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이 글은 저자의 허락을 받지 않았습니다.
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(이 글의 수정본은 2001년 7월 Sky and Telescope에 실려있습니다.)
루미넌스 레이어링(Luminance Layering)을 이용하여 컬러 CCD 이미지 합성하기
글쓴이 : 로벗 젠들러
많은 천체 사진가들이 CCD를 이용하여 컬러 이미지를 촬영하고 싶어했으나, 여러가지 문제점으로 인하여 좌절을 맛보아야만 했습니다.
그러나 이들은 결국 이를 가능하게 하는 혁신적인 기법을 개발하였고, 그로 인하여 우리는 아름다운 컬러 이미지를 얻을 수 있게 되었습니다.
CCD 센서는 가시광선 영역 전반에 대해 높은 감도를 가지지만, 적외선(IR)과 근적외선 영역에 대하여 특히 민감합니다.
이는 흑백 이미지를 찍을 때에는 상관이 없지만, 컬러 이미지를 촬영하기 위해서는 이러한 IR 영역은 배제되어야 합니다.
IR 신호는 컬러 데이터를 변조시켜 컬러 이미지의 선명도를 떨어뜨리기 때문입니다.
이는 촬영시에 IR 차단 필터를 부착함으로써 해결할 수 있습니다.
결국 컬러 필터를 사용하여, 제한되긴 하지만 순수하게 가시광선 영역의 스펙트럼을 가지는 이미지를 얻을 수 있게 되었습니다.
그러나 필터링된 컬러 데이터는 대부분 약해서, 이미지가 거칠고 콘트라스트도 낮습니다.
이를 천체 사진 용어로 "이미지가 낮은 신호대잡음비(S/N)을 가지고 있다"라 하고, 결과적으로 이 이미지는 그 아름다움이 떨어지게 됩니다.
비록 큰 구경의 망원경이나 고감도 CCD를 사용하여, 혹은 노출시간을 매우 길게 하여 S/N을 끌어올릴 수 있긴 하지만, 전자는 재정적으로 부담이 되고, 후자는 하기가 대단히 힘듭니다.
루미넌스 레이어링(Luminance Layering)이라 불리우는 기법은 쿠니히코 오카노 박사(역주: Dr. Kunihiko Okano, http://www.asahi-net.or.jp/~rt6k-okn/)와 로버트 댈비(역주: Robert Dalby, http://www.bizvis.demon.co.uk/hfo/)의 두 사람에 의해 독립적으로 개발되었습니다.
이 기법으로 인하여 천체 사진가들은 3색의(tricolor) 문제점을 극복할 수 있게 되었습니다.
루미넌스 레이어링은, 컬러 데이터를 얻기 위하여 RGB 필터를 사용하였을 때, LRGB 기법(L은 루미넌스의 이니셜입니다.)이라고도 부릅니다.
그러나 이 기법은 CMY(Cyan, Magenta, Yellow, 시안색, 자홍색, 노란색) 필터와 같은 다른 종류의 컬러 필터를 이용하여 얻은 이미지나, 필름을 이용한 사진에도 적용할 수 있습니다.
루미넌스 레이어링의 기본 원리는 필터 없이 촬영하여 높은 해상도와 S/N을 가지는 흑백 이미지를, 상대적으로 약한 컬러 이미지와 합성함으로써, 필터링으로 인하여 잃었던 RGB 이미지의 신호와 디테일을 다시 가져오는 것입니다.
결과적으로 아름답고 높은 콘트라스트를 가지는 아름다운 컬러 이미지를 얻을 수 있게 됩니다.
루미넌스 레이어링의 원리를 설명하기 위해서는, 인간의 색상 지각 모델인 HSL 컬러 모델(역주: Hue, Saturation, Luminance, 색상, 채도, 명도)에 대해서 설명해야 합니다.
HSL 모델에서 인간은 색상과 채도, 명도(루미넌스)로 색을 인식합니다.
그런데 인간의 눈은 색상과 채도(컬러 데이터)에 대한 노이즈는 무시하는 경향이 있지만, 루미넌스에 대한 노이즈에는 대단히 민감합니다.
역으로 말하면, 눈이 인식하는 이미지의 디테일은, 거의 대부분 루미넌스로부터 전달됩니다.
루미넌스 레이어링의 근본 원리는, 원래 컬러 데이터의 낮은 질(quality)과 낮은 S/N를 가지는 루미넌스를, 높은 질(quality)과 높은 S/N을 가지는 새로운 루미넌스로 바꾸는 것입니다.
결과적으로 이미지의 질(quality)과 디테일이 놀랄만큼 개선되어, 아름다운 이미지를 얻을 수 있게 됩니다.
실제로 촬영시에는, 비닝(binning)하지 않은 최고 해상도에서, 필터 없이 최대한 오랜 노출을 주어(또는 노출 시간을 약간 줄이는 대신 여러 장 합성하여) 루미넌스를 찍습니다.
(역주: binning, CCD에서 몇 개의 픽셀을 합하여 하나의 큰 픽셀로서 사용하는 것. 예를 들어 2x2 binning은 4개의 픽셀을 하나로 사용하기 때문에, 원래의 픽셀에 대하여 폭은 두 배가 되고, 넓이는 네 배가 됩니다. 따라서 빛에 대한 감도가 증가하여 짧은 노출시간으로도 촬영이 가능해지지만, 해상도가 떨어지게 되는 단점이 있습니다. 망원경의 초점거리가 너무 길어서 CCD의 픽셀 크기를 이에 맞도록 조절할 때에도 사용합니다.)
최종 이미지의 콘트라스트(해상도, S/N)를 결정하는 것은 루미넌스이기 때문에, 대부분의 사람들이 루미넌스를 찍는 데 많은 시간을 투자합니다.
반면 컬러 데이터는 색상과 채도에만 영향을 주기 때문에 (그리고 최종 이미지의 콘트라스트에는 거의 영향을 주지 않기 때문에), 일반적으로 낮은 해상도(binning)에서 찍습니다.
binning을 하면 거의 화질의 저하 없이, 높은 S/N을 가지는 컬러 이미지를 더욱 빨리 얻을 수 있습니다.
그러나 더욱 풍부하고 선명한 컬러 데이터를 얻기 위해서는, RGB 데이터에 노출을 더 많이 주는 것도 좋습니다.
포토샵 5.5로 LRGB 합성 따라하기
비록 Maxim DL, MIRA, AIP, StellaImage 등과 같은 LRGB 합성을 지원해주는 여러가지 좋은 프로그램들이 있지만, 저는 포토샵을 가장 좋아합니다.
제가 포토샵을 좋아하는 데에는 몇 가지 이유가 있습니다.
포토샵은 RGB와 L을 서로 다른 레이어에 놓기 때문에, 이들은 합성이 된 후에도 서로 독립적으로 처리할 수 있습니다.
포토샵은, 쉐도우(음영)와 미드톤(중간색조), 하이라이트(가장 밝은 부분)의 컬러를 따로 조정하는 기능과 같은, 색상을 강조할 수 있는 다양한 기능을 가지고 있습니다.
또한 콘트라스트, 레벨을 조정하는 것은 물론, 비선형 스트레칭까지도, 각각의 컬러 채널에 대해 독립적으로 조정될 수 있습니다.
어떤 천체 이미지 프로세싱 소프트웨어도 이렇게 다양한 그래픽 기능을 가지고 있지 못합니다.
( 역주:
stretching, scaling이라고도 합니다. 이미지의 감마 곡선(gamma curve)을 조정하여, 너무 밝아 탄 부분은 어둡게 해서 디테일이 살아나도록 하고, 노출이 부족하여 흐린 부분은 강조하여, 두 부분 모두 잘 나타나도록 해줍니다. 일반적으로 은하에 사용하면 가장 효과적이지만, 성운이나 성단에서도 효과를 볼 수 있습니다. 감마 곡선을 조정하므로 gamma stretching 또는 gamma scaling이라고도 합니다.
gamma curve, 데이터가 가지는 명도에 대한 정보와, 출력 매체(출력 용지, 모니터 등)에 나타낼 명도값의 관계를 나타내는 그래프입니다. 포토샵에서는 curves를 이용하여 gamma curve를 직접 조정할 수 있습니다.
nonlinear stretching, nonlinear scaling, 감마 곡선의 형태를 직선이 아닌 모양으로 조정하는 경우 비선형 스트레칭, 혹은 비선형 스케일링이라 합니다. )
1) 컬러 이미지에 대한 준비 작업
CCD로부터 얻어진 이미지는 일반적으로 다크 프레임(darkframe)과 플랫필드(flatfield) 프레임을 사용하여 캘리브래이션을 하여야 합니다.
이 작업은 거의 모든 소프트웨어에서 지원합니다.
캘리브레이션이 끝나면, 저는 일반적으로 RGB를 합성합니다.
이 작업도 또한, 지원하는 좋은 프로그램들이 많이 있습니다.
일반적으로 RGB는 낮은 해상도 모드로 촬영하기 때문에, 루미넌스의 높은 해상도에 맞추기 위해 리사이즈(또는 리샘플링)해야 합니다. (Image | Image Size...)
선명도를 높이기 위해서, 합성된 RGB 이미지에 비선형 스트레칭이나 DDP 등을 적용해도 됩니다.
그리고 마지막으로 8비트 TIF 파일(24비트 컬러)로 저장합니다.
이때 RGB 이미지를 부드럽게 하기 위하여 가우시안 블러(1~2 픽셀정도)를 살짝 적용할 수도 있습니다. (Filter | Blur | Gaussian Blur...) (그림 1.)
포토샵에서는 위의 처리를 이미지가 LRGB로 합성된 후에 할 수도 있습니다. (물론 Flatten Image가 되기 전에 해야합니다.)
( 역주:
calibration, Image Reduction이라고도 합니다. CCD 칩의 한계로 인하여 발생하는 노이즈를 제거하기 위하여 raw 이미지를 처리하는 작업입니다. bias, dark, flat-field 프레임을 찍어 다음의 계산을 하여 처리합니다.
(raw frame - bias frame - dark frame) / flatfield frame
bias frame, CCD 칩과 주변 회로에서 기본적으로 발생하는 노이즈를 제거하기 위한 프레임으로, 셔터를 닫은 상태에서 0초의 노출을 주어 찍습니다. 그러나 실제로 0초의 노출을 주는 것은 불가능하므로, 가능한 한 짧은 노출을 주어 찍습니다.
dark frame, 온도로 인하여 발생하는 노이즈를 제거하기 위하여 사용하는 프레임으로, 셔터를 닫은 상태로 원래 이미지와 같은 온도 상태에서 같은 노출을 주어 찍습니다.
flatfield frame, CCD의 각 픽셀마다 감도가 조금씩 다른 것, 비네팅, 칩에 묻은 먼지 등에 의한 효과 등을 보정하기 위하여 사용하는 프레임으로, 균일한 빛에 임의의 시간동안 노출을 주어 찍습니다.
DDP, digital development process, 디지털 현상 처리, 일반적으로 스트레칭(stretching)과 언샵마스크(unsharp mask)의 조합으로 이루어집니다. 스트레칭을 사용하여 이미지의 밝은 부분과 흐린 부분의 디테일을 모두 살림과 동시에, 언샵마스크를 사용하여 이미지를 선명하게 만듭니다. )
그림 1. RGB 이미지에 가우시안 블러 적용
주의 : 루미넌스는 RGB 이미지보다 훨씬 더 높은 콘트라스트를 가지고 있을 것입니다.
두 이미지의 콘트라스트가 서로 다르기 때문에, 최종적으로 LRGB 합성을 했을 때 색상이 부자연스럽거나 약해질 수 있습니다.
자연스러운 색상을 위해서, 루미넌스와 합성하기 전에 RGB에 로그 스트래치를 적용하고 콘트라스트와 Saturation을 약간 높입니다. (Image | Adjust | Brightness/Contrast..., Image | Adjust | Hue/Saturation...)
(역주: log stretching, log scaling, 감마 곡선의 모양을 로그 함수의 모양으로 하여 조정하는 경우 로그 스트레칭, 혹은 로그 스케일링이라 합니다.)
이러한 처리는 RGB 이미지를 거칠게 만들지만, 가우시안 블러를 이용하면 다시 줄일 수 있습니다. (그림 1.)
2) 루미넌스에 대한 준비 작업
최종 LRGB 이미지의 디테일과 콘트라스트는 거의 대부분 루미넌스에서 오기 때문에, 이 작업은 대단히 중요합니다.
루미넌스의 디테일을 최대한 끌어내기 위해, DDP나 비선형 스트레칭, 언샵마스크를 포함한 이미지를 선명하게 할 수 있는 모든 기법들을 루미넌스에 적용합니다.
(언샵마스크는 단지 루미넌스에만 적용되어야 합니다. 언샵마스크를 컬러 데이터에 적용하면 컬러 밸런스에 안좋은 영향을 가져올 수도 있기 때문입니다.)
이미지 처리가 끝났으면, 루미넌스를 8비트 TIF 파일로 저장합니다.
3) 캔버스에 RGB 이미지를 open합니다.
LRGB 합성은 다음 단계에서부터 시작합니다.
먼저 RGB 이미지를 엽니다.
이미지를 축소하여 스크린보다 작게 보이게 합니다.
그 다음 캔버스를 넓혀 LRGB 합성을 위한 작업 공간을 만듭니다. (Image | Canvas Size...) (그림 2.)
Anchor는 중앙을 선택하고, 캔버스의 폭과 높이는 작업할 여유를 두기 위해 원래 이미지보다 약간 더 크게 잡습니다.
이제 OK를 누르면, RGB 이미지는 캔버스의 중앙에 위치하게 될 것입니다.
여기까지 작업하면 Background Layer가 완성됩니다.
그림 2. RGB 이미지를 열어서 캔버스에 위치시킵니다.
이미지를 맞추기 위한 작업공간을 위해 캔버스를 약간(약 10% 정도) 넓힙니다.
4) 캔버스에 루미넌스를 붙여넣기
루미넌스 이미지를 열고 전체 선택을 합니다. (Select | All) (그림 3A.)
그림 3A.
선택한 영역을 잘라낸 후(Edit | Cut), 빈 윈도우는 닫습니다.
캔버스에 잘라낸 루미넌스를 붙여 넣습니다. (Edit | Paste) (그림 3B.)
그림 3B.
Layer 윈도우(만약 보이지 않으면 Window | Show Layers를 누릅니다.)를 보면 두 개의 Layer가 있는 것을 볼 수 있습니다.
하나는 RGB 이미지를 담고 있는 Background Layer이고, 다른 하나는 루미넌스를 담고 있는 Layer 1입니다.
여기에서 루미넌스(Layer 1)를 선택하고 Blending Mode(역주: Layer 윈도우의 상단에 드롭 다운 메뉴의 형태로 되어있고, 디폴트 모드는 Normal로 되어있습니다.)를 Luminosity로 설정한 후, Opacity(불투명도)를 50%로 줄입니다. (그림 4A.)
그림 4A.
5) LRGB 이미지 합성하기
이제 루미넌스와 RGB 이미지를 하나로 포개어 일치시켜야 합니다.
루미넌스 이미지에서 마우스를 우클릭을 하고 Free Transform을 선택합니다.
그러면 RGB 위에 겹쳐져있는 루미넌스를 마우스로 드래그하여 움직을 수 있게 됩니다.
두 이미지를 픽셀 단위로 정확하게 조정할 때에는 화살표 키를 사용하는데, 이때 이미지를 100% 이상으로 확대하여 보면, 두 이미지를 정확하게 맞추는 데 도움이 될 것입니다.
이미지를 찍을 당시 극축이 정확하지 않았다거나, 루미넌스와 RGB 이미지를 찍은 날짜가 많이 차이가 날 경우, 두 이미지는 서로에 대해 회전하여 있을 수도 있습니다.
이를 맞추기 위해서 가장 좋은 방법은 Registar를 사용하여 회전 보정을 하는 것입니다.
(역주: RegiStar, 여러 개의 천체 이미지를 하나로 포개어 합성하는 데 사용하는 프로그램입니다. 두 이미지 사이의 공통적인 부분을 찾아, 확대, 축소 회전 등의 조정을 거쳐 자동으로 포개어 줍니다. 포갠 후 사용자 지정 옵션을 주어 합성할 수도 있습니다. http://www.aurigaimaging.com/)
그러면 이미지는 포토샵에서 정확히 포개어질 것입니다.
회전 보정은 포토샵을 이용해서도 가능합니다.
루미넌스 위에서 마우스를 우클릭하여 Free Transfrom을 선택한 후, 다시 우클릭하여 Rotate를 선택하면, 마우스로 이미지의 가장자리를 드래그하여 이미지를 회전시킬 수 있게 됩니다.
따라서 이를 이용하여 두 이미지를 일치시키면 됩니다.
두 개의 이미지가 정확히 포개어지면 Enter를 누릅니다.
이제 루미넌스와 컬러 이미지가 완전히 포개어졌으면 Opacity(불투명도)를 100%로 복구시킵니다.
그리고 백업을 위해 이 이미지를 포토샵 문서로 저장합니다.
Flatten Image를 하면(Layer | Flatten Image) 두 이미지는 영구적으로 합쳐지게 됩니다.
여기에서 "영구적으로"라는 단어를 사용하였지만, 이는 바로 Undo를 하거나(Edit | Undo Flatten Image), 또는 몇 가지 작업을 더 한 이후에라도 오른쪽의 History에서 Flatten Image를 지워버림으로써(포토샵 5.5에서는 16개까지 이전의 작업이 저장됩니다.) 되돌릴 수 있습니다.
포토샵의 장점은, Flatten Image를 하기 전에는 각 Layer별로 이미지를 처리할 수 있다는 것입니다.
색상이 약하다고 생각되면 RGB 이미지에만 Saturation을 높여주거나 비선형 스트레치를 적용할 수 있습니다.
필요하다면 각 컬러 채널별로도 가우시안 블러나 다른 필터를 적용할 수 있어, 특정 컬러의 채널에만 존재하는 노이즈도 손쉽게 처리할 수 있습니다.
루미넌스에 샤프닝 필터나 언샵마스크를 추가적으로 적용할 수도 있습니다.
모든 처리가 끝났다 싶으면, Flatten Image를 하고, 8비트 TIFF 파일(24비트 컬러)로 저장합니다.
그림 5. Flatten Image를 하고 8비트 TIFF 파일(24비트 RGB)로 저장합니다.
6) 마무리
마지막으로 이미지에 샤프닝, 색의 강조, 밝기와 콘트라스트 조정 등을 하여 마무리를 합니다.
저는 LRGB 합성과 색상의 조정이 끝난 후에는, 단지 블루밍 스파이크(역주: blooming spike, 과도한 노출로 인하여 광자가 픽셀 하나의 양자 수용능력을 넘어 넘쳐흘러서, 옆의 픽셀에 영향을 주어 신호가 없어야 할 곳에 신호가 나타나는 현상. 넘친 픽셀을 중심으로 하여 스파이크 모양으로 나타남.)를 고칠 뿐입니다.
이보다 더 일찍 스파이크를 고치게 되면, 별 주위에 안좋은 효과나 색의 왜곡이 나타날 수도 있습니다.
필터 루미넌스
(역주: Filtered Luminance, 필터를 이용하여 찍은 흑백 이미지를 루미넌스로 사용하는 것)
지금까지는 필터를 사용하지 않고 찍은 흑백 이미지를 루미넌스로 사용하였습니다.
이는 은하나 넓은 범위의 스펙트럼를 가지고 있는 대상에 대해서는 좋은 효과를 주지만, 특별한 스펙트럼만을 방출하는 대상에 대해서는, 필터 루미넌스를 사용하여 성운기를 더욱 강조할 수 있습니다.
순수한 발광성운에 대해서는 Red 필터나 Hydrogen-alpha 필터를 이용하여 큰 효과를 볼 수 있고, 특정 파장만을 주로 방출하는 복합 성운에 대해서도 필터 루미넌스는 좋은 결과를 가져다 줍니다.
또한 필터 루미넌스를 사용하면 별이 덜 불게 되고, 블루밍(blooming)이 덜 발생하며, 별의 색을 더 잘 보존해주는 장점이 있습니다.
필터 루미넌스의 예
원추 성운 - 종래의 LRGB
원추 성운 - RRGB
두 이미지 모두 6인치 F5 굴절 망원경을 사용하여 찍었습니다. 루미넌스 노출: 90분.
말머리 성운 - 종래의 LRGB
말머리 성운 - RRGB
두 이미지 모두 4인치 F5 굴절 망원경을 사용하여 찍었습니다. 루미넌스 노출: LRGB는 40분, RRGB는 70분.
필터 루미넌스를 사용한 이미지(RRGB)에서는 콘트라스트와 흐린 성운기가 보이는 정도가 전반적으로 증가하였고, 더욱 세세한 디테일을 보여줍니다.
또한 RRGB 이미지는 LRGB 이미지보다 더 자연스러운 색을 가진 더 작은 별을 보여줍니다.
전반적인 컬러 밸런스가 크게 영향을 받지 않았다는 점도 주목할만한 사항입니다.
필터 루미넌스는 특정 부분의 디테일을 강조하기 위하여 복합 성운(아래 이미지)에 사용하기도 합니다.
그러나 H-alpha 필터와 같이 대부분의 파장을 차단하는 필터를 사용하게 되면 컬러 밸런스의 쉬프트가 발생할 수도 있으니 주의하십시오.
M42 - 종래의 LRGB
M42 - H-alpha 루미넌스
두 이미지 모두 4인치 F5 굴절 망원경을 사용하여 찍었습니다. 루미넌스 노출: LRGB는 20분, HaRGB는 60분.
M1 - 종래의 LRGB
M1 - RRGB
두 M1 이미지는 비슷한 구경의 망원경으로 비슷한 노출을 주어 찍었습니다.
결론
루미넌스 레이어링은 고화질 컬러 CCD 이미지의 촬영을 가능하게 하여, 아마추어들의 수준을 높여주었습니다.
이 글이 루미넌스 레이어링을 사용하고자 하는 아마추어들에게 도움이 되기를 바랍니다.
==역첨==
참고한 사이트..
쿠니히코 오카노 박사(LRGB 개발자)의 홈페이지
로버트 댈비(LRGB 개발자)의 홈페이지
색상, 채도, 명도에 대한 정확한 정의
binning 용어 설명
binning에 대한 자세한 설명
스케일링과 DDP에 대한 정보
캘리브래이션의 원리
이건호님이 NADA에 쓰신 캘리브래이션 정보
blooming
CCD University
CCD 원리 전반
소프트 웨어..
Maxim DL
MIRA
AIP
StellaImage
RegiStar, 이미지를 겹쳐주는 프로그램
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이하 원문
(An edited version of this article appeared in Sky and Telescope, July 2001 issue)
Color CCD Imaging with Luminance Layering
by Robert Gendler
Color CCD imaging poses many unique challenges and frustrations to the astroimager. Despite these difficulties beautifully aesthetic color images are obtainable using a new innovative technique developed by astroimagers.
Although highly sensitive throughout the visual spectrum most CCD detectors are exquisitely sensitive in the infrared (IR) and nearinfrared. Although an advantage for monochrome imaging, this strong IR signal must be rejected if we desire to make an accurate color image. The IR signal will corrupt the color data and degrade the purity of the color signal. In practice this is accomplished by a separate or integrated IR rejection filter. The result is an image acquired through color filters that has a limited but pure spectral range. The filtered color data is often weak, which makes the image grainy and low in contrast. In astroimaging terms we say the image has a low signal/noise ratio (S/N) and as a result is aesthetically unappealing. Although one could boost the S/N by using a very large aperture telescope, a highly sensitive CCD, or extremely long exposures, for many these options are not practical or affordable.
A new technique called "Luminance Layering" has been developed independently by Dr. Kunihiko Okano and Robert Dalby. The technique allows astroimagers to overcome the "tricolor" hurdle. When used with RGB filters it is referred to as "Luminance Layering" or "LRGB" technique (the "L" referring to "luminance"). The technique can be used with other color filters such as CMY (cyan, magenta,yellow) filters or with film images with comparable success. The basic premise of luminance layering is that by combining an unfiltered high resolution and high S/N greyscale image with the weaker color data we can in essense "buy back" the signal and detail lost in our filtered RGB exposures. The end result potentially should be a more aesthetically pleasing high contrast color image.
The explanation might be better understood if we look at the HSL (Hue, Saturation, Luminance) model of color perception. In the HSL model each color is perceived as having hue, saturation and brightness (luminance). The eye tends to disregard noise in hue and saturation (color data) but is highly sensitive to noise in the luminance component. Conversely, the detail in the image from the eye"s perspective is carried almost exclusively in the luminance component of the visual data. What "luminance layering" does in essense is to replace the poor quality, low S/N luminance of the original color data with the new high quality, high S/N luminance image. The end result is a surprising improvement in the quality, detail, and aesthetic appeal of color images.
In practice this means the luminance is usually a very long unfiltered exposure (or multiple stacked shorter exposures) taken in maximal resolution (unbinned) mode. Most imagers will spend the major portion of their imaging session acquiring the luminance since this data will give the final image its sharpness and contrast (resolution and S/N). Since the color data will only affect the hue and saturation (and will have little effect on the sharpness of the final composite) most imagers acquire the color data in a lower resolution mode (binned). Binning enables quicker color acquisition at a higher S/N with little downside since the lower resolution data will not degrade the final composite. Having said this I should add that spending more exposure time on the RGB (color data) will result in richer and more saturated color data and is therefore worthwhile.
Step by Step Assembly of an LRGB Image using Photoshop 5.5
Photoshop (PS) is my preference for compositing the LRGB although it can be done using other excellent programs such as Maxim DL, MIRA, AIP, StellaImage, and others. I prefer photoshop for several reasons. PS places the RGB and the "L" in separate layers so these components can be manipulated and enhanced independently even after the images have been composited. PS is rich in color enhancement features such as the ability to adjust color within the shadows, midtones and highlights separately. Also adjustments in contrast, levels, and even nonlinear stretching can be performed on each color channel separately. I have not seen this kind of graphics depth in any astronomical image processing software program.
1) Prepare the color image; Once the images are acquired they must be calibrated (darkframe and flatfield) in the usual manner. This can be done with any of the excellent astronomical software packages of your choice. Once calibration is done, I usually begin by compositing my RGB first. Again there are several programs that are very capable of doing this. Since in most cases the RGB was taken at a lower resolution it must be resized (and resampled ) to match the higher resolution of the luminance. The RGB composite can then be further enhanced by nonlinear stretching, DDP, etc. Finally it must be saved as an 8 bit tif file (24 bit color). A mild gaussian blur (approx. 1 to 2 pixels) can be applied at this time (Fig 1) to smoothen the RGB image. Alternatively you can do this after compositing the LRGB in PS (but before flattening the image).
Fig 1; A gaussian blur can be applied to the RGB image.
Note: The Luminance image will probably have much higher contrast than the RGB image. Because of this discrepency in contrast, unnatural or muted colors can occur in the final LRGB composite. To naturalize the color I apply a gammalog stretch to the RGB and dial up the contrast and saturation a bit before compositing with the luminance. The resulting RGB will have a grainy appearance but the noise will be offset by the gaussian blur (Fig.1).
2) Get the luminance into shape; This is an all important step since the "L" will provide almost all of the detail and contrast to the final LRGB composite. Any major enhancements such as DDP, nonlinear stretching, unsharp mask should be applied to the "L" image to bring out all its glorious detail. (In particular unsharp mask should only be applied to the luminance since it can have a negative effect on the color balance when applied to the color data). When you are satisfied then save the luminance as an 8 bit tif file.
3) Opening the RGB on the Canvas; The next step begins the process of compositing the LRGB. First we open the RGB image. Keep the image smaller than your screen at this point. Next we create the canvas (Fig 2). The canvas is the platform upon which we will be composing the LRGB. In PS go to "image" then "canvas size". Click on the center square. It is wise to slightly increase your canvas height and width to give yourself some elbow room to work. Then click "OK" and the RGB image will be placed on the canvas. This will be your "background layer".
Fig. 2; The RGB image is opened and placed on the canvas. Expand the canvas slightly (about 10%) to provide working space to register the images.
4) Pasting the Luminance on the Canvas; Next open your luminosity ("L") image . Go to "select" then "all". You will notice that the entire luminance image will be selected (Fig 3A).
Fig 3A
Next go to "edit" then "cut". Close out the empty window that once held your luminosity. Go back to "edit" then click "paste". You will then see your luminance pasted on top of the RGB within the canvas (Fig. 3B).
Fig 3B
Go the layers dialog box (if the menu box is not visible then go to "windows" and click alongside "show layers"). You will see that there are now two layers; your RGB image which is now the "background" layer and the luminance which is now "layer 1". In the layers dialog box select luminosity (at the bottom of the list) (Fig 4A). Next, make the luminance transparent by changing the opacity to approximately 50% (make sure the luminance layer is highlighted).
Fig. 4A
5) Making the LRGB Composite; Now you are ready to overlay (register) the luminance on the RGB. "Right click" on the luminance image and select "free transform". This will allow you to click and drag the now transparent luminance over the RGB until the stars match up. At this point zooming in to 100% or greater magnification will aid in precise pixel to pixel placement of the two images. Precise adjustments are made with the arrow keys. Sometimes you may find that the two images may be rotated relative to each other if perhaps polar alignment wasn"t perfect or if the images were taken over a long period of time or on different nights. The best way to deal with rotation is to preregister the images in a separate program such as "Registar" so the images will line up perfectly in PS. Alternatively the transparent luminance can be rotated by right clicking, select "free transform", then right click again and select "rotate". The image can then be rotated by dragging the edges so the stars match up. Once the two layers are perfectly aligned hit the "enter" key. Bring the opacity back to 100%. Make sure at this point to save the composite as a photoshop document. This way you can go back to modify the two layers in the future. Merging the two images permanently is done by going to "layers" then "flatten image". Although I"ve said this step is permanent it can be undone immediately by "edit" then "undo flatten" or even after several other manipulations (up to 16 in PS 5.5) by going to "history" and deleting "flatten image".The beauty of PS is that before flattening the image you can select either layer and continue to adjust and enhance them separately. You may want to add more saturation to the RGB or apply a nonlinear stretch if the color appears muted. A gaussian blur or a particular filter can be applied to an individual color channel if desired. This can be handy if there is excessive noise or grain in a particular color channel. Additional sharpening filters or unsharp mask can be applied to the luminosity. When you are satisfied with the composite "flatten" the image and save it as an 8 bit tif file (24 bit color). Again make sure you"ve saved the photoshop document.
Fig 5; Flatten the image and save as an 8 bit tiff file (24 bit RGB).
6) Final Touches; Now that you have a high S/N color image, final touches can be made (sharpening, color enhancement, brightness, contrast, etc.). I repair blooming spikes only after the LRGB composite and final adjustments to the color have been completed. Repairing spikes at an earlier stage may result in ugly artifacts and color distortion around the affected stars.
Using a Filtered Luminance
Up to now we have discussed the use of an unfiltered greyscale image as the luminance. This works well with galaxies and other objects having a broad spectral range. However if an object has a specific or narrow spectral emission then a filtered luminance can enhance the nebulosity in the image. Pure emission nebulas can greatly benefit from a "red filtered" or "hydrogen alpha" luminance. Even complex nebulas having detail in a dominant wavelength can benefit from a "filtered" luminance. Favorable effects of using a filtered luminance also include diminished stellar bloating, less blooming, and better preservation of star colors.
Examples of filtered luminance
Cone Nebula region - Traditional LRGB
Cone Nebula region - RRGB
Both images taken with a 6" refractor at F5, luminance 90 minutes
Horsehead Nebula - Traditional LRGB
Horsehead Nebula - RRGB
Both images taken with a 4" refractor at F5, Luminance = 40 minutes for LRGB, 70 minutes for RRGB
Notice the overall improvement in contrast and visibility of the fainter emission nebulosity and the greater detail in the images taken with the filtered luminance (RRGB). Also the RRGB images show smaller stars which retain their natural color better than the stars in the LRGB images. Note also that the overall color balance is not significantly affected.
Filtered Luminance can also be applied to more complex nebulas (see below) to enhance the detail in specific regions of interest. Note there may be some shift of the color balance with a highly filtered luminance such as hydrogen alpha.
M42 - Traditional LRGB
M42 - Hydrogen alpha luminance
Both Image taken with 4" refractor, Luminance 20 minutes for LRGB , 60 minutes for HARGB
M1 - Traditional LRGB
M1 - RRGB
Both M1 images taken with comparable aperture telescopes and similar exposures
Conclusion
Luminance Layering technique can greatly enhance the amateurs ability to successfully produce high quality color CCD astroimages. I hope the above guidelines will help amateurs get started with this new innovative technique.