CCD數位影像淨化原理（二）

CCD數位影像淨化原理（二）
臺北市立中崙高中 地球科學教師林詩怡/國立臺灣師範大學地球科學系傅學海副教授責任編輯

知道了CCD影像雜訊來源後，就可以根據其特性於其他時間拍攝這些修正用的影像作為校正之用。各個影像的拍攝方式如下：

暗電流影像拍攝方法：

• CCD溫度必須與拍攝天體影像時的溫度相同。
• CCD 解析度（resolution）必須與拍攝天體影像時相同。
• 拍攝時的Frame Mode選擇Dark Frame，此時CCD前方的遮光片就會把入射光遮住。
• 拍攝時間必須與拍攝天體影像時的曝光時間相同。
• 任何時間皆可拍攝，不一定要是晚上。
• 同一個CCD其暗電流幾乎是穩定的。

BIAS影像拍攝方法：

• CCD溫度必須與拍攝天體影像時的溫度相同。
• CCD解析度（resolution）必須與拍攝天體影像時相同。
• 拍攝時的Frame Mode選擇Dark Frame。
• 拍攝時間為0秒。
• 任何時間皆可拍攝，不一定要是晚上。
• 同一個CCD其BIAS幾乎是穩定的。

平場影像拍攝方法：

• CCD溫度最好能與與拍攝天體影像時的溫度相同。
• CCD解析度（resolution）必須與拍攝天體影像時相同。
• Frame Mode選擇Light Frame。
• 濾鏡須與拍攝天體影像時所用的相同。
• 必須將望遠鏡指向均勻光源，通常是在日落後或日出前對著拍攝天空。
• 曝光時間不一定，但必須讓影像大部份像素的信號在像素飽和值的1/2-2/3最佳。以16位元的CCD為例，每個像素飽和值為65535，平場影像的大部份像素信號最好能在30000到55000之間。
• 如果是對著日落後或日出前的天空拍攝平場影像，應特別注意平場影像中不能出現任何星星的影像！

雖然同一個CCD的暗電流與偏壓雜訊幾乎是穩定的，但仍可能在某次觀測後，某幾個像素的上述特性就出現變化。為了避免出現這種無法彌補的狀況，即使之前已經有這個CCD的暗電流與偏壓雜訊的影像資料庫，還是建議每次觀測後都再次拍攝暗電流與偏壓雜訊影像。也因為望遠鏡隨時都在累積灰塵，每次觀測後都在拍一次平場影像也是較為不會出狀況的方法。

只要正確使用CCD影像處理軟體，影像淨化就可以在幾個按鍵下完成。但是其原理到底是什麼？

影像淨化原則有三個：

• 只要從CCD將信號讀出來，就會受到偏壓雜訊影響。
• 只要拍攝時間超過0秒，就會受到暗電流影響。
• 只要光線有經過CCD前方的任何反光或透光鏡，就要做平場修正。

所以整個影像淨化的運算式（公式僅示意用，而非真的直接以數字運算）（註）如下：

天體影像（Calibrated）＝[ RAW天體影像－Calibrated天體暗電流－ BIAS ] / Calibrated平場

其中， Calibrated天體暗電流＝ RAW天體暗電流－ BIAS，帶入上式：

＝[ RAW 天體影像 －( RAW天體暗電流 － BIAS ）－BIAS ] / Calibrated平場
又 Calibrated平場＝RAW平場－ Calibrated平場暗電流－ BIAS
＝RAW平場－ ( RAW平場暗電流 － BIAS ）－BIAS
＝RAW平場－ RAW平場暗電流 ，帶入上式：

＝RAW天體影像 － RAW天體暗電流 / RAW平場 －RAW平場暗電流

其中，RAW天體暗電流與RAW天體影像的曝光時間相同， RAW平場暗電流與RAW平場影像的曝光時間相同。RAW天體暗電流與RAW平場暗電流的曝光時間不一定相同！

也就是說，將天體影像減去相同曝光時間的暗電流，再以減過暗電流的平場影像加以修正，就完成天體影像的淨化了！

[註]
1.RAW表示直接拍攝到的影像，尚未經過任何校正。Calibrated表示已經經過必須的校正運算後的影像。
2.公式中的減號（－）代表每個相對應位置的像素其信號相減。
3.公式中以除號（ / ）表示平場修正，並不代表真的將天體影像直接除以平場影像的對應像素信號，而是以平場影像中的亮暗比例為準，將天體影像的像素信號做不同權重比例的修正調整。

如果CCD的BIAS是穩定的，那麼從影像淨化的運算式可以看出，整個影像淨化的過程中並不需要用到BIAS，因為未經校正過的暗電流影像裡就含有BIAS了！
但是，如果CCD的BIAS忽然出現變化，或是暗電流影像的曝光時間與天體影像的曝光時間不同，需要以內插或外推等運算方式方式獲得虛擬或最佳化的暗電流，那麼就需要將暗電流先減去BIAS再加以運算，才能獲得較為正確的結果。

參考資料
1. http://www.bisque.com/sc/shops/store/CCDSoftWin2.aspx
2. http://www.willbell.com/aip/index.htm