Astrofotografie :: Anleitung zum Optimieren der ToUcam

Anleitung zum Optimieren der ToUcam

Die im vorangegangenen Beitrag genannten Fakten zeigen, daß die ToUcam eine wirklich hervorragende Webcam ist, jedoch bezüglich Dynamikbereich und Detailauflösung einige Schwächen zeigt.

Glücklicherweise lassen sich ohne jede Hardware-Eingriffe schon mal einige dieser Schwächen per Software beseitigen. Dazu kommt das Programm WebCam Register Macro Tool, kurz WcRmac zum Einsatz, das den Inhalt des im vorhergehenden Beitrag beschriebenen EEPROM zur Steuerung des internen Signalprozessors optimiert.

 

In der folgenden Beschreibung werden ausschließlich Einzelbilder gezeigt, auf eine Rauschminderung durch Kombinieren vieler Einzelaufnahmen wurde bewußt verzichtet, um einen direkten Vergleich zu ermöglichen.

 

• 1. Stufe: Optimierter Farbmodus

		ToUcam im Originalzustand Auf den ersten Blick ein gutes, kontrastreiches und scharfes Bild. Aber schaun wir mal genauer hin: Auf der dunkelgrauen Fläche unten zeigt sich ein deutliches Rauschen, seitlich schwingen die Konturen kräftig über, was man an den hellen Säumen gut erkennen kann. In den dunklen Bildbereichen sind keine Details mehr erkennbar - hier befindet sich das Histogramm bereits in der Sättigung. Der Farbeindruck ist zu satt und gegenüber dem Original stark verfälscht.
		ToUcam im "optimized color" Mode Hier wurde das Entrauschen und das Nachschärfen abgeschaltet. Ebenfalls entfernt wurde das Einengen des Kontrastbereichs. Auf den ersten Blick wirkt dieses Bild jetzt etwas unscharf und flau, jedoch sind nun in allen Helligkeitsbereichen Details zu erkennen. Auch das Rauschen ist fast verschwunden. Der Dynamikumfang der Kamera wurde hier nicht einmal voll ausgenutzt, was noch genügend Spielraum für Optimierungen am Histogramm übrig läßt.
		ToUcam im "optimized color" Mode, Bild geschärft Nun überlassen wir das Optimieren des Histogramms, das Entrauschen und das Nachschärfen nicht dem "Schnelldurchgang" im Signalprozessor der Kamera, sondern ausgereifter Bildbearbeitungssoftware wie FitsWork (Histogramm optimieren, Schärfen, Entrauschen). Ergebnis ist ein Bild, das dem Original farblich und vom Eindruck her schon recht nahe kommt.

 

• 2. Stufe: "Roher" Farbmodus

		ToUcam im Raw Mode Hier ist der interne Algorithmus der ToUcam zur Umwandlung in ein Farbbild abgeschaltet worden. Es fehlen also die Farbinformationen, und es macht sich wegen der unterschiedlichen Transmission der Mikrofilter ein merkwürdiges Raster bemerkbar. Ebenfalls abgeschaltet wurde der interne Rauschfilter und das Nachschärfen. Trotzdem ist hier fast kein Rauschen mehr zu sehen, und die Schärfe kann sich durchaus sehen lassen. Ein Schwarz-Weiß-Chip würde hier ein knackscharfes und detailreiches Bild liefern. Doch dazu weiter unten mehr. Ein entsprechender Farbdecoder kann die Farbinformationen wieder herstellen.
		ToUcam im Raw Mode, dekodiert und geschärft Die Farben müssen aus einem solchen, von der ToUcam völlig "naturbelassenen" Bildes wieder gewonnen werden. Zum Dekodieren der Farbinformationen wurde das Programm AviRaw verwendet. Diese Methode hat einige Vorteile: Bei der Belichtung hat man eine deutlich bessere Kontrolle über das Histogramm, ein Sättigen einzelner Pixel im CCD-Sensor kann zuverlässig vermieden werden. Die Rohbilder verlassen die Kamera mit einer erstaunlichen Schärfe und mit sehr geringem Rauschen. Wenn man einen guten Farbdecoder verwendet - RawAvi ist ein guter Farbdecoder ;=} - kann das Detailauflösungsvermögen der Kamera sogar noch ein wenig gesteigert werden. Die Farbbalance ist fest vorgegeben, so daß hier eine weitere Fehlerquelle ausgeschaltet wird.   Zum Vergleich dazu nochmal die ToUcam im Originalzustand...

 

Bilder, die im Raw-Modus aufgenommen werden, zeigen tatsächlich ein nochmals gesteigertes Detailauflösungsvermögen, welches jedoch einen zusätzlichen Arbeitsschritt erfordert. Auch das Histogramm für die einzelnen Farbkanäle muß anschließend korrigiert werden. Da sich diese Korrektur aber nur auf das reine Stretchen beschränkt, gewinnt man eine ungewöhnlich hohe Farbtreue. Insgesamt bietet die ToUcam jetzt eine Bildqualität, die manch sündhaft teure Digikamera bei gleicher Auflösung ziemlich blaß aussehen läßt!!!

Bis hier hin sind die Optimierungen der ToUcam noch ohne jeden Eingriff in die Hardware möglich. Nun kann man Detailauflösungsvermögen und Empfindlichkeit der ToUcam noch erheblich steigern, in dem man den Farbchip einfach auslötet und ihn durch den pin- und funktionskompatiblen Schwarz-Weiß-Chip ICX098BL ersetzt. Dabei muß die Kamera mit WcRmac auf den B/W Raw Modus umgeschaltet werden. Durch den Wegfall der Mikrofilter auf dem Kamerachip wird die Kamera etwa 3× lichtempfindlicher und fast doppelt so detailreich, wodurch sie sich auch für DeepSky-Aufnahmen hellerer und wenig großflächiger Objekte eignet.
Bezugsquelle: Schwarz-Weiß-Chip ICX098BL [Framos]

Es sollte an dieser Stelle jedoch nicht verschwiegen werden, daß die gewaltige Steigerung der Bildqualität durch einen deutlich höheren Aufwand bei der Aufnahme von Farbaufnahmen erkauft werden muß, denn es müssen nun jeweils 3 (RGB) bzw. 4 (LRGB) Aufnahmeserien für jedes Objekt gemacht werden. In diesem Falle ist der Einsatz von RGB-Fitersätzen zwingend erforderlich, woraus sich allerdings wiederum interessante Optionen und Freiheiten ergeben.
Beispiel: Hα für Rot, [O-III] für Grün und Hβ für Blau.
Als "Sekundärkamera" zum Autoguider ist eine solche schnelle und doch sehr empfindliche Kamera ideal!

 

• Warnung: Der folgende Eingriff in die Hardware der ToUcam geschieht auf eigene Gefahr, der Verfasser dieser Anleitung kann keine Verantwortung für das Funktionieren der ToUcam nach dem Eingriff übernehmen! Sorgfältiges Arbeiten ist unbedingte Voraussetzung für das Gelingen des folgenden Umbaus! Ein eventuell noch bestehender Garantieschutz wird mit diesem Eingriff verwirkt.

 

3. Stufe, Umbau: Schwarz-Weiß-Modus

		1. ToUcam öffnen Es ist nicht sonderlich schwer, die ToUcam zu öffnen, daher sei an dieser Stelle auf eine ausführliche Anleitung dazu verzichtet. Es genügt, die beiden kleinen Schrauben an der Unterseite der Kamera zu lösen und die beiden Gehäusehälften, die durch Schnappverschlüsse miteinander verbunden sind, vorsichtig zu trennen. Zum Vorschein kommt nun die Rückseite der Platine mit dem Signalprozessor als größtes Bauteil, darunter der ADC TDA8787A, rechts davon das EEPROM 24C04.
		2. Platine entnehmen Nun müssen die beiden Schrauben, mit der die Platine am Gehäuse verschraubt ist, gelöst werden. Die Platine kann dann leicht entnommen werden. Das Bild links zeigt die Vorderseite der Platine mit dem 14-Pin-Farbchip. Jetzt unbedingt die korrekte Polung des Chips merken!!! Die Kerbe an der Oberseite des Chipgehäuses muß nach oben zeigen.
		3. Kamerachip auslöten Es erfordert einiges an Geschick, eine sehr feine Lötspitze, Lötsauglitze, Pinzette und eine Vergrößerungsbrille, um die winzigen "Haxn" (Abstand: 1,27mm) von der Platine abzulöten. Sorgfältig arbeiten, denn der Farbchip wird vielleicht wieder eingesetzt. Dies ist der mit Abstand schwierigste Schritt beim Umbau.
		4. Kamerachip auswechseln Beim Einlöten des neuen Schwarz-Weiß-Chips unbedingt auf die korrekte Polung achten. Außerdem sollte der Chip auch nicht flächig auf der Platine aufliegen, um diesen thermisch etwas von dem auf der Rückseite der Platine "heizenden" Signalprozessor etwas abzukoppeln. Noch besser wäre es, einen 14-poligen 1/20"-Sockel zu verwenden, denn dann ist nicht nur die thermische Entkopplung besser, sondern eröffnet außerdem die Option, den Kamerachip ohne Lötarbeiten zu wechseln. Bei dem mir vorliegenden Exemplar reichte der Platz dazu allerdings nicht aus, das "hochgelegte" Chipgehäuse verhinderte das Anschrauben der Platine.
		5. B/W RAW Daten ins EEPROM kopieren Danach wird die ToUcam wieder zusammengebaut. Mit WcRmac werden im letzten Arbeitsschritt nun die Daten des B/W-RAW-Modus in das EEPROM (24C04, links) kopiert. Und fertig ist die hochauflösende S/W-Astrokamera. Mit 4 Belichtungen (1× S/W für Luminanz, und 3 Belichtungen für RGB mit den entsprechenden Farbfiltern, die optisch übrigens weit besser sind, als die Mikrofilter auf dem Farbchip, lassen sich auch ganz hervorragende Farbaufnahmen machen.
		6. Das Resultat Es war eigentlich nicht anders zu erwarten: Die Aufnahme mit Schwarz/Weiß-Chip bringt die mit Abstand besten Resultate. Beide links gezeigten Bilder sind unbehandelte Einzelaufnahmen, wobei das untere Bild zum direkten Vergleich nochmal die ToUcam im Originalzustand zeigt.
		First Light mit dem S/W-Mod am 10" SCT Die folgenden Bilder sind unbehandelte Einzelaufnahmen. Die Farbaufnahme oben ist unter recht guten Bedingungen entstanden und zeigt NGC 3242 nur eher angedeutet. Darunter die Aufnahme nach dem S/W-Umbau. Kaum zu glauben, daß hier die gleiche Belichtungszeit verwendet wurde, und die Bedingungen weit schlechter waren als bei der Farbaufnahme.
		Praxistest Das obere Bild zeigt das unbehandelte Einzelbild (nur Dunkelbildabzug) der bekannten Sombrero-Galaxie M104 mit der nach (1.) optimierten Farbkamera. Der Galaxienkern ist gerade noch zu erkennen, ansonsten nichts als nur Rauschen. Nach einem kleinen "Ausflug" zu dieser Galaxie mit der frisch umgebauten Kamera kam dann die eigentliche Überraschung: Nicht nur das Staubband der Galaxie war im Livebild andeutungsweise zu erkennen, sondern sogar das 14 mag helle Sternchen knapp nördlich der Galaxie. Damit ist diese Kamera nach dem Umbau sogar noch ein wenig empfindlicher als das gut dunkeladaptierte Auge am Okular, denn dieses Sternchen ist dort praktisch nicht mehr erkennbar..

 

Nach wie vor kann die längste Belichtungszeit von 1/25s nicht überschritten werden. Das hat nicht nur Nachteile, denn es ist ja gerade die Stärke einer Webcam, die Auswirkungen des Seeings durch große Mengen kurzbelichteter Aufnahmen möglichst gering zu halten. Dadurch daß der S/W-Chip weit "lichtstärker" ist, als sein farbiges Pendant, entspricht diese Belichtungszeit ungefähr 1/8s. Nach vorläufigen Schätzungen hat dieser Umbau eine ungefähr 4-mal lichtstärkere Kamera hervorgebracht.

• Fazit:

1. Stufe:
Auch ohne Hardware-Eingriff läßt sich die ToUcam recht gut optimieren, wobei der "optimized color" Mode schon sehr gute Resultate hinsichtlich Signal-Rauschabstand und Lichtempfindlichkeit in den dunklen Bildbereichen liefert. Hat man ein hinreichend kleines Öffnungsverhältnis von etwa f/14 und abwärts, um ein Beugungsscheibchen auf 3×3 Pixel zu "verteilen" (Planetenaufnahmen), kann man sich jede weitere Optimierung sparen. Allerdings muß man hier nach wie vor sehr feinfühlig mit der Farbeinstellung umgehen! Auf der Seite Optik berechnen kann man das sehr schön im voraus kalkulieren.
 
2. Stufe:
Demgegenüber hat der "Raw-Color-Mode" den Hauptvorteil einer festen Farbeinstellung, der aber durch den zusätzlichen Aufwand des nachträglichen Dekodierens der Farbinformationen erkauft werden muß. Bei wenig bunten "Motiven" kann man dem nicht-dekodierten Rohbild durchaus eine weit bessere Auflösung für den L-Kanal entlocken. Empfehlenswert bei Öffnungsverhältnissen von f/10 und darüber (DeepSky-Aufnahmen)
 
3. Stufe:
Eine weitere Steigerung der Bildqualität und vor allem der Lichtempfindlichkeit bringt dann das Umrüsten der Kamera mit dem deutlich lichtempfindlicheren S/W-Chip, was aber einen Eingriff in die Hardware und noch mehr Aufwand beim Anfertigen von Farbbildern erfordert. Damit sollte DeepSky mit der ToUcam richtig interessant werden.

Starten wir nun die Aufzeichnung mit der frisch optimierten ToUcam...