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Californianebel & PixInsight

Während den Semesterferien im Winter 2018 entstand eine Aufnahme von NGC 1499 „Californianebel“. Zudem haben wir einen neuen Workflow für die Verarbeitung der Bilddaten mit PixInsight verwendet.

Californianebel

NGC 1499 „Californianebel“

Seit einiger Zeit verwenden wir für die Bildverarbeitung ausschliesslich PixInsight. Unten kann man sehr klar den Unterschied zwischen dem alten und dem neuen Bild erkennen. Die Raw-Daten sind bei beiden Bildern die gleichen. Der Unterschied liegt nur in der Aufarbeitung der Daten. Das alte Bild wurde noch mit DeepSkyStacker gestackt und anschliessend mit Photoshop gestreckt und verfeinert.

Für diejenigen unter euch, die sich nicht mit Astrofotografie auskennen, möchte ich hier erläutern, welche Prozesse ungefähr durchlaufen werden, um ein Ergebnis wie oben zu erhalten.

Bildaufnahme

Bevor man mit der Verarbeitung der Daten beginnen kann, müssen diese zuerst gesammelt und erzeugt werden. Dieser Prozess lässt sich in 4 Typen von Bildern unterteilen.

Lights

Der erste und wichtigste Schritt zu einem guten Endbild sind gute Einzelbilder, die so genannte Lights. Lights bezeichnen die eigentlichen Bilder, die vom gewünschten Objekt erstellt werden. Bei der Qualität der Lights spielen viele Faktoren eine Rolle.

Die besten Bilder entstehen bei Bodennebel, der das Licht der Zivilisation davon abhält, den Himmel zu „verschmutzen“. Weiter muss das Tracking und Guiding während dem Belichten möglichst akkurat sein. Mit anderen Worten dürfen sich die Sterne relativ zum Kamerasensor nicht bewegen, da ansonsten nicht punktförmige und im extremen strichförmige Sterne auf den Bildern entstehen. 

Ein weiterer Faktor sind Luftunruhen, Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Letzteres spielt insbesondere bei ungekühlten oder älteren Sensoren eine Rolle, da bei niedrigeren Temperaturen weniger thermisches Rauschen vorhanden ist.

Darks

Wie im oberen Abschnitt bereits erwähnt erzeugt die Tatsache, dass der Sensor eine gewisse Temperatur hat Rauschen. Dieses Rauschen ist auch in den Lights vorhanden, jedoch unerwünscht.

Thermisches Rauschen ist nicht deterministisch, sondern zufällig, hält sich jedoch in gewissen Grenzen. Dieses Phänomen wird deterministisches Chaos genannt. Um eine Abschätzung für das Mass des Rauschens zu erhalten, werden Darks erstellt. Dazu wird die Kamera auf die selbe Temperatur wie die Lights gekühlt und der Sensor von allen Lichtquellen abgeschirmt. Die Belichtungszeit und Anzahl der Darks wählt man im optimalen Fall gleich, wie bei den Lights.

Mit den Darks wird auch das Verstärkerglühen reduziert und Dark- und Hotpixel, defekte Pixel auf dem Sensor, aus den Bildern entfernt.

Darks werden von den Lights subtrahiert!

Flats

Staubpartikel auf der Linse / Spiegel des Teleskopes, auf den Filtern oder dem Sensor;  der Sekundärspiegel eines Spiegelteleskop und die optischen Eigenschaften von Linsen schatten Teile des Sensors ab. Diese sind nicht gänzlich dunkel sondern erscheinen weniger hell. Mit Hilfe der Flats können diese Unterschiede in der Helligkeitsverteilung korrigiert werden.

Flats können mit Hilfe spezieller Flatfield Panels, mit dem Himmel in der Dämmerung oder eines weissen Tuches, welches möglichst gleichmässig mit einer Lampe beleuchtet wird, erstellt werden. Die erste Methode mit den Flatfield Panels ist qualitativ die beste, unkomplizierteste und effizienteste Methode, jedoch mit zusätzlichen Kosten für das Panel verbunden.

Beim Erstellen von Flats werden die Pixel des Kamerasensors gleichmässig mit ca. 1/3 ihrer Auflösung ausgeleuchtet. Bei einem 16-bit Sensor entspricht dies ungefähr einem ADU Wert von 20’000. Für ein gutes Ergebnis reicht es ca. 15 Flats zu erstellen.

Lights werden mit den Flats dividiert! Dadurch werden dunklere Bereiche im Light heller und vice versa.

Bias

Bias oder auch Offsetframes repräsentieren den Auslesefehler, der beim Auslesen von CCD Kameras entsteht. Um Bias zu erstellen wird ein Dark mit der kürzesten möglichen Belichtungszeit aufgenommen. Es werden möglichst viele (200 und mehr) Bias benötigt.

Bias werden ebenfalls von den Lights subtrahiert!

Image Calibration Process

Bildverarbeitung

Der folgende Abschnitt bezieht sich auf den Prozess, welcher mit PixInsight durchlaufen wird. Bei anderen Programmen wie DeepSkyStacker, MaximDL oder Fitswork ist das Prinzip gleich oder sehr ähnlich.

Im ersten Schritt werden alle Bilder registriert und Masterdarks, -flats und -bias erzeugt (z.B. mit ImageCalibration und ImageIntegration). Master Bilder bezeichnen in PixInsight sogenannte Summenbilder und dienen dazu, Fehler beim Erstellen der Flats zu korrigieren, das totale mittlere Rauschen und der Auslesefehler bei den Darks und Bias zu ermitteln. In diesem Prozess werden die Bilder anhand ihres Types und verschiedenen Eigenschaften bewertet. Unbrauchbare Daten werden in diesem Schritt entfernt.

Im Preprocessing werden die Masterdarks, -flats, und -bias auf alle Lights angewendet. Diese werden ausgerichtet (aligned) und summiert (gestackt) um ein einzelnes Bild zu erhalten, welches weiterverarbeitet werden kann (z.B. StarAlignment und ImageIntegration). Dieser Schritt nimmt uns ca. 1-3h in Anspruch, wenn alle Schritte einzeln durchgeführt werden und die Einstellungen manuell angepasst werden.

Für das Postprocessing gibt es verschieden Workflows, welche im Internet zu finden sind und sich auch immer wieder verändern, wenn neue Skripte und Funktionen zu PixInsight hinzugefügt werden. Der Zeitaufwand für das Postprocessing beläuft sich auf minimal 2h und ist nach oben praktisch unbegrenzt. Ganz allgemein kann man das Postprocessing in einen linearen und einen nicht linearen Teil unterscheiden. Der lineare Teil besteht grob aus folgenden Schritten:

  • Zuschneiden: z.B mit DynamicCrop
  • Hintergrund korrigieren: z.B. mit DynamicBackgroundExtraction
    Korrigiert Unebenheiten / Gradient des Hintergrundes
  • Farbkalibrierung: z.B. mit PhotometricColorCalibration
    Die Farben werden anhand von photometrischen Messungen von Sternen kalibriert
  • Verzerrungen korrigieren: z.B. mit DynamicPSF
    Dieser Prozess wird als Deconvolution bezeichnet
  • Rauschreduzierung: z.B. mit SCNR, TGVDenoise

Das lineare Bild wird gestreckt und in ein nicht lineares Bild umgewandelt und dort weiterverarbeitet:

  • Strecken: z.B. mit HistogramTransformation
  • Rauschreduzierung: z.B. mit ACDNR
  • Schärfen: z.B. mit HDRMultiscaleTransform
  • verschiedene Kontrast und Farbanpassungen: z.B. mit
    LocalHistogramEqualization
    CurvesTransformation
    DarkStructureEnhance

Im letzten Schritt können noch weitere Anpassungen, wie eine Reduktion der Sterngrösse und spezielle Funktionen je nach Art des Objektes, vorgenommen werden. Dabei ist die Meinung der Community gespalten, was noch als Verarbeitung und was als Bearbeitung und Manipulation gilt. Schlussendlich sollte jeder selber entscheiden und mit dem eigenen Ergebnis zufrieden sein.

CalifornianebelCalifornianebel
Links

Grundlagen – Pixinsight PDF (Simon Großlercher)
www.skypixels.at/downloads/PixInsight/tutorials/workshop_3/Grundlagen-PixInsight.pdf

PixInsight Resouces
www.pixinsight.com/resources

Light Vortex Astronomy Tutorials (Kayron Mercieca)
www.lightvortexastronomy.com/tutorials

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