareköküyle artar; kırk kare yaklaşık 6,3 kat demektir. Sigma kırpma gibi aykırı değer atma yöntemleri uydu izlerini ve bozuk pikselleri ayıklar; kareler kalitelerine göre tartılabilir.
3. Arka plan çıkarma ışık kirliliğinin ve Ay'ın eğimini modelleyip siler. Fotometrik renk kalibrasyonu yıldızların rengini kataloglarla karşılaştırır ve gerilmemiş, doğrusal bir görüntüde yapılmalıdır; germe en son adımdır.

Görev

Quiz

1. Siril'in belgelerine göre hizalama hangi üç adımdan oluşur?
2. Toplama yöntemi neden yalnızca gezegen görüntüleri için önerilir?
3. Sigma kırpma bir uydu izini nasıl ayıklar?
4. Kırk karede bir pikselin değeri otuz dokuz karede 50, bir karede 1000 ise düz ortalama kaç olur ve sigma kırpma sonrası kaç olur?
5. Fotometrik renk kalibrasyonu neden germeden önce yapılmalıdır?

Cevaplar

1. Bütün görüntülerde eşleştirilecek yıldızları bulmak, her görüntü ile referans görüntü arasındaki dönüşümü hesaplamak ve bu dönüşümü uygulamak.
2. Çünkü normalleştirme ve aykırı değer atma içermez; derin uzay görüntülerinde uydu izleri ve bozuk pikseller sonuca karışır.
3. Pikselin kareler boyunca aldığı değerlerin ortancasından sigma cinsinden belirlenmiş sınırlardan daha uzak düşen değerleri tekrar tekrar atar; uydu izinin tek karedeki parlak değeri bu sınırın dışında kalır.
4. Düz ortalama yaklaşık 73,75 birim olur, yani gökyüzünden yaklaşık yüzde 47 parlak; sigma kırpma sonrası 1000 atılır ve ortalama 50 birime döner.
5. Çünkü fotometrik ölçümler doğrusal piksel değerleri gerektirir; gerilmiş bir görüntüde ölçümler yanlış olur ve renklerin doğruluğu güvence altında olmaz.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Bu atölyede gökyüzünü kaydetmek için telefonlardan kundaklara, yazılımlardan kalibrasyon karelerine kadar pek çok alet kullandık. Bir sonraki atölye ise tersini yapıyor: gökbilimin aletlerini evdeki malzemelerle kendin yapmak. İlki en eskilerden biri: bir çubuğun gölgesi. Güneş'in gökyüzündeki hareketini kullanarak, evde yapılmış bir güneş saatiyle zaman nasıl ölçülür?