Sampling - Seeing - SkyQuality - Binning - Drizzle
Nehmen wir an, das Teleskop ist eines der sehr üblichen Brennweite, die immer wieder empfohlen wird - etwa 500-800mm. Damit kann man schon gut größere Galaxien als auch die bekannten Nebelgebiete aufnehmen.
Die Kamera ist auch eine, wie sie üblicherweise empfohlen wird - ein Kameraformat so etwa in der Größe von APS. Die zur Zeit üblichen Sensoren haben eine Pixelgröße von etwa 3,5-4 Mikron.
Wenn man nun mit so einer Ausrüstung Aufnahmen macht, so kann man bei einer etwas höheren Nachvergrößerung sehen, dass die kleinen Sterne leicht eckig sind und die kleinsten gar nur im Pixelbereich als Quadrate erscheinen. Auch die größeren haben dann keine schöne runde Sternform sondern erscheinen irgendwie leicht eckig.
Wenn man so eine Aufnahme nur als Gesamtbild ansehen möchte, so ist dieser Umstand wenig oder gar nicht störend, will man aber doch etwas genauer in das Bild hineinsehen oder auch eine Ausschnittsvergrößerung machen, so sind diese Erscheinungsformen zumindest störend.
Macht man nun an einem anderen Tag, wo auch ein visuell schöner Sternenhimmel zu sehen ist, wieder Aufnahmen, so sind diese auf ein Mal irgendwie unscharf, leicht verwaschen und obwohl man nichts geändert hat, sind sie total anders wie jene, die man vor ein paar Tagen gemacht hat.
Was sind die Ursachen davon?
Man kann die Kombination von Teleskop plus Kamera hinsichtlich der zu erwartenden Auflösung in Mikron/Pixel rechnen und so erkennen ob dieses Kombination die vorher erwähnten Effekte erzeugen wird oder nicht. Die Pixelgröße in Bezug zur Brennweite der Optik gebracht ergibt einen rechnerischen Wert in Mikron/Pixel und dieser Wert in Relation zur optischen Qualität der Luft zum Zeitpunkt der Aufnahmen gesetzt, erlaubt die Aussage, ob das resultierende Verhältnis ein gutes "Sampling", also gute Aufnahmequalität ergeben wird oder nicht. Ist die optische Luftqualität sehr gut, so könnte man mehr Details erkennen, vorausgesetzt die Pixelgröße der Kamera erlaubt es -mit anderen Worten, kleinere Pixel erlauben bei einer sehr guten optischen Luftqualität mehr Details aufzunehmen als größere. Genauso ist es auch im umgekehrten Fall - schlechte optische Luftqualität verhindert das Aufnehmen feinster Details und da ist eine Kamera mit größeren Pixel kein Nachteil.
Sampling
Das Sampling ist ein Begriff, der die Brennweite eines Teleskops zu der Pixelgröße der digitalen Aufnahmeeinrichtung in Beziehung setzt. Wie bekannt, wird bei einer digitalen Aufnahmekamera das optische Bild eines Teleskops auf eine Matrix von sehr kleinen Pixel, sehr kleinen lichtempfindlichen Zellen, projiziert. Diese Pixel sind im Mikronbereich, also einige 1/1000 Millimeter klein. Es ist nun für eine richtige Kombination von Pixelgröße und Teleskopbrennweite wichtig, dass die kleinsten theoretisch auflösbaren Details auf 1 Pixel treffen können bzw. sollen. Wenn zB ein Stern optisch eine Abbildungsgröße von 9Mikron in der Bildebene hat, so kann eine Kamera, deren Pixel 9Mikron groß sind, den Stern im ungünstigsten Fall nur auf einem einzigen Pixel ablichten - er wird daher bei starker Nachvergrößerung quadratisch aussehen - nicht anstrebenswert. Ist aber die Pixelgröße aber 3,8Mikron, so verteilt sich das Sternbild auf mehrere Pixel - der Sterne wird letztendlich rund sein. Sind aber die Pixel wiederum zu klein, zB nur 2,2 Mikron, so wird das Sternbild recht verwaschen aussehen, da es auf zu viele Pixel verteilt werden wird. Sind die Pixel zu groß im Verhältnis zur Brennweite, spricht man von Undersampling, im gegensätzlichen Fall von Oversampling.
Dabei ist aber unbedingt zu berücksichtigen, dass das weiter unten erwähnte Seeing von enormer Bedeutung ist. Ein und die selbe optische Kombination kann bei sehr gutem Seeing bereits in Richtung undersampling gehen wohingegen sie bei normalem, durchschnittlichem Seeing durchaus in Ordnung sein wird. Für diese Rechnungen gibt es eine ausgezeichnete Webseite bei "Astronomy.tools" - hier kann man alle Daten eingeben und erhält eine gute Information hinsichtlich des Samplings.
Seeing
Das Seeing ist eine Maßzahl für die optische Qualität der Luft in der Astronomie und Astrofotografie. Sie ist vereinfacht gesagt, die Vergrößerung eines Punktbildes durch die Luftturbulenzen, die einen schnell ändernden Brechungsindex erzeugen. Es wird daher ein Punktbild "verwackelt" und dadurch die mögliche Wiedergabe von feinsten Details verringert und die punktförmigen Sterne vergrößert. Das Ausmaß dieser Veränderung wird in Bogensekunden (arsec) angegeben. Es gibt mehrere Klassen von Seeing - Ausgezeichnet: 0,5-1arcsec, Gut: 1-2arsec, Durchschnittlich: 2-4arcsec Schlecht: 4-5arcsec. Darüber hinaus macht Astrofotografie kaum mehr Sinn, da die Details zu stark verschwommen sein werden. Oft hat man etwa 1,7-2,2arsec Seeing, was zu durchaus noch ansehbaren Aufnahmen führen kann. Ausgezeichnetes Seeing ist selten und Astrofotografen freuen sich enorm, wenn die Vorhersage so einen Wert angibt - dann werden gut fokussierte Aufnahmen so richtig scharf und die Sterne fein und fast punktförmig (bei niedrigen Brennweiten).
Hier zwei Beispiele für die beiden vorher beschriebenen Parameter - Sampling und Seeing: Der erste Fall ist ein gutes Seeing, ein RASA11 und die weit verbreitete ZWO ASI2600 Kamera - die Pixel sind bei dieser Brennweite und diesem Seeing eher schon grenzwertig in Richtung undersampling:
Ist aber das Seeing durchschnittlich, so ist diese Kombination richtig - die Pixelgröße harmoniert mit der möglichen Abbildungsqualität und das Sampling ist gut im grünen Bereich
So kann man klar erkennen dass weder die Wahl einer Kamera noch einer Brennweite eine fixe Kombination ergeben, sondern alle wichtigen Parameter berücksichtigt werden sollten, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
Ein weitere Begriff, der oft zu lesen ist, ist die
Skyquality
Die Skyquality ist eine Maßzahl für die Luminanz des Nachthimmels. Die Luminanz ist ein Maß für die Helligkeit - in der Astrofotografie wird es etwas komplexer, da man die Magnituden/Fläche als Maß nimmt. Die Magnituden sind eine Maßzahl für die Helligkeit von Sternen, die so definiert ist, dass der Unterschied zwischen zwei Magnituden ein Faktor von etwa 2.5 ist - daher ist ein Stern mit der Magnitude 1 um 2.5x heller als ein Stern der Magnitude 2 usw. Ohne auf die komplexen Rechnungen einzugehen, kann man zB den Nachthimmel einer Stadt mit 16magarcsec (Flächenhelligkeit nach Magnituden) klassifizieren und den eines normalen ländlichen Nachthimmels mit etwa 20. Der ideale astrofotografische Nachthimmel (zB in der Atacama Wüste in Chile) hat etwa 21.5-21.8. Theoretisch ist 22 die bestmögliche Dunkelheit auf der Erde.
Hier ist kurz anzumerken - Nacht ist definiert als der Zeitpunkt, wenn die Sonne mindestens 18Grad unter dem Horizont ist - vorher ist Dämmerung. Wobei die astronomische Dämmerung der Zeitbereich ist, innerhalb dessen die Sonne zwischen 12Grad und 18Grad unter dem Horizont ist - ein Zeitbereich, den man teilweise schon recht gut für Astrofotografie verwenden kann. Zur Vollständigkeit - zwischen 6 und 12 Grad wird die Dämmerung nautische Dämmerung und zwischen 0 und 6 Grad zivile Dämmerung genannt. In anderen Kulturen gibt es manchmal unterschiedliche Bezeichnungen - aber Nacht ist immer dann, wenn die Sonne mindestens 18Grad unter dem Horizont ist.
Am Land, wo ich wohne, am Dorfrand, an der Grenze eines Landschaftsschutzgebietes mit Bauverbot habe ich meistens bei Neumond, also wenn es besonders dunkel ist und bei geringer Luftfeuchtigkeit eine Darkness (Dunkelheit) etwa 20.4 - 20.6. Bei hoher Luftfeuchte, bedingt durch Streuungen und Reflexionen des entfernten Stadtgebiets von Wien an höheren Luftschichten geht diese Darkness schon auf 20 und etwas darüber zurück. Da diese Skalen logarithmisch sind, ist das bereits eine erkennbare Erhöhung der Flächenhelligkeit.
Natürlich hat die Skyquality auch einen signifikanten Einfluss auf die Qualität von Astroaufnahmen - nicht nur, wegen der bei langen Belichtungszeiten sichtbaren Erhellung des Hintergrundes, sondern auch auf die gesamte Auflösung, also die Detailwiedergabequalität.
Binning
Binning ist eine Technik, die bei Monokameras, also Kameras, die keine Bayer Matrix haben, gut angewendet werden kann um die effektive Pixelgröße der Brennweite des Teleskops anzupassen.
Nehmen wir an, wir haben eine ZWO ASI 183M Kamera - die hat sehr kleine Pixel - 2,4 Mikron x2,4 Mikron (aber auch ein sehr kleines Bildfeld) und wir möchten sie sinnvoll an einem Teleskop mit einer Brennweite von zB 2000mm verwenden. Die Überschlagsrechnung, die man auf der Webseite von AstronomyTools machen kann, zeigt, dass die Pixelgröße für diese Brennweite viel zu klein ist um eine gute Abbildung von Details zu erreichen. Die relative Größe der Details ist bei dieser Brennweite bereits so groß, dass die Ränder der Details - etwas von Sternen - über mehrere Pixel hinausgehen und damit verwaschen erscheinen werden. Wenn man mit einem geeigneten Programm bei so einer Konfiguration die FWHM, die Halbwertsbreite, errechnet, so kommen Werte von 7, 8 oder mehr heraus und die Sternbilder sehen sehr schwammig aus.
Fasst man aber einzelne Pixel zu einer Gruppe zusammen - zum Beispiel 2 horizontale und 2 vertikale Pixel zu einem neuen "Superpixel", so hat man eine darauf resultierende Pixelgröße von 4,8x4,8 Mikron. Diese Pixelgröße wiederum ist aber gut geeignet, um bei der erwähnten Brennweite fein genug definierte Details abbilden zu können und die Schwammigkeit zu vermeiden. Für diese Methode wurde der Begriff "Binning" gewählt.
In der Praxis ist es meistens ausreichend, Binning mit einem Faktor von 2 (wie vorher im Beispiel erwähnt) zu machen, es wird auch als BIN2 bezeichnet. Man kann aber natürlich auch weiter binnen, zb ein 3x3 oder ein 4x4 Binning machen. Beim 4x4 Binnning ist dann die resultierende Pixelgröße logischerweise 4x2,4=9,6 mal 9,6 Mikron. So eine Pixelgröße ist aber nur in wenigen Ausnahmefällen wirklich sinnvoll - zB bei sehr langer Brennweite und sehr gutem Seeing.
Dazu ein Beispiel: Das Planwave CDK700 hat eine Brennweite von 4530mm als primäre Brennweite - verwendet man nun dort eine gut passende Kamera, zB eine QHY 600 (Vollformat) mit einer Pixelgröße von 3,76 Mikron, so ist die Auflösung der Optik bei gutem Seeing (1-2" FWHM) etwa 0,68"/Px bei einem 4x4 Binning - eine absolut im richtigen Mittelbereich liegende Kombination. Wenn man für weitergehende Bildbearbeitungsschritte noch Reserve haben möchte, so sollte man auf ein Binning von 2x2 reduzieren, das ergibt dann einen Wert von etwa 0,34"/Px. Dieser Wert ist gerade an der unscharfen Grenze von passendem Sampling zu oversampling und liefert genug Detailinformationen für weitergehende Bearbeitungen. Binning im nativen 1x1, also mit den nativen 3,76 Mikron ist weit im oversampling und führt nicht nur zu sehr großen Files, sondern auch zu den erwähnten schwammigen Aufnahmen.
Es gibt aber auch einige wenige Ausnahmen von den üblichen Einstellungen - zum Beispiel bei Sternenhaufen. Es gibt solche, die sehr viele kleinste Details in sich bergen, Sterne, die gerade noch im Bereich der theoretischen Auflösung der Optik liegen. Wenn man in so einem Fall Bin2 bei einer sehr langen Brennweite anwendet (CDK24 mit 3962mm Brennweite) und einer QHY600 (3,76mikron Pixel) - so ist das für die allermeisten Fälle korrekt, aber nicht unbedingt bei Sternenhaufen, die sehr viele sehr kleine Details in sich zeigen könnten. Es werden bei Bin2 die allerkleinsten Sterne, wenn sie optisch sehr nahe beisammen liegen, "zusammengebacken" - also nicht mehr getrennt, sondern optisch verschmolzen. Das fällt nur bei sehr starker Nachvergrößerung auf, ist aber für Puristen ein guter Grund, trotz der vielfach größeren Files Bin 1 zu verwenden.
Hier dazu ein Beispiel - M72 ist ein solcher Sternenhaufen - sehr viele ganz kleine Sterne, die durch Bin 2 nicht mehr getrennt erscheinen
Die Übersicht zeigt keinerlei Unregelmäßigkeiten, eine starke Ausschnittsvergrößerung jedoch zeigt das Verschmelzen der kleinsten Details:
Wenn man die volle Auflösungsfähigkeit der Optik ausnützt, so kann man auch kleinste Sterne noch getrennt auflösen - das Beispiel ist nicht ganz korrekt, aber es kann gut das Prinzip zeigen. Es ist M13, aufgenommen mit einem RASA11 und der QHY5III715C. Diese Kamera hat die kleinsten erhältlichen Pixel - 1,4mikron - und die Optik schafft es, die Sterne aufzulösen
Drizzle
Was aber machen, wenn man so eine sehr gute Kamera hat, die wie oben erwähnt, 3,76 Mikron Pixel hat, man aber mit einem Teleskop von sehr geringer Brennweite aufnehmen möchte? Die QHY600M ist ja - um bei diesem Beispiel zu bleiben, eine Vollformatkamera, also das Bildformat enspricht dem einer Kleinbildkamera von 24x36mm und ist daher hervorragend geeignet um bei geringer Brennweite der Optik Übersichtsaufnahmen machen zu können.
Hier aber zeigt sich, dass die Pixelgröße von 3,76 Mikron sehr bald zum gegenteiligen Effekt neigt - die Sterne werden in Bezug auf die Pixelgröße zu klein abgebildet und daher auf dem Bild etwas eckig oder gar mehr oder weniger quadratisch.
Wieder ein Beispiel: Der Hypergraph 6 ist ein Newton mit einer Lichtstärke von 1:2,8 und einer Brennweite von 420mm - daher hervorragend für große Nebel und Sternenfelder geeignet. Die QH600M kann das durch das Bildfeld im Vollformat sehr gut machen - nur wenn man das durchrechnet, kommt man, wie gesagt, in den Bereich von Undersampling - die Details sind für die Pixel zu klein. Hier hilft nur eine Technik, die man nach dem Aufnehmen anwendet - bei der Ausarbeitung der Aufnahmen, das Drizzling.
Drizzle ist eine Methode, bei der die Bildinformationen über sehr ausgefeilte Algorithmen auf mehrere kleinere virtuelle Pixel, die künstlich erstellt werden, verteilt wird. Dadurch werden zB. aus eckigen Sternen runde Sterne und auf einmal erscheint eine Aufnahme so, als ob sie korrekt gesampled worden wäre. Es gibt noch einige weitere Vorteile, die ich aber in einem separaten Unterartikel darstellen möchte - siehe : Drizzle - genauer betrachtet
Dabei ist aber zu beachten, dass das Verfahren keine zusätzlichen Details hervorzaubern kann, die nicht schon im Rohbild vorhanden waren, das Verfahren erzeugt ein deutlich augenfreundlicheres Bild, was auch mehr der Wirklichkeit entspricht - es gibt zB keine eckigen Sterne aber die gerechneten runden Sterne, die sind der Wirklichkeit entsprechend geformt.
Hier gilt zu beachten, dass Drizzling die Größe der Files vervielfacht - es macht ja aus zB 3000x3000 Pixel bei einem Faktor von 2 ein File von 6000x6000 Pixel - also aus 9Mb ein File von 36Mb! Das ist auch zeitaufwendig und sollte daher nur bei schnellen Computern angewandt werden. Bei einer QHY600 Kamera mit einem 61MPx Sensor und einem Bildformat von 9576x6388 Pixel kann das schon extrem lang dauern - ein 2x Drizzle erzeugt dann ein Bild von 19152x12776 Pixel, also ein File von fast 245Mb. Das ist bei einer Monokamera dann nur ein Farbkanal - so kommt man schnell in den Bereich von Gb zum Verarbeiten...!
Bei allen Möglichkeiten, die hier beschrieben wurden, bleibt eine wichtige Frage noch offen - welche Art Kamera soll man verwenden?
Soll man einfach eine "Foto"kamera mit Wechseloptik verwenden, oder eine für Astrofotografie umgebaute Fotokamera oder eine Farb-Astrokamera oder gar eine Mono (=SW)Astrokamera und dazu die notwendigen Farbfilter?
Diese Frage wird im nächsten Abschnitt ein wenig behandelt.
Galaxien, Nebel und was es sonst noch gibt
Erweiterungen, Techniken und Module
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