疊合彗星的最佳流程探究 Research on best method for comet stacking

updated 2021/05/06

*本篇範例的拍攝過程請參考在大河裡 // Helix Nebula and Comet C/2013 X1
*彗星攝影與使用 DeepSkyStacker 進行彗星疊圖的軟體操作請參考從小觀音山升起的LoveJoy

Helix Nebula and Comet C/2013 X1(PanSTARRS) were rising ,  Jun 08, 2016 Yangmingshan, Taiwan. 

Pentax K5(Mod.),DA*200,LPS-D1, O-GPS1 Astrotracer 30sec x88 reprocessed DeepSkyStacker, Starnet++, FlatAidePro, Photoshop 

當使用天文軟體自動疊合彗星，並且要讓恆星與相對移動中的彗星同時凍結（一般稱作對齊恆星＋彗星的疊合），經常會遇到疊出來的影像會有殘影、失去細節與顏色等等的影像缺陷，尤其是當有深空天體同時在構圖裡的情況。如果要避免或減輕這些影像缺陷，就要分解疊合的步驟，並從中釐清軟體在自動疊合時可能產生問題的地方。
本篇使用 DeepSkyStacker (以下簡稱DSS) 為疊合工具。

首先來看理論上同時對齊恆星與彗星的影像疊合步驟，也是使用者在DSS選擇該模式進行全自動疊合時程式所處理的程序。
恆星+彗星疊合步驟：

① 對齊恆星疊合，比對每張對齊後的影像在疊合時將移動的元素（彗星）清除。
② 對齊彗星疊合，比對每張對齊後的影像在疊合時將移動的元素（恆星與其他深空天體、分子雲等）清除。
③ 混合以上兩個步驟得到的影像。

如果是理想狀態在按下疊合鈕之後，使用者便可以等待DSS處理出一張完美的彗星與恆星、天體同時清晰的影像。

但往往事與願違，我們經常會看見影像中有殘影、刷痕或天體失去細節與顏色等影像缺陷，尤其是當疊合數十張上百張、拍攝的時間跨度有數十分鐘以上時情況更為明顯。大概的原因可推測如下 ：

在步驟 ① 中，當對齊恆星之後若彗星在每張間的移動距離不多，在二張以上的影像的同一pixel中有重覆出現屬於彗星的值部分，便有可能無法被演算法譬如中位數或k-sigma reject（剔除），因此在疊合完成後會留下彗星的殘影。

在第 ② 步驟也是會產生同樣的問題，當對齊彗星後，若深空天體、恆星移動的距離不夠大，有重疊的部分有可能留下形成殘影，星點與天體拖出軌跡刷痕。此外，若單張的彗星相當模糊，彗髮不明顯，或因為訊噪比不足，有可能在運算過程被reject掉，疊圖後將只留下明亮的彗心，失去周圍大部份彗髮的顏色。



以下以DSS的 恆星加彗星 疊法疊合:

這張疊合設定參數如下（目前個人試過較OK的設定）：
RAW設定為：使用相機白平衡
天體疊合：kappa sigma。
背景校正：三色一起校正。
冷像元與熱像元偵測皆關閉。（據其他使用者報告使用熱像元校正曾導致星點出現奇怪暈影）
疊合後飽和度通常約需加12%~14%，視實際情況調整。然後記得按「套用」，並套用修改儲存為16bit 檔案。（若要儲存為32bit，務必確認你的影像編輯軟體可以完全相容，正確讀取檔案，我遇過可以讀32bit autosave檔可是資料卻失真的軟體情況）

乍看之下疊的還可以，但放大之後就可以看出裡面影像的缺陷。螺旋星雲顏色黯淡並失去邊緣細節，彗星彗髮顏色完全消失並有奇怪殘影。簡而言之，就是想一次什麼都做好結果顧此失彼。如果我們將其與之後提到的最佳流程疊法比較差異就會更明顯。


間隔分群批次疊合法 group stacking —— 在足夠間隔時間下可減輕疊合的星點軌跡殘影（刷痕）


這個方法的效果視情況而不同，但如果想要彗星疊合自動化而減少做手動修飾的程序時，值得一試，對某些影像的改善會很明顯。

此方式的理論基於讓前後兩張影像中的天體移動的距離加大，讓程式在前述進行彗星＋恆星對齊疊法時，在分別對齊恆星或彗星的步驟時能更容易、有效地判別出那些移動的元素而將其清除乾淨。

(1)分成4群，間隔三個檔案共90秒（4 groups, interval 90sec)

步驟說明如下：在DSS中將所有要疊合的影像檔載入後，依檔案名稱（拍攝時間）間隔分成數群，這裡分成 ⓐ ⓑ ⓒ ⓓ四個群組分別儲存清單。

IMG0001.DNG ——ⓐ
IMG0002.DNG ——ⓑ
IMG0003.DNG ——ⓒ
IMG0004.DNG ——ⓓ
IMG0005.DNG ——ⓐ
IMG0006.DNG ——ⓑ
IMG0007.DNG ——ⓒ
IMG0008.DNG ——ⓓ
IMG0009.DNG ——ⓐ
IMG0010.DNG ——ⓑ
......................
下圖將檔案以間隔順序分組，儲存為四個檔案清單。

接著執行批次疊合，載入剛才儲存的四個檔案清單，按下OK後DSS便會依序疊合所有選擇的清單，在疊合好一個清單後會直接儲存autosave檔然後接著疊合下一個清單。

在完成批次疊合後，再載入疊合好的四個自動儲存的檔案將它們疊合即完成。

比較間隔分群與一般疊合法的差異。可能因為本例單張曝光時間短，分成4群時間間隔不大，僅有些微效果，但未完全消除，注意彗星左側的那條並非彗尾，而是未清乾淨的殘影，同時彗髮的顏色仍然無法還原。


(2)分成8群，間隔210秒 (8 groups, interval 210sec) ✅

接著嘗試把間隔加大，分成8群，也就是在同一群裡的所取的影像彼此皆間隔7個影像檔案即間隔共 210秒，同樣使用DSS恆星加彗星疊合，設定同前，八群疊完後再將八個autosave檔疊合，同樣設定，除了僅需對恆星疊圖即可（因分群疊合時的對齊基準影像已一致）。

再與所有檔案一起疊合的影像比較，這次很明顯的可以看出 星點造成的軌跡痕幾乎完全消失，僅剩亮星有模糊的殘影。彗星左側的殘影中的假核拖線也消失了。（另一個間隔分群效果明顯的例子請參考46P與加州星雲、昴星團。）

*注意：最佳的間隔時間會因拍攝焦距與彗星的視速度而不同。

不過螺旋星雲卻有明顯的殘影（畢竟天體的面積很大，即使間隔加大仍不足夠在兩張對齊彗星的影像中完全分離星雲），同時，彗星的彗髮仍失去了顏色。星點刷痕的問題解決了，但天體與彗星的部分仍有待改進 。
也許在某些情況，譬如影像中除彗星以外無深空天體及單張彗星彗髮即很明顯時，間隔分群疊合即可很好的完成工作，所以值得先嘗試。

在設定中勾選2x Drizzle ——疊合會改善天體細節但會影響彗星疊合可能失敗

在 恆星+彗星 的疊合中（所有檔案一起疊合時）使用 2x Drizzle 可以改善部分天體的細節，在某些情況中亦可改善部份星點的殘影。但是這種方式會造成無法預料的彗星處理結果，如本例僅留下其殘影，假核部分卻完全被剔除，如果要使用這種方式，需要另外疊合彗星再與本圖混合。

最佳的彗星疊合處理流程試探  ✅research on best method - a solution

目前個人測試後最佳的處理方式，原理仍是與最前面提到的彗星＋恆星疊合的三個步驟相同，但是不讓DSS全自動處理，而是採取以下流程（注意， 因為最後要將所有影像混合，所以以下疊合處理用來對齊的基準影像都需選擇同一個影像）：

(1)使用DSS對齊恆星疊合（即標準疊合模式，設定參數則同最前面），得到恆星與深空天體清楚的影像（但彗星拖出星跡）。

(2)利用Starnet++或FAP 將疊合後的影像進行恆星與背景分離，分離出純星點影像，以及待清除彗星軌跡的無星化(starless) 背景影像（若單純使用starnet++僅會得到去星點影像，可利用FAP或Photoshop用原圖減去無星影像將星點分離出來）。
（若有需要）將純星點影像進行追蹤誤差校正（拖線校正），本例使用FAP修正星點，得到優化後的純星點影像① 。(stars image)

優化的純星點 影像。也可轉成星點遮罩使用 （有時轉用遮罩來處理星點效果比較好，本例校正追蹤誤差與縮星點即使用遮罩）。


(3)將分離出來的背景影像先利用諸如 FlatAidePro這類工具進行背景校正（去除偏向、不均勻的光害），然後再使用photoshop修飾筆刷清除彗星殘跡，得到無星化且無彗星的帶深空天體背景影像②。(background+nebura image)

(4)使用DSS對齊彗星疊合， 疊合設定中的天體設為“平均”，得到恆星與天體拖出星跡但彗星清楚的影像。

接著使用Photoshop 修飾筆刷將彗星及其附近的星跡清除乾淨，得到一張彗星清晰的影像③。(comet image)

(5)利用Photoshop 的圖層將①、②、③張圖混合（其中③以遮罩取彗星與其周遭已去星跡範圍），完成彗星與恆星、深空天體皆清晰的疊圖。

背景校正

因為原始圖拍攝時是在極低仰角的環境，所以受到了低仰角的光害影響，且在隨著時間的進行彗星與恆星持續上升後，構圖中的光害在疊圖後會出現層次，在圖中顯示出波紋狀。

1.利用ImageJ 提取出波紋背景，殘餘沒清乾淨的天體到Photoshop再用筆刷修復工具清除即可。

2.在Photoshop中減去背景（先清除殘餘天體），並利用中灰微微拉亮背景亮度（變亮混合）。

當你不想把背景完全減除（會變全黑），因此留下部分背景時也留下了些紋路，使用中灰來變亮的方式可以減少、抹平不均勻。

3.完成

PS.若要避免或降低這種低仰角光害在疊圖後造成的無法有效校正的背景，最好的方式是在一開始就先分別校正每張的平場與偏向光害（請參考FlatAidePro的批次校正影像）， 甚至一併將彗星與其周圍的星點就先修除，然後再以校正好的影像進行疊圖

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測試

2.在製作彗星影像檔③時，也可嘗試使用間隔分群法，這裡分成8群，對齊彗星疊合（基準影像選擇一致），天體影像項目設為“kappa sigma”。
Or do group stacking to get the comet image③

疊合完成後接著再載入8個autosave檔，以 “不對齊星點” 、“平均”的設定來疊合。得到星點清除乾淨的彗星影像檔。

這裡一開始分成八群、天體影像設為“kappa sigma” 讓來疊合，然後再以“平均”疊合八個自動儲存檔的方法，星點清除得頗為乾淨，彗髮顏色也回來了些，但似乎仍是完全以平均法不剔除星點的方式能得到還原度最高的彗星或者說損失最少（見下圖）。

PS
1.  綜合以上的實驗會發現，在彗星疊合的過程中有兩個程序是互相衝突的，第一，如果要使用 彗星+恆星 模式疊合，那麼除了利用分群法疊合以外，還要使用Sigma的剔除演算法，才能避免恆星殘影留下軌跡。但若使用Sigma rejection演算，彗星的彗髮經常會因此被剔除而不全。
所以即使要使用最快的處理法，即 彗星+恆星 疊合，最好的方式仍然是分群疊合＋Sigma演算剔除，然後再另外疊合彗星來混合回復損傷的彗星。