Astrofotografie

Darkframe / Dunkelbildabzug



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Darkframe / Dunkelbildabzug

Eine ausführliche Anleitung, wie zur Qualitätsverbesserung von DeepSky-Aufnahmen mit der ToUcam ein Dunkelbildabzug durchgeführt wird


Das Rauschen der ToUcam stellt bei DeepSky-Aufnahmen ein ziemlich großes Problem dar. Zwar läßt sich dieses duch die Addition möglichst vieler Einzelbilder sehr wirkungsvoll reduzieren, doch im ´Arbeitsfeld Deepsky´ möchte man ganz gerne den stark vergrößerten Signal-Rauschabstand zur Gewinnung ´zusätzlicher´ Belichtungszeit (näheres auf der Seite Rauschreduktion) nutzen. Dabei werden die meist kleinen Ausschnitte im Histogramm, die die Nutzinformationen liefern, sehr stark gedehnt, was man sich bei dem meist ´16-bittigen´ Summenbild ja auch leisten kann.

 

Das FPN

Doch das wirft gleich zwei Probleme auf: Einmal wird das geringe Restrauschen, das im Summenbild immer noch vorhanden ist, wieder verstärkt, und zum anderen tritt ein Effekt auf, den die Fachleute FPN nennen, und der sich zum einen als streifiges Muster und zum anderen als ´statisches Rauschen´ in der Aufnahme sehr störend bemerkbar macht. Dieser Effekt wird durch die Streuung des Dunkelstroms der einzelnen Pixel auf dem Chip verursacht und verstärkt sich mit zunehmender Umgebungstemperatur und mit zunehmender Belichtungszeit.

Glücklicherweise handelt es sich bei diesem FPN um einen systematischen Fehler. Im Gegensatz zum ´echten´, statistischen Rauschen (Ausleserauschen, Dunkelrauschen), dessen Werte nicht vorhergesagt werden können, läßt sich der mittlere Dunkelstrom eines Pixels sehr wohl vorhersagen. Dieser kann mit der folgenden Vorgehensweise weitgehend beseitigt werden:

 

Beispiel Webcam

Einzelaufnahme
640×480, 40.922 Bytes

 
 Einzelaufnahme

Als ´Versuchskaninchen´ mußte diesmal Jupiters Geist herhalten. Im Livebild erscheint uns der ´Geist´ eher etwas unscheinbar im Farbrauschen des Kamerachips. Bei genauerer Betrachtung fällt auf, daß das Rauschen nicht völlig gleichmäßig ist, sondern eine erkennbare streifige Struktur aufweist.
Summenbild ohne Dunkelbildabzug
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Unbearbeitetes Summenbild

´Lehrbuchmäßig´ machen wir zur Rauschunterdrückung ein Summenbild aus 256 Additionen, was zur Folge hat, daß das Rauschen fast völlig verschwindet. Rein rechnerisch hat sich das Signal/Rauschverhältnis jedoch ´nur´ versechzehnfacht (Wurzel aus 256). Der ´Geist´ hebt sich nun deutlich vom Hintergrund ab. Übrig bleiben allerdings die systematischen Fehler, die durch das FPN des Kamerachips verursacht werden. Deutlich an den häßlichen Streifen zu erkennen. Auch das gemittelte Rauschen, das zusammen mit dem Dunkelstrom als heller Hintergrund den Kontrast der Aufnahme vermindert, ist hier noch nicht entfernt worden.
 
Darkframe / Dunkelbild
640×480, 7.882 Bytes
Summiertes Dunkelbild

Wir brauchen also noch mal das exakt gleiche ´verrauschte Streifenmuster´, jedoch ohne Sterne, Geister oder sonstige Inhalte. Nur das pure FPN, das wir von jeder Einzelaufnahme vor der fortlaufenden Addition abziehen können. Selbstverständlich muß auch so ein Dunkelbild zur Unterdrückung des statistischen Rauschanteils gemittelt - sprich - aufaddiert werden. Je mehr Additionen, desto besser!

Die einfachste und zugleich mit Abstand eleganteste Methode besteht darin, bei ´nicht-astrotauglichem´ Wetter eine Bibliothek von Darks anzulegen, jeweils mit gleichen Kameraparametern und Umgebungstemperaturen. Damit aus den Darks möglichst wenig zusätzliches Rauschen in die Aufnahme eingebracht wird, sollte die Anzahl der aufsummierten Einzelbilder des Darks die der ´produktiven´ Aufnahme mindestens um das 4-fache übersteigen, in diesem Beispiel sind also mindestens 1.024 Dunkelbilder zu addieren.
 
Summenbild mit Dunkelbildabzug
640×480, 4.072 Bytes
Aufgehelltes Summenbild nach Dunkelbildabzug

Die Folgen für das Summenbild sind einigermaßen dramatisch, wenn man vor jeder Addition das gemittelte und natürlich skalierte Dunkelbild abzieht. Erstens verschwindet der helle Hintergrund, der ja nur ein Überbleibsel des gemittelten Rauschens mit dem ´Helligkeitsoffset´ Dunkelstrom darstellt. Und zweitens verschwindet das ´FPN-Streifenmuster´ mit seinem Rauschanteil fast vollständig. Und ganz nebenbei wird noch ein eventuell auftretender Farbfehler ausgeglichen, und vor allem der Kontrast des immer noch unbehandelten Summenbilds beträchtlich gesteigert.

Um das unbearbeitete Summenbild, das jetzt natürlich sehr dunkel wird, überhaupt noch darstellen zu können, habe ich das Bild etwas aufgehellt.
 
Summenbild mit Dunkelbild- und Hotpixelabzug
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Gleiches Summenbild mit Hotpixelmaske

Zwar werden die unvermeidlichen Hotpixel des Kamerachips (das sind einige fehlerhafte Zellen, die sich auf jedem Kamerchip finden lassen) ebenfalls stark abgeschwächt, doch ganz verschwinden werden sie manchmal nicht. Dann empfiehlt es sich, aus dem gemittelten Dunkelbild eine sogenannte ´Hotpixelmaske´ anzufertigen. Diese kann z.B. im Giotto leicht eingemessen und beim Erstellen des Summenbildes berücksichtigt werden. Im Ergebnis tauchen diese Hotpixel nun als ´Schwarze Löcher´ auf, was beim normal dunklen Himmelshintergrund aber nicht weiter stören sollte.
 
Histogramm gedehnt
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Gleiches Summenbild nach Histogrammdehnung

In einem solchen (16- oder 32-Bit!) Summenbild stecken ungeahnte Möglichkeiten! Zunächst kann man das Histogramm strecken, in dem man nur auf den Anteil eingrenzt, in dem auch die eigentlichen Bildinformationen stecken. Im sehr empfehlenswerten FitsWork sind das die beiden roten Schieberegler im Histogrammfenster. So geschehen im Bild links, wo das Histogramm um etwa den Faktor 4 gedehnt wurde, was einer gleichhohen, verlustfreien Kontrastverstärkung entspricht. Der gewählte Faktor ist in diesem Falle ein guter Kompromiß zwischen Kontrast- und Rauschverstärkung. Bei Bildinhalten mit stark unterschiedlich hellen Inhalten, etwa ein schwacher Planetarischer Nebel und sehr helle Vordergrundsterne hat sich eine logarithmische Helligkeitskurve bewährt.
 

Beispiel Atik 16IC-HS


DunkelbildDunkelbild 16 × 30s

Das scheinbar stark verrauschte Dunkelbild (Aufdehnen des Helligkeitsbereichs) zeigt neben dem Rauschen ein auffälliges Muster als Teil des FPN.

MasterdarkMasterdark 1310 × 30s

Eigentlich sollte ein Bild nach 1310-maligem Stacken keinerlei sichtbares Rauschen mehr zeigen. Soweit es das statistische Rauschen (im wesentlichen das Ausleserauschen) betrifft, stimmt das auch. Was wir hier aber sehen, ist das pure FPN, also diese typische verrauschte Störstruktur. Vom Summenbild oben ziehen wir nun dieses Masterdark ab...

Dunkelbild nach AbzugDunkelbild nach Abzug

... und siehe da, die Störungen sind nun vollständig verschwunden. Übrig bleibt das ganz ´normale´, zur Zeit leider immer noch unvermeidbare Ausleserauschen.

Das Gesamtrauschen ging nach nur 16-fachem Stacken von 21 ADU auf 20 ADU (RMS) zurück. Dieser rauschmindernde Effekt wird übrigens mit zunehmender Anzahl der gestackten Bilder linear stärker.

Alle Bilder können durch Anklicken vergrößert werden.

Fazit:

Der Dunkelbildabzug ist eine einfache und zugleich äußerst wirkungsvolle Methode, systematische Fehler, die durch die Kamera selber verursacht werden, zu beseitigen. Sehr wichtig beim Anfertigen des Dunkelbildes sind die Kameraeinstellungen und die Umgebungstemperatur, die exakt mit denen der Aufnahme übereinstimmen müssen. Leider ist in der Praxis oft zu beobachten, daß bestimmte Kameraeinstellungen von der Aufnahmesoftware gerne etwas eigenmächtig verstellt werden, so daß man die Dunkelbilder wie weiter oben beschrieben, mit größter Sorgfalt anfertigen sollte. Ein gutes Dunkelbild eröffnet der ToUcam aber auch der DSLR dafür ungeahnte Möglichkeiten, wenn es darum geht, lichtschwache Himmelobjekte recht ordentlich darzustellen.

Die Praxis in Kurzform:

  1. Ca. 10.000 (Webcam), 800 (Astrocam) bzw. 200 (DSLR) Dunkelbilder machen, Umgebungstemperatur und Kameraeinstellungen gut merken. Bei der DSLR unbedingt das RAW-Format verwenden.
  2. Aufsummieren in Fitswork, Summenbild als FITS (32-bit-Integer) speichern. Umgebungstemperatur und Kameraeinstellungen sollten aus dem Dateinamen hervorgehen, z.B. dark.webcam.02s.-5C.10000ADD.fit oder dark.EOS1000.30s.-5C.200ADD.ISO800.fit. Keine Farbdekodierung bei DSLR-Raws!
  3. Summenbild in Fitswork skalieren, also durch die Anzahl der addierten Einzelaufnahmen dividieren und als FITS (32-bit-Fließkomma) speichern.
    Dateiname z.B. dark.webcam.02s.-5C.10000ADD.skaliert.fit
  4. Aufnahmeserie in Fitswork zum Summenbild stacken. Dabei als ´Schritt 2´ vor dem Addieren erst mal das für diese Aufnahme geeignete skalierte Dark abziehen (subtrahieren). Bei Webcam- bzw. DSLR-Raws als ´Schritt 3´ vor dem Addieren die Farbdekodierung (am besten nach der Methode ´modified Kimmel´) durchführen. Näheres zur Stapelverarbeitung in Fitswork » hier
  5. Das Summenbild als FITS (32-bit-Fließkomma) speichern.
  6. Summenbild weiter bearbeiten und unter anderem Namen abspeichern.

Nun sollte der Weg frei sein für Deep Sky mit der ToUcam, fehlt eigentlich nur noch der sternklare Nachthimmel dazu...

 
 
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