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Astro / Digitale Bildverarbeitung

Bilddaten zur Standard-Reduktion

Die Bilder auf der rechten Seite zeigen typische Daten, die bei der Standardreduktion mit meiner Canon 5D anfallen. Die Bilder sind Mitelwerte von 5-15 Einzelbildern, d.h. das Rauschen ist schon relativ stark unterdrückt und die intrinsischen Strukturen der verschiedenen Effekte werden damit sichtbar.

Alle Bilder sind Rohbilder (RAW), wie sie vor der Erzeugung von RGB-Bildern (Umwandlung der Bayer-Array-Daten in RGB pro Pixel) vorhanden sind, und deshalb in Schwarz-Weiss dargestellt.

Weitere Erläuterungen siehe unten im Text.

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Offset (Dark mit t=0sec, 4x4 bin)

Die Streifenstruktur rührt von den Details des Ausleseprozesses her.

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Dark-1200sec (bei ISO 400 und T=21°C, 4x4 bin)

Offset wurde hier bereits abgezogen, die verbliebenen Strukturen zeigen die Variation des Dunkelstroms über die Chipfläche. Die (DSLR-typische) Aufhellung rechts oben rührt von der Emission des on-chip Verstärkers her.

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Flatfield (Himmelsflat mit kurzer Belichtungszeit, 4x4 bin)

Sichtbar ist vor allem die Vignettierung des Detektors durch die Pentax-Optik (ca 15% des zentralen Maximalwerts), sowie einige Verunreinigungen (Staub) auf dem Detektorfenster

Bildaufnahme

Die Bilder werden wie folgt aufgenommen.


• RAW-Format (+ small jpeg für Übersichtszwecken)
• Farbraum Adobe RGB
• Einstellungen Standard (lineare Gradation, keine Schärfung,...)
• Spiegelvorauslösung
• Timer zur Belichtungssteuerung
• Standardisierte ISO Setzungen ja nach Bedingungen (Hintergrundhelligkeit, nur ISO=100, 400, 1600)
• Standardisierte Belichtungszeiten (für Verwendung von Dark-Bibliotheken, nur t=20min, 10min, 5min, 1min)
• Flatfields möglichst am Dämmerungshimmel (Skyflats)
• Darks werden als temperatur-abhängige Bibliotheken erzeugt

Standard-Reduktion

Unter Standard-Reduktion (manchmal auch als 'Kalibration' bezeichnet) wird die Beseitigung der klassischen instrumentellen Effekte von CCD-Detektoren verstanden, also:


• Bias oder Offset     (Dark mit Belichtungszeit 0sec)
• Dunkelstrom     (Dark mit zur Objektaufnahme identischer Belichtungszeit)
• Flatfield     (Pixel-zu-Pixel Variation, Empfindlichkeit, Vignettierung, Staub, Aufnahme eines intrinsisch flachen Hintergrunds)

Bei Verarbeitung von DSLR-Bildern werden alle diese Effekte ausreduziert bevor aus den Rohdaten (RAW Fomat, .cr2 files) die Farbinformationen für alle 3 RGB-Kanäle hergestellt werden (vor Interpolation der Bayer-Matrix auf RGB-Information pro Pixel). Die bearbeiteten Bilder sind deshalb hier zunächst Schwarz-Weiss-Bilder wie monochrome CCD-Bilder, bei 100%Ansicht sind darin jedoch die 2x2 Pixel Blockstrukturen der Bayer-Matrix sichtbar. Unten sind beispielhaft 3 entsprechende (mittlere) Bilder aus der Standard-Reduktion einer Canon 5D dagestellt.

Zum Mitteln von Bildern (Erhöhung des S/N um √n) wird dabei Median oder Kappa-Sigma-Clipping verwendet (beide vermeiden Beeinflussung des Ergebnisses durch statistische Ausreisser, z.B. Cosmics).

Die Reduktion erfolgt in mindestens 16bit Tiefe pro Pixel (16bit Integer Arithmetik, TIFF oder FITS Format, 2 byte/pix) z.B. mit Iris oder Fitswork. Manche Programme (z.B. AIP4WIN) erlauben auch verlustfreie 32bit (32bit floating-point Arithmetik, FITS Format, 4 byte/pix). Die Wandlung auf nur 8bit Farbtiefe (JPEG Format) erfolgt immer erst direkt vor dem Export der Bilder für das Web. Typische Filegrössen (bzw. Memory-Anforderungen) für ein Bild in den verschiedenen Formaten sind für die Canon 5D (12 MPix):


• 12bit RAW:   10-12 MB (.cr2, rein rechnerisch 18 MB)
• 8bit:               36 MB (.jpg ca 4-6 MB)
• 16bit:             72 MB (.tif, .fts)
• 32bit:             144 MB (.tif, .fts)

Bildaddition

Zur Erhöhung des S/N werden Bilder pixelgenau überlagert und addiert (derzeit in PS, Positionierung mit Differenz von Ebenen). Bei guter Auflösung der Daten am Sampling-Limit (FWHM der Sterne nahe 2pix) werden die Bilder vorher um einen linearen Faktor 2 grösser rebinnt um Verschiebungen <1pix sinnvoll ausführen zu können. Die Filegrössen + Memory-Anforderungen vervierfachen sich dabei allerdings (16bit Farb-Bilder haben danach ca 300 MB). Die Anforderungen an Rechenleistung, Memory und schnellen Plattenplatz (swap space) sind jedoch gross, besonders bei komplexeren Operationen (Filterung).

Wenn Sterne durch Nachführfehler unrund erscheinen, werden die Bilder vor der Addition mit nicht-isotropen Filtern bearbeitet (z.B custom filter in Photoshop) um die PSF (point-spread-function, Punktverbreiterungsfunktion) zirkularsymmetrisch zu machen. Dazu müssen die Bilder u.U. auf die Hauptachsen der PSF (und später zurück) gedreht werden.

Bildbearbeitung in Photoshop

Sofern keine komplexeren Operationen notwendig sind (Entfaltung, komplexe Noise-Reduktion etc) erfolgt die weitere Bearbeitung in Photoshop CS2 (engl. Version), wegen der hervorragenden (auch quantitativen) Einflussmöglichkeiten und Layeringtechnik (Ebenen, HDR verwende ich derzeit nicht). Dabei werden vor allem verwendet:


• Levels (Schwarz/Weiss-Punkt)
• Curves (Gradationskurven einzeln pro Farbkanal)
• Color Balance (Farbbalance, Weissabgleich)
• Saturation (Farbsättigung)
• Noise filter (Rauschfiltern, Gaussian)
• Sharpen (Schärfungsfilter, smart, unsharp mask, custom filter)
• Filter (custom filter, box)

Um beim Ausdrucken von Bildern reproduzierbar vorgehen zu können wurde der TFT-Bildschirm mit Hilfe von Testfotos und Testprints zumindest grob kalibriert. Diese garantiert, dass es beim Bestellen von Abzügen (Labor mit reproduzierbarem Farbmanagement) keine bösen Überraschungen gibt.

Im allgemeinen werden die Bilder so bearbeitet, dass die 8bit-Dynamik komplett ausgeschöpft wird (Weiss- und Schwarzpunkt). Mit Hilfe von Gradationskurven werden meist die Mitten angehoben, ausserdem die Tiefen abgesenkt und die Höhen angehoben (steilerer Kontrast). Die Farbbalance wird mit dem Himmelshintergrund (dunkles Grau), Eichsternen (G2V Sterne) oder aber rein ästethisch mit dem Auge durchgeführt. Für eine bestimmte Auflösung (Rebinning) werden die Bilder zum Teil noch leicht geschärft. Danach erfolgt die Konversion nach 8bit und ins Jpeg-Format.


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