filenatur der hintergrundhelligkeit - die hintergrundhelligkeit verschluckt lichtschwache details...
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Astrofotografie Kamera und Bildbearbeitung
Luminanz
HintergrundhelligkeitNebelSterne
Gürtel des OrionCanon Eos 400D, Canon EF 200/2.8 Iso1600 1x60s - Rohbild
Gürtel des OrionCanon Eos 400D, Canon EF 200/2.8 Iso1600 1x60s – Histogramm gestreckt
Gürtel des OrionCanon Eos 400D, Canon EF 200/2.8 Iso1600 86x60s – Komplexe Bildbearbeitung
Detailreiche Astrofotos
MechanikOptik
UmweltSteuerung
Objekt
Kamera
Helligkeit
Höhe über Horizont
Bewegung “/s
Farbe
Opt. Auflösung
Vergrößerung
Blende (Öffnung)
Bildfehler
Fokus
Farbfilter
Steifigkeit Montierung
Ausrichtung auf Pol
Periodischer Fehler
Ausdehung
Größe des Sensors
ISO Empfindlichkeit
Ausleserauschen
Thermisches Rauschen
Vignettierung
Autoguider
Korrektur periodischer Fehler
SynchronisationLuftunruhe
Lichtverschmutzung
Luftfeuchtigkeit
Optik HeizungBelichtungszeit
Anzahl Aufnahmen
Dark Frame Atmosphärische Refraktion
Windgeschwindigkeit
Klarer Himmel• Tiefe Temperaturen• Geringe Luftunruhe• Geringe Lichtverschmutzung• Geringe Feuchtigkeit
Plane• Schutz vor Wind• Schutz vor Störlich
Die Ausrüstung
Optik + Kamera• 135/1:2,8 + Webcam• Canon EF 200/1:2,8 L +
Canon Eos 400D (Astro)
• Celestron 280/2800 mm Hyperstar + Canon Eos 60Da
• Russentonne 100/1000mm + DBK 21AU618 Webcam
Koffer, Laptop, Fernglas, Stuhl, Blenden, Okulare, Filter, PC Bedarf, ...
Netzteile• Montierungssteuerung• Laptop• Eos 400D• Eos 60Da• Lasersucher• C11 Heizung• Eos 200mm Heizung• Russentonne Heizung
IC410
Verschiedenen Objekte im Histogramm Luminanz
Roter Kanal
Hintergrundhelligkeit
Nebel
Sterne
1. Lichtverschmutzung und Rauschen lässt die Verteilung der Hintergrundhelligkeit nach rechts wandern! 2. Vignettierung und Rauschen des Chips lässt die Verteilung der Hintergrundhelligkeit breiter werden.
Sammeln von Photonen
Belichtungszeit=Laufzeit des Wassers
Blende= Öffnen des Hahns
Pixelsumme = Menge an Wasser
NGC2236 auf Canon 60Da durch C1113 s mit ISO 12800
Dunkler Steifen
Natur der Hintergrundhelligkeit
- Die Hintergrundhelligkeit verschluckt lichtschwache Details und muss möglichst vermieden werden.- Offene Blende, lange Belichtungszeiten und hohe ISO Empfindlichkeiten erhöhen die Helligkeit des Objektes aber auch des schädlichen Hintergrunds.- Die Hintergrundhelligkeit ist annähernd normalverteilt (stochastisch). Die Breite der Verteilung (Standardabweichung) nennt man Rauschen.
Die Hintergrundhelligkeit wird durch folgende Effekte verursacht:1. Aufhellung des Himmels (Lichtverschmutzung) >> Filter, Dunkelheit2. Steulicht im Tubus >> Taukappe, Kuppel, …3. Ausleserauschen des Kamerachips >> gute Kamera4. thermisches Rauschen des Kamerachips >> niedrige ISO, kurze Belichtungszeit
Durch Optimierung der ISO Empfindlichkeit, Belichtungszeit und Mittelung von Reihenaufnahmen kann das thermische Rauschen minimiert werden.
Dunkelbild Ausleserauschen oder bias→60Da ISO 400 1/8000 s
Das Ausleserauschen ist unabhängig von der ISO Empfindlichkeit immer gleich!
DunkelbildIso 200 960 s (Hist. gestreckt)
Hot Pixel
Hot Pixel
Kamera - Empfindlichkeit & BelichtungDunkelbild Pixelsumme vs Mittelung
Die Mittelung von mehreren kürzer belichteten Aufnahmen führt zu einer Zunahme der Pixelsumme, also Hintergrundhelligkeit.
Kamera - Empfindlichkeit & BelichtungDunkelbild Standardabweichung vs Mittelung
Die Mittelung von mehreren kürzer belichteten Aufnahmen führt zu einer geringen Zunahme der absoluten Standardabweichung, also dem Rauschen.
Rauschreduzierung der Dunkelbilder durch Mittelung
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b i a s I S O 4 0 01 / 8 0 0 0 s
d a r k s I S O 4 0 01 x 2 4 0 s 0 ° C
d a r k s I S O 4 0 04 x 2 4 0 s 0 ° C
d a r k s I S O 4 0 01 0 x 2 4 0 s 0 ° C
d a r k s I S O 4 0 02 0 x 2 4 0 s 0 ° C
d a r k s I S O 4 0 04 2 x 2 4 0 s 0 ° C
P i x e l s u m m eS t a n d a r d a b w e i c h u n g
Mit steigender Anzahl Bilder zur Mittelung sinkt die Standardabweichung, also das Rauschen, bei gleichbleibender Hintergrundhelligkeit. Bereits bei einer Mittelung von 10 Darkframes mit thermischen Rauschen ist das gemittelte Rauschen geringer als das bias ohne thermisches Rauschen.
Einfluss der Temperatur auf das Rauschen bei Canon Eos 60 Da
Bei 22° Zimmertemperatur liegen Pixelsumme und Standardabweichung eines Darkframes um den Faktor 8 bzw. 7 mal höher als bei unter 0°C.
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d a r k s I S O 4 0 0 1 x 2 4 0 s 2 2 ° C d a r k s I S O 4 0 0 1 x 2 4 0 s 0 ° C
P i x e l s u m m eS t a n d a r d a b w e i c h u n g
Fazit ISO, Belichtungszeit und Reihenaufnahmen
• Unter Berücksichtigung der Nachführgenauigkeit und Materialbiegung sollte die Einzelbelichtungszeit möglichst lang gewählt werden bei niedriger ISO Empfindlichkeit.
• Die Einzelbelichtungszeit darf nur so hoch sein, dass das Histogrammaximum der Hintergrundhelligkeit 20% des Chipumfangs ausmachen. Die Himmelshelligkeit muss deutlich aus dem thermischen Rauschens heraustreten.
• Zur späteren Mittelung werden mindestens 20 Einzelaufnahmen empfohlen. Bei dunklem Himmel sind auch nur etwa 10 Aufnahmen denkbar.
• Kälte ist der beste Freund des Astrofotographen :-)
Rauschoptimierung kennt kein Grenzen
Die gekühlte Canon Eos 60Da
Verschiedenen Objekte im Histogramm Luminanz
Roter Kanal
Hintergrundhelligkeit
Nebel
Sterne
1. Lichtverschmutzung und Rauschen lässt die Verteilung der Hintergrundhelligkeit nach rechts wandern! 2. Vignettierung und Rauschen des Chips lässt die Verteilung der Hintergrundhelligkeit breiter werden.
Schädlicher Einfluss der Himmelsaufhellung
Diese Bilderfolge ist mit denselben Belichtungseinstellungen in der Morgendämmerung gemacht worden. Sie simuliert gut den Schädlichen Einfluss von Aufhellung durch Chiprauschen oder Lichtverschmutzung. Mit zunehmender Himmelshelligkeit werden dunklere Details verschluckt. Gleichzeitig brennt der helle Stern schneller aus. Dem Bild geht Kontrast und Dynamik verloren.
Einfluss der Vignettierung auf das Histogramm
Automatische Neutralisation des Hintergrundes
Mit Hilfe der Pixinsight Background Neutralisation Funktion kann der Hintergrund automatisch abgezogen werden. Selbst die Vignettierung wird etwas ausgeglichen. Dennoch gehen bei dem rechten Bild aufgrund der größeren Himmelshelligkeit viele lichtschwache Details und Sterne verloren.
Vignettierung oder Randabdunkelung
Abhängig von der Blende und Tubusform dunkelt der Rand eines Bildes ab. Hier fallen weniger Photonen des Objektes auf den Chip. Durch Aufnahme eines möglichst homogenen Objektes (Weiße Wand, Nebel, Wolken, klarer Himmel) kann dieser Effekt ermittelt werden. Dieses sogenannte Flatfield Bild dient später der Korrektur der Astroaufnahmen mit Vignetierung.
Das Flatfield muss möglichst exakt mit denselben optischen Einstellungen erfolgen wie die Astroaufnahmen. Das Flatfield selbst unterliegt Bildfehlern (z.B. Schmutz) auf dem Chip oder Rauschen und sollte vor Verwendung geglättet werden.
Die Foto Session
• Montierung und Nachführung ausrichten• Optiken und Kamera auskühlen lassen• Blende einstellen und Taukappen aufsetzen• Optiken fokussieren (Bahtinovblende)• Flatfield aufnehmen (optional)
• Optiken auf Objekt ausrichten• Testaufnahme ISO und Bel. Zeit so wählen, dass Hintergrund →
20% Chipumfang entspricht.• Bei Wartezeiten Dunkelbilder aufnehmen (Optik abdunkeln)• Reihenaufnahmen starten (ohne autom. Dunkelbildabzug)• Bei Wartezeiten Dunkelbilder aufnehmen (Optik abdunkeln)• Bei Temperaturänderung Fokus prüfen!
Die Bearbeitungs Session am PC
• Bilder sichern und sortieren• Unbrauchbare Rohbilder aussortieren• Dunkelbilder (darks) mitteln – mindestens 4fache Menge wie
Rohbilder des Objektes• Gemitteltes Dunkelbild von jedem Rohbild subtrahieren• Korrigiertes Rohbild durch Flatfield dividieren Ebnen→• geebnete Rohbild zueinander ausrichten (Alignment)• Ausgerichtete Rohbilder zu einem Bild verrechnen (Mitteln,
Integrieren, Summieren)• Rauschreduktion am integrierte Bild (Mittelwert, Median, High/Low
Pass)• Schärfen oder Sterne verkleinern• Kontrastumfang bzw. Dynamik: Histogramm Strecken • HDR = Histogramm Strecken in einigen Bildregionen• Gradiationskurven
Eines von 8 Rohbildern des Pelikannebels (spiegelverkehrt)
Canon Eos 60Da, ISO 400, 240 s, Blende 2 bei 560 mm Brennweite C11 mit Hyperstar und CLS Filter auf der Edelweisspitze
Dunkelbilder (darks) mittelnMasterdark aus 42 Einzeldarks gemittelt
Canon Eos 60Da, ISO 400, 240 s
Gemitteltes Dunkelbild von jedem Rohbild subtrahieren
Rohbild Nach Dunkelbildabzug
Nach dem Dunkelbildabzug konnte keine sichtbare Verbesserung der Hintergrundhelligkeit erreicht werden. Zumindest wurden die Hotpixel entfernt. Die Mittlere Pixelhelligkeit des Masterdarks beträgt nur 0,00035 gegenüber 0,007 des Rohbildes. Selbst dunkle Bereiche des Himmels heben eine Pixelhelligkeit von 0,004. Hier zahlt sich der rauscharme Kamerachip, die niedrige Temperatur (ca. 0°C), die niedrige ISO Empfindlichkeit und die kurze Belichtungszeit dank schneller Optik aus.
Automatic Background Extraktor (ABE)
Die Pixinsight Funktion automatic background extraktor kann Lichtverschmutzung und Vignettierung erkennen und automatisch herausrechenen. Doch Vorsicht! Erkennt die Software den Nebel selbst als Hintergrund, so verschwindet auch dieser. Besonders erkennbar in der Ecke oben rechts.
In diesem Fall sollte das ABE nicht benutzt werden!
Errechneter Hintergrund Rohbild nach Abzug des Hintergrundes
Korrigiertes Rohbild durch Flatfield dividieren →Ebnen
Durch das Ebnen werden die Ecken gegenüber dem Zentrum aufgehellt. Doch Vorsicht! Das Rauschen nimmt in den Ecken ebenso zu!
Korrigiertes Rohbild durch Flatfield dividieren →Ebnen
Durch das Ebnen werden die Ecken gegenüber dem Zentrum aufgehellt. Doch Vorsicht! Das Rauschen nimmt in den Ecken ebenso zu!
geebnete Rohbild zueinander ausrichten (Alignment)
Möglichkeiten zum Ausrichten von Bildern• Keine Ausrichten notwendig, da Montierung exakt läuft• Manuelles Ausrichten durch verschieben des Bildes• Semiautomatisches Ausrichten durch anwählen eines oder
mehrerer Sterne• Durch Angabe der Sternkoordinaten jedes Einzelbildes• Automatisches erkennen des Helligkeitsschwerpunktes (z.B. bei
Planeten)• Autokorrelation einzelner Bildbereiche• Automatisches Erkennen von Sternen zum Ausrichten• Autokorrelation des gesamten Bildes
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Ausgerichtete Rohbilder zu einem Bild verrechnen (Mitteln, Integrieren, Summieren)
Mittel aus 8 EinzelbildernGeebnetes Einzelbild
Durch das Mitteln reduziert sich das Hintergrundrauschen deutlich, sodass sogar schwächere Sterne (oben links) deutlich hervortreten. Das Signal zu Rauschverhältnis verbessert sich deutlich.
Verfahren zur Bildintegration- Aufsummieren (Gefahr des Ausbrennens von Sternen)- Mittelwert- Median (resistent gegen leichte Ausreißerpixel)- Sigma (rechenintensiv, aber kann sogar Satelliten herausrechnen)
Integration mit Sigma Clipping12 Einzelbilder von M33 mit Satelliten
Pixelwerte aus den 12 Bildern, die gegenüber den anderen Werten ein Vielfacher der Standardabweichung nach oben oder nach unten in ihrer Helligkeit abweichen, werden herausgerechnet. Hier am Beispiel von Satellitenspuren.
Geebnete Einzelbilder
Identifizierte zu helle Pixel (high clipping) Mittelwert mit High und Low clipping
Anpassung des Kontrastumfangs durch Verschieben/Strecken des Histogramms
Die Mittlere Gesamthelligkeit des Bildes wird auf 0,4 gesetzt, um die Rauschunterdrückung später besser Wirken zu lassen.
Rauschreduktion am Integrierte Bild (Mittelwert, Median, High/Low Pass)
Die ACDNR Funktion glättet nur lichtschwache Bereiche (Hintergrund) und verschont Sterne vor dem Verschmieren in gewisser Weise.
Rauschreduktion vs Histogramm
Rauschreduktion vs Histogramm
Hintergrundhelligkeit entfernen
Anpassung des Kontrastumfangs durch Strecken des Histogramms
Schwarz = Max. Hintergrund
Weiß = hellster Stern
Mitteltöne = 10% Hintergrund
Ergebnis
HDR Transformation