Színhelyes CCD-kép készítés

 

A színhelyesség problémája

Az emberi szem színérzékelése a szem-agy rendszer összetett, nemlineáris működésének eredménye. Még normál körülmények között is az egyes emberek valamelyest különbözőképpen látják a színeket. Mindemellett, mivel a szem vörös, zöld és kék receptorainak különböző az érzékküszöbük, a színérzékelés a megvilágítottságtól is nagyban függ. A legtöbb csillagászati objektum megfigyelése esetén a rendkívül alacsony megvilágítottság miatt az emberi szem szinte egyáltalán nem lát színeket. Ennek következtében a mély ég objektumoknak a Földön, nappali fénynél megszokott látványhoz hasonló megjelenése szokatlan számunkra. Noha egyes objektumok valóban színesek, mi nem látjuk ezeket színekkel telieknek.

A mély ég objektumok színeinek "észleléséhez" színes fotó emulzióra készített, hosszú expozíciójú fotókra vagy színszűrőkön keresztül integrált CCD-felvételekből összekombinált képekre van szükségünk. Ez utóbbi módszer, mivel a felvételek szokványos személyi számítógépeken is feldolgozhatók, az utóbbi években rendkívül népszerüvé vált. Mindazonáltal, a hagyományos színes kép készítés régi problémája ugyanúgy felmerül, nevezetesen: a vörös, zöld és kék felvételek milyen arányú kombinációja produkálja a legpontosabb színeket?

RGB szűrő rendszer A hagyományos RGB (vörös, zöld, kék) szűrőkészlet a fényt megközelítőleg a szem színérzékenységének megfelelő három hullámhossz tartományra osztja. Ezek általában: 6000-7000 angström a vörös, 5000-6000 angström a  zöld és 4000-5000 angström a kék színeket jelentik. Az ilyen szűrőrendszer nagyon jól működik a folytonos színképű napfény által megvilágított témák esetén. Azonban a csillagászati felvételek készítése során a földi témáknál ritkán előforduló kihívásokkal találjuk szembe magunkat. A fényforrások elsődlegesen diszkrét színképvonalakból állnak. Valóban, a csillagászati felvételek legizgalmasabb célpontjait jelentő emissziós és planetáris ködök fényének nagyobb része néhány színképvonalra koncentrálódik.

Amennyiben az RGB szűrőrendszer "áteresztő ablakai" nem érnek össze, fontos színképvonalak veszhetnek el a köztük lévő résekben. Egy figyelemre méltó példa a csillagászatban jelentőséggel bíró, a kétszeresen ionizált oxigén (OII) 5007 angströmös vonala, ami az RGB szűrőrendszer kék és zöld szűrői közötti, alig fedett osztásba esik.

A fenti problémára a CMY (encián, bíbor, sárga) szűrőrendszer kínál megoldást, mivel e rendszer tagjainak áteresztő ablakai éppen az RGB rendszer áteresztő ablakaiból képzett párokból állanak. Ezek az áteresztő ablakok lényegesen nagyobb mértékben fednek össze mint az RGB rendszer esetében. Az encián szűrő például átereszti az RGB rendszer kék és zöld szűrője által átengedett hullámhosszokat. A bíbor a kék és vörös, míg a sárga pedig a zöld és vörös sávokat.

CMY szűrő rendszer

Mivel a CMY szűrőrendszer minden egyes tagja az RGB szűrőkénél nagyobb szeletét engedi át a színképnek, azaz tőbb fényt bocsájt át, így az RGB rendszer tagjainál alkalmazottnál lényegesen rövidebb integrációs időket tesz lehetővé. Mindemellett az OII vonal közel esik az encián szűrő áteresztési csúcsához, ami nagy jelentőséggel bír a helyes színábrázolás szempontjából!

Felmerül az az alapkérdés, hogy mikor tekinthető egy színes kép színhelyesnek? A továbbiakban fogadjuk el azt a meghatározást, hogy a helyes színreprodukció azt a látványt tüktözi, amit az emberi szem akkor látna, ha az égi objektumról érkező fény minden színére egyformán lenne érzékeny. Mindemellett szükséges az égi háttér fényszennyezés okozta csúnya zöldes vagy barnás színének eltüntetése is. Persza az "amit akkor látnák, ha" megközelítés elég nyilvánvalónak hangzik, mi a "színhelyes" kifejezés eléggé megfoghatatlan.

A fentiek alapjánl négy tématört kell körbejárnunk:.

Elméletileg a két színrendszer között egyszerű kapcsolat áll fenn. Mivel a CMY rendszer szűröi elzárják az RGB rendszer egyes szűrőinek áteresztő szeleteit, a CMY szűrőket kivonó szűröknek nevezik. Az encián a vöröset blokkolja, a bíbor a zöldet, míg a sárga a kéket. A gyakorlatban persze az egyes színsávokban a kapcsolat összetettebb. Például, a vörös szűrő által átengedett fény tartománya nem pontosan azonos a CMY redszer encián szűrője által elfedett hullámhosszokkal.

Az amatőrcsillagászok által használt CCD csipek általában a vörös tartományban érzékenyebbek mint a kékben vagy a zöldben. A színek összekombinálásakor a pontos reprodukciója érdekében az egyes szűrőkön keresztül készített képeket megfelelő módon súlyozni szükséges.

A földi légkör nem egyenletesen engedi át az RGB egyes hullámhosszait. A 4000-7000 angströmös hullámhossz tartomány közel egyenletesen esik be a zenitben, ám amint közelítünk a látóhatár felé, a kék fények jobban tompulnak, mint a vörösek, míg a zöldek a kettő közötti mértékben nyelődnek el. A színek helyes reprodukálása során ezt a faktort is figyelembe kell venni!

Az észlelőhelytől függően, az éjszakai égbolt fénye torzítja a rajta keresztül látható objektumok színeit. Fényszennyezett környezetben a helyes színreprodukálás szempontjábol ez a legjelentősebb befolyásoló tényező. Városok közelében az ég színe gyakran piszkos-zöldeskék vagy sárgás. Még a sötét hegytetőn is az égbolt egy vöröses árnyalatot ad az objektumok színéhez.

A kérdéskörökre kapott válaszok egyben módszert is adnak a képek készítésére, integrációs idők meghatározására illetve bizonyos feldolgozási lépésekre vonatkozóan.

 

A CMY-beli színinformációk RGB-be való konveriója

A fentebbi, a szűrőrendszerek áteresztési görbéit mutató ábrákból is egyszerűen leszűrhető, hogy a két szűrőrendszer használatával nyert "színinformációk" közötti lineáris összefüggést az alábbi mátrix írja le:

encián (C) bíbor (M) sárga (Y)
vörös (R) -1 +1 +1
zöld (G) +1 -1 +1
kék (B) +1 +1 -1
azaz
vörös (R) = sárga (Y) + bíbor (M) - encián (C)
zöld (G) = sárga (Y) + encián (C) - bíbor (M)
kék (B) = encián (C) + bíbor (M) - sárga (Y)

 

A CCDk spektrális érzékenysége

A csillagászati képek készítésére használt CCD csipek érzékenysége a különbözö színekre általában eltér az emberi szem színérzékenységétől.

Napszerü csillagok

Név Koordináták (2000.0) Mag.
R.A. Dec.
SAO 128690 0h18m42s -8°03.2' 6.5
9 Cet 0h22m52s -12°12.6' 6.4
SAO 37434 1h41m48s +42°36.8' 5.0
SAO 110202 1h53m20s +0°23.2' 9.7
SAO 130415 3h19m02s -2°50.6' 7.1
SAO 93936 4h26m40s +16°44.8' 8.1
SAO 171711 6h24m44s -28°46.8' 6.4
SAO 136389 8h54m18s -5°26.1' 6.0
20 LMi 10h01m01s +31°55.4' 5.4
Xi UMa B 11h18m11s +31°31.8' 4.8
SAO 139464 13h38m42s -1°14.2' 10.0
SAO 121093 15h37m18s -0°09.8' 8.4
SAO 121152 15h44m02s +2°30.9' 5.9
39 Ser 15h53m12s +13°11.8' 6.1
SAO 159706 16h07m03s -14°04.3' 6.3
18 Sco 16h15m37s -8°22.2' 5.5
16 Cyg A 19h41m49s +50°31.5' 6.0
16 Cyg B 19h41m52s +50°31.0' 6.2
SAO 126133 20h43m12s +0°26.2' 10.0
SAO 127005 21h42m27s +0°26.4' 9.1
SAO 128034 23h12m39s +2°41.2' 7.7
A színhelyes képek készítésének egyik alapfeladata az egyes szűrökkel készített képek megfelelő súlyozása. Elméletben a használni kívánt CCD csip spektrálérzékenységét leíró görbe valamint az egyes szűrők áteresztési görbéjének együthatásával előálló "színérzékenységi görbék" integrálja modana valamit a "keverési arányokról". A gyakorlatban azonban a következő módszert érdemes alkalmazni:

A jobb oldalon látható táblázat 21 darab, az égen egyenletesen eloszló, a Nap színképéhez közeli, fényes csillag koordinátáit tünteti fel. Ezeket a minden népszerű papír alapú vagy elektromos csillagtérképen könnyen beazonosítható csillagokat használhatjuk szín-kalibrálásra. Egy színhelyes képen ezeket a csillagokat fehérként kell viszontlátnunk!

Színkalibrálás

Szokásos berendezések mellet, ha a szűretlen felvételen egy Nap színképü csillag 100 egységnyi (*) értéket produkál, akkor a vörös szürő mellet általában 40, míg a zöld 30 a kék mellet pedig20 értéket kapunk. Figyeljük meg, hogy az utóbbi számok, amiket a szűrők áteresztésének és a CCD csip érzékenységének "együtthatása" eredményez nem adják ki a 100 értéket. A megfelelő encián, bíbor, sárga értékek 40, 50 illetve 70. Természetesen egy konkrét CCD csip - szűrőrendszer esetén ezek az értékek ettől eltérőek lehetnek, fontos, hogy minél pontosabban legyenek meghatározva.

Ezek után a szűrőkhöz súlyokat rendelhetünk. A  vörös súlya  100/40 avagy  2.50 a zöldé 100/30 azaz 3.33 a kéké pedig 100/20 vagyis 5.00. Ez azt jelenti, hogy amennyiben ezeken a szűrőkön keresztül egyenlő expozíciós időkkel készítettünk felvételeket, akkor annak érdekében, hogy a Nap színképű csillagok fehérként jelenjenek meg a képek pixelértékeit 2.50, 3.33 illetve 5.00-tel kell megszoroznunk.

Az encián, bíbor, sárga szűrők és a vörös, zöld és kék szűrők áteresztett fénymennyiségei között a fent leírt összefüggés áll fenn, így a megfelelő encián, bíbor, sárga súlyok (a legkisebb sárgára normálva) 1.56, 1.28 illetve 1.00.

(*) Itt csak virtuális, értelemszerűen a kép redukálása utáni érték!

Mint ismeretes,  a légkör a különböző színű fényt különböző mértékben nyeli el illetve engedi át. A precíz színkezelés megkívánja, hogy ezt az effektust is korrigáljuk. A mellékelt táblázat a vörös, zöld és kék szűrőkre vonatkozó integrációs idő illetve pixelérték szorzótényezőket tartalmazza.

Végezetül ne feledkezzünk meg az égi háttér szerinti korrekcióról. Mivel az egyes szűrőkön keresztül készült képek háttér szintjei különböznek (ebből adódik a hagyományos fényképekről ismerős barnás, néha zöldes háttér), a képpont értékek eltolásával, azonos háttér érték beállításával fekete vagy legalábbis sötétszürke árnyalatú hátteret érhetünk el.

Fényelnyelés szerinti korrekció

Magasság Légtömeg Elnyelési faktor
vörös zöld kék
90° 1.000 1.000 1.000 1.000
80° 1.015 1.001 1.002 1.003
70° 1.064 1.005 1.010 1.014
60° 1.115 1.013 1.025 1.035
55° 1.221 1.018 1.036 1.050
50° 1.305 1.025 1.050 1.070
45° 1.414 1.034 1.068 1.097
40° 1.556 1.046 1.092 1.132
35° 1.743 1.063 1.125 1.180
30° 2.000 1.085 1.172 1.249
25° 2.366 1.118 1.242 1.356
20° 2.924 1.170 1.356 1.535
15° 3.864 1.263 1.574 1.892

(*) A  cikk Al Kally, Richard Berry, Ed Grafton és Chuck Shaw által jegyzett a Sky & Telescope 1998 decemberi számában megjelent íráson alapul.