Astrofotografie :: Die Funktionsweise der Philips ToUcam

Die Funktionsweise der Philips ToUcam

Das Licht, das durch das Kameraobjektiv - das kann natürlich auch ein Teleskop sein - auf den Farbchip fällt, erzeugt in diesem elektrische Ladungen, die gemessen, verstärkt, digitalisiert, bearbeitet, komprimiert und schließlich als fertiges Farbbild via USB-Schnittstelle zum Rechner transportiert werden.

Wie man sieht, entspricht das, was beim Rechner ankommt, keineswegs dem, was der Chip erfaßt, sondern vielmehr einem recht stark vorverarbeiteten und leider auch verfremdeten Abbild, welches auf dem Bildschirm einen möglichst guten subjektiven Eindruck hinterlassen soll. Leider ist diese Art der Vorverarbeitung für die Astrofotografie nicht wirklich optimal, wie wir im folgenden sehen werden.

Der Kamerachip ICX098BQ / Bayer-Matrix

Auf dem Kamerachip der ToUcam sind 307.200 nutzbare lichtempfindliche Zellen wie auf einem Schachbrett angeordnet, vor denen je 'Farbquadrupel' ein roter, zwei grüne und ein blauer Mikrofilter angebracht sind. Das alleine macht noch kein Farbbild, sondern nur ein pixeliges, verschwommenes Graustufenbild, das aber im Prinzip schon die kompletten Farbinformationen beinhaltet. Dazu später mehr.
 

• Der Verstärker - "Gewinn", "Kontrast" und "Gamma-Wert"

Nun werden die geringen Spannungswerte einer jeden Zelle nacheinander ausgelesen und verstärkt, wobei der Grad der Verstärkung mit der Kameraeinstellung "Kontrast" beeinflußt werden kann. Leider wird bei zusätzlicher Verstärkung nicht nur das Signal vom Kamerachip verstärkt, sondern auch das thermische Rauschen des Chips und das des Verstärkers selber. Zusätzlich kann dem Chipsignal mit der Kameraeinstellung "Gewinn" noch eine Gleichspannung überlagert werden, wobei zusätzlich die Verstärkung ebenfalls zunimmt. Dadurch wird das Bild insgesamt heller, kontrastreicher, leider aber auch stärker verrauscht. Am Signal-Rausch-Abstand ändert sich in beiden Fällen nichts, daher ist ein 'Gewinn' größer '0' nur dann sinnvoll, wenn die maximale Belichtungszeit von 1/25s nicht mehr ausreicht.

Zusätzlich kann die im Prinzip lineare Übertragungskurve des Verstärkers mit der Einstellung "Gamma-Wert" beeinflußt werden. Linear bedeutet dabei 'Gamma mittig'. Wird diese Kurve nach unten durchgebogen, dann arbeiten wir mit kleineren Gammawerten und verstärken den Kontrast in den hellen Bildanteilen. Bei einer nach oben durchgebogenen Kurve ist es genau umgekehrt - hohe Gamma-Werte verstärken den Kontrast in den dunklen Bildanteilen und machen das Bild subjektiv heller.
 

• Der Signalprozessor

Die Steuerung des Kamerachips, sowie die Vorverarbeitung - Entrauschen, Schärfen, Komprimieren und Übertragen zum Rechner übernimmt ein digitaler Signalprozessor vom Typ SAA8116HL, der seinerseits über mehrere Parameter gesteuert wird, die in einem EEPROM vom Typ 24C04 hinterlegt sind. Der Clou dabei ist, daß diese Parameter von "außen" zugänglich und damit änderbar sind.

Doch wie entsteht nun aus dem pixeligen Graustufenbild das subjektiv recht ansehnliche Farbbild, das wir von der ToUcam kennen? Dazu sind eine Reihe an verschiedenen Verarbeitungsschritten notwendig, wie im folgenden näher erläutert.

1. Graustufenbild digitalisieren

Zur Weiterverarbeitung müssen die vorverstärkten (Stichwort 'Kontrast', 'Gewinn', 'Gamma') analogen Spannungswerte vom Sensorausgang nun digitalisiert, also in Zahlenwerte umgewandelt werden. Dieser Arbeitsschritt wird von dem ADC (TDA8787A, Bild links) vorgenommen. Doch das ist alles nicht so einfach wie es klingt!

Zunächst braucht man zwei Referenzspannungen, eine "untere" für den dunkelsten zu erwartenden Helligkeitswert und einen "oberen" für den hellsten. Die Differenz zwischen diesen beiden Spannungswerten wird in 1.024 Stufen von 0 bis 1.023 eingeteilt und das Eingangssignal damit verglichen. Auf diese Weise bekommt jeder Bildpunkt seine "Helligkeitsnummer" von 0 (schwarz) bis 1.023 (weiß). Soweit die Theorie.

Im ADC TDA8787A ist ein programmierbarer Vorverstärker integriert. Dieser wird über einen im EEPROM hinterlegten Parameter auf einen bestimmten Wert eingestellt, wobei der Signalprozessor dem ADC diesen Wert übermittelt.

Um eine kräftige Kontrastverstärkung zu bekommen, ist dieser per Voreinstellung sehr hoch, was an beiden Enden des Histogramms zu extremen Sättigungseffekten führt und den Dynamikbereich der Kamera stark einschränkt. Gut für kontraststarke Webcambilder aber pures Gift für die Astrofotografie! Insbesondere bei Mond- und Sternfeldaufnahmen gehen hier gleich massenweise Bildinformationen verloren!!! Glücklicherweise kann man auch diese Einstellung im EEPROM der ToUcam ändern.

2. Farbbild erzeugen (Farbinterpolation)

Nach dem Digitalisieren, das im ADC, wie schon angedeutet, mit 10 Bit (=1.024 Graustufen) stattfindet, werden die in dem Rohbild enthaltenen Farbinformationen folgendermaßen dekodiert:

		R: Wert des roten Pixel in der Mitte G: Mittelwert der 4 benachbarten grünen Pixel B: Mittelwert der 4 benachbarten blauen Pixel
		R: Mittelwert der beiden benachbarten roten Pixel G: Wert des grünen Pixel in der Mitte B: Mittelwert der beiden benachbarten blauen Pixel
		R: Mittelwert der 4 benachbarten roten Pixel G: Mittelwert der 4 benachbarten grünen Pixel B: Wert des blauen Pixel in der Mitte
		Bei näherer Betrachtung wird sofort klar, daß zum Dekodieren der Farbinformationen Werte benachbarter Pixel herangezogen werden (Farbinterpolation), was automatisch dazu führt, daß die aufgrund der Pixeldichte zu erwartende Detailauflösung bei weitem nicht erreicht wird! Mit ein wenig Mathematik kann man zeigen, daß das effektive Auflösungsvermögen der ToUcam im 640×480 -Modus nur einer Schwarz-Weiß-Kamera mit 416×312 Auflösung entspricht. Dies sollte auf jeden Fall bei der Wahl der effektiven Teleskopbrennweite (Barlowlinse / Okularprojektion) berücksichtigt werden! Also eine nachträgliche Verkleinerung gleich mit einkalkulieren.

 
Und es gibt noch eine weitere Besonderheit, die gerne übersehen wird: Während für Rot und Blau im Durchschnitt jeweils 7 Pixel gemittelt werden, sind es für Grün zwei Pixel mehr, was zu einem geringeren Farbrauschen im grünen Teilbild führt. Dies kann in einem G-RGB Komposit ausgenutzt werden.

3. Rauschfilter

Im nächsten Arbeitsschritt wird das aus dem Chip, dem Verstärker und dem 10-Bit ADC stammende Rauschen so gut es geht aus dem Farbbild entfernt. Leider geht das noch einmal auf Kosten der Detailauflösung. Das Farbbild ist nun richtig unscharf! Der Rauschfilter kann im EEPROM der Kamera abgestellt werden.

4. Schärfen

Um dem Farbbild einen subjektiv guten Eindruck zu verleihen, wird das ziemlich schwammige Farbbild sehr kräftig nachgeschärft, was das immer noch vorhandene Restrauschen aber wieder etwas verstärkt. Im Ergebnis sieht man ein auf den ersten Blick recht scharfes Farbbild, dem aber leider nochmals einige feine Detailinformationen fehlen. Auch das Nachschärfen kann im EEPROM der Kamera abgestellt werden.

5. Auf 8 Bit / Farbkanal herunterrechnen

Um die Datenmenge, die von der Kamera zum Rechner übertragen werden muß, zu reduzieren und um kompatibel zu den gängigen Bildformaten zu sein, werden die '10-Bit-Bilder' auf '8-Bit-Bilder' reduziert. Die Helligkeitsstufen werden also in ein gröberes Raster von 0 bis 255 statt wie vorher von 0 bis 1.023 eingeteilt, "quantisiert". Dies ist traurigerweise nicht änderbar und auch mit einigen Verlusten verbunden.

6. Komprimieren

Die ToUcam ist auf Übertragungsgeschwindigkeit optimiert. Das ist auch gut so, denn man braucht ja möglichst viele und möglichst kurz belichtete Einzelaufnahmen um die Auswirkungen des Seeings zu reduzieren. Doch man kann keine 5 Einzelbilder pro Sekunde in voller Farbauflösung über den USB 1.1 zum Rechner übertragen, geschweige denn 10/s oder 30/s! Selbst 5 Bilder/s verlangen nach einer Bandbreite von 5×640×480×3×8=35,16 MBit/s. Der USB schafft gerade mal 12 MBit/s! Also muß vorher komprimiert werden, und zwar umso stärker, je mehr Bilder pro Sekunde übertragen werden sollen. Das führt umweigerlich zu einer weiteren Bildverschlechterung. Konsequenterweise sollte man sich mit 5 Bildern/s begnügen, um die Kompressionsverluste so gering wie möglich zu halten.

• Fazit: