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