Noise กับการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์

Share

สำหรับการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์นั้นดูเหมือนกับว่า Noise จะเป็นของคู่กันเลยก็ว่าได้ ซึ่ง Noise ก็คือ สัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นในภาพ ทำให้เห็นความไม่สม่ำเสมอของความสว่างและสี ซึ่งเกิดจากการถ่ายภาพด้วยความไวแสงสูงๆ  การใช้ระยะเวลาในการถ่ายภาพนานๆ หรืออุณหภูมิและขนาดของเซ็นเซอร์รับภาพอีกด้วย โดยที่กล่าวมานั้น ก็มักเป็นปัจจัยที่ก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนได้ทั้งสิ้น ในการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์ ไม่ว่าจะเป็นการถ่ายภาพดวงจันทร์ กลุ่มดาว ทางช้างเผือก กาแล็กซี เนบิวลา และอื่นๆ ก็มักจะเกิดปัญหา Noise ที่เกิดกับภาพเสมอ 

 

ตัวอย่างการเปรียบเทียบสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นเมื่อใช้ความไวแสงสูง ระหว่างกล้องถ่ายภาพแบบ Digital SLR ซึ่งมีขนาดพิกเซลที่ใหญ่ กับกล้องถ่ายภาพแบบ Compact Digital ที่มีขนาดพิกเซลที่เล็กกว่า

 

        แต่หากนักถ่ายภาพมีความเข้าใจเกี่ยวกับ Noise หรือสัญญาณรบกวนนี้แล้ว ก็จะสามารถนำเอาความเข้าใจเกี่ยวกับสาเหตุของการเกิด Noise ไปใช้ในการหาวิธีป้องกันหรือลดสัญญาณรบกวนได้ดีมากขึ้น ซึ่งก่อนที่เราจะมารู้จักเทคนิคและวิธีการลดสัญญาณรบกวน เราควรทำความเข้าใจเกี่ยวกับ Noise กันเสียก่อน

 

รูปแบบของสัญญาณรบกวน (TYPES OF NOISE)

        สัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นในภาพจากอุปกรณ์ถ่ายภาพแบบดิจิตอลนั้น มีด้วยกัน 3 รูปแบบหลักๆ โดยมีสาเหตุการเกิดที่แตกต่างกัน ดังนี้

 

ภาพตัวอย่างของรูปแบบสัญญาณรบกวน Random noise, Fixed pattern noise, Banding noise ที่ให้ผลที่ต่างกัน

 

        Random noise คือสัญญาณบกวนที่ไม่มีรูปแบบเฉพาะ เป็นรูปแบบของสัญญาณรบกวนที่เกิดได้ทุกช่วงการบันทึกภาพ และจะเกิดขึ้นมากกับการปรับความไวแสงสูง รูปแบบการเกิดสัญญาณรบกวนแบบ Random Noise จะเปลี่ยนไปกับภาพที่บันทึกในแต่ละภาพแม้ว่าจะใช้ค่าปรับตั้งเดียวกันบันทึกภาพ

        Fixed pattern noise คือสัญญาณรบกวนเฉพาะเป็นรูปแบบของสัญญาณที่รวมไปถึง Hot Pixel ด้วยและโดยทั่วไปแล้วสัญญาณรบกวนในรูปแบบนี้จะปรากฏกับภาพที่ใช้เวลานานในการบันทึกภาพ และหากยิ่งมีอุณหภูมิสูงก็จะยิ่งทำให้ปรากฏมากขึ้นด้วย ความต่างจากสัญญาณรบกวนในรูปแบบ Random Noise คือ สัญญาณรบกวน Fixe pattern Noise จะมีรูปแบบการเกิดที่เฉพาะในลักษณะและตำแหน่งเดิมกับภาพที่ถูกถ่ายภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน เช่น มีอุณหภูมิเท่ากัน ระยะเวลาในการบันทึกภาพเท่ากัน ความไวแสงเท่ากัน

 

ตัวอย่างภาพถ่ายที่ใช้เวลานานกว่า 15 นาที ในการบันทึกภาพทำให้เกิดสัญญาณรบกวนแบบ Fixed pattern noise

 

        Banding noise คือสัญญาณรบกวนแบบแถบเป็นรูปแบบของสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นมากในภาพจากกล้องดิจิตอล เนื่องจากการอ่านข้อมูลจากเซ็นเซอร์ภาพ จะพบสัญญาณรบกวนในรูปแบบ Banding Noise ได้ชัดเจนเมื่อใช้ความไวแสงสูง หรือเมื่อมีการปรับเพิ่มความสว่างในพื้นที่เงามืดของภาพของภาพด้วยซอฟแวร์ 

 

ตัวอย่างภาพถ่ายที่ใช้ความไวแสงสูง ในการถ่ายภาพพร้อมทั้งปรับความสว่างในเงามืดของภาพเพิ่มขึ้น 

ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนแบบ Banding noise ซึ่งปรากฏเป็นแถบให้เห็นอย่างชัดเจน

 

ลักษณะของสัญญาณรบกวน

        ลักษณะของการเกิดสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นในภาพจะมี 2 ลักษณะ คือ 

 

ภาพตัวอย่างแสดงลักษณะของสัญญาณรบกวน Chrominance Noise และ Luminance Noise

 

        Chrominance Noise คือ สัญญาณรบกวนที่มีเม็ดสีแตกต่างไปจากภาพจริง ซึ่งจะพบสัญญาณรบกวนในลักษณะนี้ เมื่อใช้เวลานานในการบันทึกภาพ 

        Luminance Noise คือ สัญญาณรบกวนที่มีความสว่างของพิกเซลไม่เท่ากัน โดยมีลักษณะเป็นสีเทาหรือขาวคล้ายเกรนของฟิล์ม จะพบสัญญาณรบกวนในลักษณะนี้ เมื่อใช้ความไวแสงสูง

 

การลดสัญญาณรบกวน

        ในการถ่ายภาพแม้ว่าเราจะสามารถหลีกเลี่ยงการใช้ความไวแสงสูง แต่ก็ยังมีปัจจัยอื่นที่ก่อให้เกิดสัญญาณรบกวน เช่นบริเวณที่เป็นโทนมืดก็ยากที่จะหลีกเลี่ยงการเกิดสัญญาณรบกวนในภาพแม้จะใช้ความไวแสงไม่สูงมากก็ตาม รวมทั้งสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นจากการบันทึกภาพด้วยเวลานานที่ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ดังนั้น ในการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์จึงมีวิธีการที่จะช่วยให้ลดสัญญาณรบกวนที่เกิดกับภาพให้น้อยที่สุด โดยมีส่วนของสัญญาณรบกวนที่เกิดจากความร้อน เนืองจากการถ่ายภาพด้วยเวลานาน ความร้อนนี้เกิดจากการทำงานในตัวพิกเซลนั่นเองครับ เพราะมันเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้ามันเลยมีความร้อนเกิดขึ้น เมื่อมีความร้อนมากเกิน มันก็ทำให้เกิดการทำงานที่ลดประสิทธิภาพก็เป็น noise ขึ้นมาครับ รวมทั้งสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นเมื่อเวลาเราเพิ่มความไวสูง ISO ก็จะเป็นการขยายสัญญาณ รวมทั้งขยายสัญญาณรบกวนตามมาด้วย ซึ่งสำหรับทางดาราศาสตร์เราก็มีวิธีการลดสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นได้ในระดับหนึ่งดังนี้

 

การลดสัญญาณรบกวนจากการบันทึกภาพด้วยเวลานาน

        ในการทำงานของกล้องดิจิตอลที่มีการลดสัญญาณรบกวนจากระยะเวลาการบันทึกภาพด้วยเวลานาน โดยเรามักคุ้นกับฟังก์ชั่น Long Exposure Noise Reduction โดยเมื่อเปิดการทำงานแล้วบันทึกภาพโดยใช้เวลานาน กล้องจะบันทึกภาพต่อเนื่องอีก 1 ภาพ โดยภาพที่ 2 นี้จะถูกบันทึกโดยอัตโนมัติด้วยระยะเวลาที่เท่ากันและความไวแสงเท่ากัน แต่ชัตเตอร์ของกล้องจะปิดทำให้ได้ภาพมืด ที่มีสัญญาณรบกวนเหมือนภาพแรก จากนั้นจะนำ 2 ภาพมาเปรียบเทียบตำแหน่งที่เกิดจุดสัญญาณรบกวนเพื่อหาตำแหน่งของสัญญาณรบกวนแล้วทำการลบสัญญาณรบกวนออก  โดยทางดาราศาสตร์เรียกการลดสัญญาณรบกวนในลักษณะนี้ว่า Dark Frame Subtraction 

 

ตัวอย่างภาพถ่ายจากการบันทึกภาพด้วยเวลานาน จะสังเกตเห็น สัญญาณรบกวนแบบ Fixed pattern noise ในลักษณะ Chrominance Noise ที่ปรากฏเป็นเม็ดสีอย่างชัดเจน ซึ่งจะเกิดสัญญาณรบกวนในลักษณะและตำแหน่งเดิมเมื่อมีการถ่ายภาพภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ทั้งความไวแสง และระยะเวลาการถ่ายภาพ 

 

        ในการถ่ายภาพของนักดาราศาตร์นั้น จะทำการถ่ายภาพ Dark Frame หลังจากที่ถ่ายภาพในทันทีเพื่อเป็นการควบคุมทั้งเรื่องค่าความไวแสงและเวลา รวมทั้งอุณหภูมิ ให้มีค่าเหมือนกัน จำนวนหลายๆ ภาพแล้วนำเอา Dark Frame หลายๆภาพมารวมกันเป็น Master Dark เพื่อใช้ในการลบสัญญาณรบกวนได้ดียิ่งขึ้น

        โดยวิธีการนี้จะสามารถลดสัญญาณรบกวนแบบ Fixed pattern noise ที่เกิดจากการบันทึกภาพเป็นเวลานาน ซึ่งจะเกิดสัญญาณรบกวนในลักษณะและตำแหน่งเดิมเมื่อมีการถ่ายภาพภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ทั้งความไวแสง และระยะเวลาการถ่ายภาพ

        นอกจากนี้ในการทางดาราศาสตร์ นักดาราศาสตร์จะถ่ายภาพวัตถุที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง เช่นภาพเนบิวลา กาแล็กซี หรือดวงจันทร์ ฯลฯ โดยหลีกเลี่ยงการบันทึกภาพด้วยเวลานาน ด้วยการถ่ายภาพเดิมซ้ำๆ หลายๆ พร้อมทั้งถ่ายภาพ Dark Frame หลายๆ ภาพเช่นกัน ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน แล้วนำเอาภาพที่ถ่ายได้มาลบสัญญาณรบกวนด้วย Master Dark แล้วจึงนำเอาภาพที่ลบ Noise แล้ว มารวมกันเป็นภาพอีกครั้งเรียกว่าการ Stacking Image ก็จะได้ภาพที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ และหลีกเลี่ยงการบันทึกภาพด้วยเวลานาน ได้ในระดับหนึ่ง

 

ตัวอย่างอุปกรณ์ที่ใช้ในการถ่ายภาพของนักดาราศาสตร์ ที่เรียกว่า CCD หรือ Charge Coupled Device โดยในภาพจะเห็นว่ามีส่วนของพัดลมที่ช่วยในการระบายความร้อนและทำให้ CCD มีอุณหภูมิที่ต่ำจนติดลบ ได้ เพื่อช่วยในการลดสัญญาณรบกวนที่เกิดจากอุณหภูมิของอุปกรณ์ขณะถ่ายภาพ

 

        ในส่วนของอุปกรณ์ที่ใช้ในการถ่ายภาพของนักดาราศาสตร์ ที่เรียกว่า CCD หรือ Charge Coupled Device เป็นเซ็นเซอร์ที่ทำงานโดยส่วนที่เป็นเซ็นเซอร์ แต่ละพิกเซล จะทำหน้าที่รับแสงและเปลี่ยนค่าแสงเป็นสัญญาณอนาล็อก ส่งเข้าสู่วงจรเปลี่ยนค่าอนาล็อกเป็นสัญญาณดิจิตอลอีกที  ซึ่งตัวอุปกรณ์สำหรับถ่ายภาพของนักดาราศาสตร์นั้น จำเป็นต้องบันทึกภาพด้วยเวลานานๆ หลายชั่วโมง จึงมีการติดตั้งอุปกรณ์สำหรับทำความเย็นให้กับ CCD โดยอาจเป็นพัดลม หรือใช้ Liquid Hydrogen ในการหล่อเย็นจนอุณหภูมิของ CCD ลดต่ำลงจนติดลบ ก็เป็นส่วนที่ช่วยในการป้องกันการเกิดสัญญาณรบกวน เช่นกัน

 

การลดสัญญาณรบกวนจากใช้ความไวแสงสูง

        สำหรับการลดสัญญาณรบกวนจากใช้ความไวแสงสูงในกล้องดิจิตอลนั้น จะมีเพียงบางรุ่นเท่านั้น ส่วนมากจะเป็นรุ่นที่ใหม่ๆ โดยมักใช้ชื่อฟังก์ชั่นในการลดสัญาณรบกวนจากความไวแสงสูงว่า High ISO NR โดยเมื่อเปิดใช้งานระบบจะทำการลดสัญญาณรบกวนจากความไวแสงสูง ซึ่งมี 2 ลักษณะ คือ Chrominance Noise กับ Luminance Noise ซึ่งการลดสัญญาณรบกวนนี้จะมีผลต่อภาพ 

        การปรับลดรายละเอียดของสัญญาณให้ลดลง ซึ่งสัญญาณรบกวนลักษณะ Chrominance Noise ที่เป็นเม็ดสี อาจทำให้สีในภาพเปลี่ยนไปหรือมีการเหลื่อมสีบ้าง

        ในขณะที่การปรับลดรายละเอียดของสัญญาณรบกวนลักษณะ Luminance Noise ที่เป็นเสมือนสีขาวหรือสีเทา ซึ่งอาจเป็นส่วนรายละเอียดของภาพทำให้ภาพซอฟต์ลง

อย่างไรก็ตามในทางดาราศาสตร์นั้น เรามักแก้ไขปัญหานี้โดยการเลือกใช้เลนส์ที่มีรับแสงกว้างๆ เพื่อให้กล้องมีความไวแสงเพิ่มมากขึ้น

        จากวิธีการต่างๆ ดังที่กล่าวมานั้นเป็นพื้นฐานของการเข้าใจในหลักการของการเกิดสัญญาณรบกวนและวิธีการป้องกันและการลดสัญญาณรบกวนที่ไม่อาจหลีกเลี่ยงได้ ดังนั้นหากเราวางแผนก่อนการถ่ายภาพว่าควรถ่ายด้วยอุปกรณ์อะไร ควรใช้ความไวแสงเท่าไหร่ เวลานานมากน้อยแค่ไหน และควรถ่าย Dark Frame เพื่อนำไปใช้ในการลบสัญญาณอย่างไร ก็จะทำให้ภาพถ่ายของเราออกมาได้ดีกว่า คนที่ไม่เข้าใจและม่วางแผนอย่างแน่นอน และนี้ก็คือเคล็ดลับอย่างหนึ่งของการได้เปรียบสำหรับผู้ที่รักการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์ครับ