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Astrofotografie Kamera und Bildbearbeitung Luminanz Hintergrundhelligkeit Nebel Sterne

Gürtel des Orion Canon Eos 400D, Canon EF 200/2.8 Iso1600 1x60s - Rohbild

Gürtel des Orion Canon Eos 400D, Canon EF 200/2.8 Iso1600 1x60s Histogramm gestreckt

Gürtel des Orion Canon Eos 400D, Canon EF 200/2.8 Iso1600 86x60s Komplexe Bildbearbeitung

Objekt Ausdehung Helligkeit Höhe über Horizont Bewegung /s Farbe Größe des Sensors ISO Empfindlichkeit Ausleserauschen Thermisches Rauschen Belichtungszeit Anzahl Aufnahmen Dark Frame Kamera Optik Mechanik Opt. Auflösung Vergrößerung Steifigkeit Montierung Ausrichtung auf Pol Blende (Öffnung) Bildfehler Vignettierung Fokus Farbfilter Autoguider Periodischer Fehler Lichtverschmutzung Korrektur periodischer Fehler Luftfeuchtigkeit Luftunruhe Synchronisation Optik Heizung Windgeschwindigkeit Atmosphärische Refraktion Steuerung Umwelt Detailreiche Astrofotos

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

Verschiedenen Objekte im Histogramm Luminanz Hintergrundhelligkeit Nebel Sterne Roter Kanal 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 Pixelsumme = Menge an Wasser Belichtungszeit =Laufzeit des Wassers Blende = Öffnen des Hahns

NGC2236 auf Canon 60Da durch C11 13 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, Dunkelheit 2. Steulicht im Tubus >> Taukappe, Kuppel, 3. Ausleserauschen des Kamerachips >> gute Kamera 4. 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!

Dunkelbild Iso 200 960 s (Hist. gestreckt) Hot Pixel Hot Pixel

Kamera - Empfindlichkeit & Belichtung Dunkelbild Pixelsumme vs Mittelung Die Mittelung von mehreren kürzer belichteten Aufnahmen führt zu einer Zunahme der Pixelsumme, also Hintergrundhelligkeit.

Kamera - Empfindlichkeit & Belichtung Dunkelbild 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 10000 9000 8000 P ix e lsu m m e St a n d a r d a b w e ic h u n g 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 b ia s ISO 4 0 0 1/8000s d a r k s ISO 4 0 0 1 x2 4 0 s 0 C d a r k s ISO 4 0 0 4 x2 4 0 s 0 C d a r k s ISO 4 0 0 1 0 x2 4 0 s 0 C d a r k s ISO 4 0 0 2 0 x 2 4 0 s 0 C d a r k s ISO 4 0 0 4 2 x 2 4 0 s 0 C 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 60000 50000 P ix e lsu m m e St a n d a r d a b w e ic h u n g 40000 30000 20000 10000 0 d a r k s ISO 4 0 0 1 x 2 4 0 s 2 2 C d a r k s ISO 4 0 0 1 x 2 4 0 s 0 C Bei 22 Zimmertemperatur liegen Pixelsumme und Standardabweichung eines Darkframes um den Faktor 8 bzw. 7 mal höher als bei unter 0 C.

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 Hintergrundhelligkeit Nebel Sterne Roter Kanal 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) mitteln Masterdark 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) Errechneter Hintergrund Rohbild nach Abzug des Hintergrundes 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!

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!

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 Steigende Rechenintensität geebnete Rohbild zueinander ausrichten (Alignment)

Ausgerichtete Rohbilder zu einem Bild verrechnen (Mitteln, Integrieren, Summieren) Geebnetes Einzelbild Mittel aus 8 Einzelbildern 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 Clipping 12 Einzelbilder von M33 mit Satelliten Geebnete Einzelbilder Identifizierte zu helle Pixel (high clipping) Mittelwert mit High und Low clipping 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.

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

Hintergrundhelligkeit entfernen

Anpassung des Kontrastumfangs durch Strecken des Histogramms Ergebnis Schwarz = Max. Hintergrund Mitteltöne = 10% Hintergrund Weiß = hellster Stern

HDR Transformation