ダーク、フラット、バイアス：実際に何を直しているのか

天体写真のチュートリアルはどれも、ダーク、フラット、バイアスを撮れと言います。それぞれが何を取り除くのかを教えてくれるものはほとんどなく、結果として大半の人は迷信で三つ全部撮るか、混乱して三つ全部飛ばすかです。どちらも間違いで、しかも同じ程度の間違いではありません――三つのうち一つは他の二つよりはるかに重要で、それは初心者が普通に最初に手をつけるものではありません。

各フレームが実際に何をしているのか、説明します。

センサーは三通りに嘘をつく

カメラのセンサーは、当たった光を報告しません。当たった光に一連の誤差を足したものを報告し、各キャリブレーションフレームはその特定の一つを狙います。

熱を加える。 各ピクセルは真っ暗でも熱エネルギーから電荷を蓄積し、その速度はおよそ 6〜7 °C ごとに倍になります。300 秒露光では、空とは無関係の本物の信号にまで積み上がります。さらに悪いことに速度はピクセルごとに違い――隣より格段に熱いピクセルがあり、あの色付きの粒はそこから来ます。

周辺減光し、ホコリを集める。 光学系は画面の隅より中央に多くの光を届け、たいてい 20〜40 % 差があります。センサー窓やフィルターのホコリは、柔らかい灰色のドーナツを落とします。どちらも空にはないが、どちらもすべてのフレームにあります。

オフセットがある。 ノイズがゼロで切られないよう、カメラはすべての読み値に固定の下駄を加えます。この下駄も完全に均一ではなく、淡いパターンを含みます。

ダークは一つ目を直す。フラットは二つ目。バイアスは三つ目。

重要なのはフラット

一種類しかキャリブレーションフレームを撮らないなら、フラットを撮ってください。これは大半の人がやることの逆で、初心者が得られる最大の単一の品質向上です。

理由は、周辺減光とホコリの影が 乗算的で大きい から。隅の 30 % の落ち込みは隅を暗くするだけでなく、ストレッチを生き延び、ストレッチがそれを増幅します。淡い星雲を背景から引き出すとき周辺減光も引き出され、画面中央に明るい塊ができて、どんな勾配除去も完全には直せません。ホコリのドーナツも同じで、淡い信号を見ようとしているまさにその場所に、柔らかい暗い輪として現れます。

対照的にダークが扱うのは、スタッキングがすでに部分的に処理しているものです。十分な枚数を平均すれば、ランダムな熱ノイズは枚数の平方根で落ちます。ホットピクセルは平均で消えませんが、統計的に対処できます。これはあとで戻ります。

フラットは撮るのも一番簡単で、晴天時間を一番食いません。暗闇は要りません。望遠鏡を均一に照らされた面に向け――薄明の空、ランプを後ろに置いた開口部にかぶせた白い T シャツ、白画面を表示したタブレット――ヒストグラムがフルスケールの 3 分の 1 から半分あたりに来るよう露出します。20〜30 枚で十分です。

決定的なルール：フラットはライトと同じピント、同じ回転、同じ光学構成で撮ること。 ピントを合わせ直したりカメラを回したりすると、ホコリはフレームに対して動き、フラットは無用より悪い――間違った場所にドーナツを刻印します。セッションの終わり、何も触る前に撮ってください。

ダーク：有用だが、短時間露光では過大評価

ダークはシャッターを閉じた露光で、ライトと同じ時間、温度、ゲインで撮ります。これを引くと、平均的な熱信号と、どのピクセルが他より熱いかという固定パターンの両方が取り除かれます。

ダークが本当に価値を持つ二つの条件：

• 長時間露光。 300 秒では熱の寄与は相当です。10 秒――Seestar や Dwarf が撮る長さ――ではしばしば読み出しノイズを下回り、引いてもほとんど得るものがありません。
• 冷却カメラ。 ダークは温度が一致してこそ働きます。−10 °C の専用天体カメラは、何か月も使い回せる再現性のあるダークを作ります。夜の始めに 18 °C で終わりに 4 °C だったデジタル一眼はそうではなく――終わりに撮ったダークは始めに撮ったフレームを表しません。

この最後の点が人をつまずかせます。非冷却の一眼のダーク電流は、カメラが冷えるにつれ夜の間に変わります。不一致のダークを引くとノイズが減るどころか増えることがあります。ノイジーなフレームを別のノイジーなフレームから引いていて、熱信号すらきちんと打ち消されないからです。

非冷却カメラで短いサブを撮っているなら、ダークを飛ばすのはまったく合理的です。怠けているのではなく、あなたのデータにきれいに当てはまらない補正を辞退しているのです。

バイアス：たいてい無視してよいもの

バイアスフレームは、シャッターを閉じてカメラが撮れる最短の露光です。電子的オフセットだけを捉え、他は何も捉えません。

バイアスが重要なのはダークをスケーリングするとき――別の露光時間で撮ったライブラリのダークを数学的に調整するときです。それには固定オフセットを時間依存の熱信号から分離する必要があり、それを与えるのがバイアスです。

ライトと同じ長さで一致したダークを撮るなら、バイアスはすでにダークの中にあり、ダークを引けばバイアスも一緒に引かれます。バイアスを別に撮っても何も足しません。

バイアスは安価です――100 枚でも 1 分かかりません――だから持っておくことに強い反対理由はありません。でも寒空の下で撮るべきか迷っているなら、飛ばすのはこれです。

ホットピクセルは？

ここで標準的なアドバイスが静かに破綻します。ダークが取り除くのは、センサーが 予測可能に 生むホットピクセルです。ランダムに一枚に落ちる宇宙線のヒットは取り除けず、ダークを一度も撮らない非常に多くの人には何もしてくれません。

ホットピクセルを真剣に受け取るべきなのは、スタッキングが取り除かないからです。(1204, 883) にホットピクセルがある 90 枚を平均すると、(1204, 883) にホットピクセルがあるスタックができます。そしてレジストレーションがフレーム間で視野を回転させ、その静止した欠陥を短い色付きの筋に塗り広げます――それこそ、他は良い画像を素人っぽく見せるアーティファクトです。

代わりに統計的に見つけることができます。コツは欠陥と星を区別すること。どちらも小さくて明るいからです。判別基準は 星は 1 ピクセルではない こと。光学系は点光源を複数ピクセルに広げるので、本物の星には明るい隣人がいます。ホットピクセルは孤立しています。各ピクセルを周囲 8 ピクセルの中央値と比べ、その隣人同士がどれだけ食い違うかで閾値をスケールします――平坦な空のホットピクセル周辺では隣人は密に一致し、星の中心周辺では隣人は星自身の肩で大きく変動します。この区別が、一方を除き他方を残すことを可能にします。

Akastroid は、ダークを撮ったかどうかにかかわらず、レジストレーション前にすべてのフレームでこれを自動で行います。意図的に保守的です――8 シグマ――コストが非対称だからです。見逃したホットピクセルは点。除かれた星の中心は、何によっても回復できないデータです。

実用的な答え

時間が限られ、手が冷たいなら：

1. 常にフラットを撮る。 セッションの終わりに、ピントを触る前に 20〜30 枚。これが最大の単一の勝利。
2. カメラが冷却か、サブが長いならダークを撮る。 温度、ゲイン、時間を一致させる。20 枚が妥当な数。
3. ダークライブラリを作るならバイアスを撮る。 それ以外は任意。
4. 晴れた夜をキャリブレーションで失わない。 ライトが代えのきかない部分。フラットは夜明けに、ダークは室内でレンズキャップをして撮れる。

そしてキャリブレーションフレームが一枚もなくても、とにかく処理してください。勾配を除きホットピクセルを掃除した未キャリブレーションのライトのスタックは、本物の写真です。集めなかったデータの完璧なキャリブレーションは、写真ではありません。