CCD-Technik für Sternfreunde
von Siegfried Bergthal
Inhalt
- Grundlagen der CCD Technik
- Arbeiten mit einer CCD Kamera, Fehlerkorrektur an Bildern
- Grundzüge der digitalen Bildbearbeitung
3. Grundzüge der digitalen Bildbearbeitung
Bei der Bildbearbeitung geht es
im wesentlichen um 2 Punkte:
- Die aufgenommenen (und gespeicherten) Daten sollen so dargestellt werden,
dass möglichst viele Details sichtbar werden.
- Die aufgenommen (und gespeicherten ) Daten sollen so verändert
werden, dass mehr Details sichtbar werden (z.B: durch Schärfung).
Zu Punkt 1, Details Darstellen
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Abb. 18.1 ... 18.7
Abb. 19: Gradationskurve in Form eines S`
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Die
einfachste Möglichkeit ist hier den sogenannten Weiss- und Schwarzpunkt
zu setzen. Bei einer CCD-Kamera mit einen 16 Bit AD-Wandler sind insgesamt
216 =65536 verschiedene Graustufen darstellbar (viel mehr als der Monitor
darstellen kann). 0 bedeutet hierbei schwarz und 65535 weiss. Zeigt das
Bild nun einen Grauschleier im Hintergrund, so kann dieser beseitigt werden,
indem der Schwarzpunkt hin zu helleren Punkten verschoben wird. Wird der
Schwarzpunkt beispielsweise auf 1500 gesetzt, so werden alle Pixel, deren
numerischer Bildwert < 1500 ist auf schwarz gesetzt. In Abb. 18.1 wurde
der Schwarzpunkt auf 1469 gesetzt; in Abb. 18.2 auf 1321. Abb. 18.1 ist
daher auch merklich dunkler. Ähnlich verhält es sich mit dem
Weisspunkt. Wird der Weisspunkt auf 10000 gesetzt, werden alle Pixel,
deren numerischer Wert > 10000 ist auf weiss gesetzt. In Abb. 18.1
liegt der Weisspunkt bei 27328, bei Abb. 18.2 nur bei 4224: ein Grossteil
des Bildes ist daher weiß. Die Abb. 18.3 und 18.4 zeigen das Beschriebene
nochmals grafisch. Die Transformationskurve verläuft in 18.4 steiler
und ist daher früher in der Sättigung. Die Steigung der Kurve
ist ein Maß für den Kontrast. Hier zeigt sich, dass ein erhöhter
Kontrast nicht nur Vorteile mit sich bringt. Zwar werden Details im Außenbereich
sichtbar, dafür gehen aber Informationen im Zentrum verloren. Bis
jetzt wurde nur die lineare Übertragungsfunktion und die beiden Grenzpunkte
betrachtet. Insgesamt ist dies zwar eine Verbesserung gegenüber dem
Rohbildern, aber zufriedenstellend ist das Bild immer noch nicht. Entweder
werden die schwachen Details in den Außenbereichen sichtbar oder
die sehr hellen Bereiche im Zentrum. Beides lässt sich mit dieser
Methode des Weiss- bzw. Schwarzpunktes nicht erreichen. Die hier beschriebenen
Korrekturen werden auch als Tonwertkorrektur bezeichnet.
Ein weiterer Forschritt lässt sich
erreichen wenn die Übertragungsfunktion nicht linear bleibt sondern
die Form einer S-Kurve annimmt. Die Wirkung dieser Kurve ist in Abb. 19
gezeigt. Gestrichelt ist der lineare Weiss-/Schwarzpunktabgleich eingezeichnet.
Die Kurve lässt sich wie folgt interpretieren: Der Anstieg der Kurve
verläuft schwächer als bei einer Geraden, d.h., der Hintergrund
wird dunkler gehalten und verläuft langsamer in die helleren Bereiche.
Die beiden Pfeile (A) zeigen an, um wie viel ein entsprechender Graupunkt
dunkler dargestellt wird. Im oberen Bereich werden die hellen Punkte angehoben.
Die Interpretation ist analog zum unteren Punkt. Insgesamt führt
die Gradationskurve zu einer Anhebung des Kontrastes und vermeidet einige
Nachteile der vorher beschriebenen Bildbearbeitungsmöglichkeit. Insgesamt
ist aber auch diese Methode nicht ganz befriedigend.
Eine wirkliche Verbesserung bringt die Maskierungstechnik
Die Abbildungen 18.5 und 18.6 stellen nochmals die beiden Abbildungen
18.1 und 18.2 dar. Mit einem Unterschied: In die Abbildung 18.6 wurde
der zentrale weisse und damit überbelichtete Teil ausgeschnitten.
Es scheint der hier willkürlich gewählte schwarze Hintergrund
durch. Wird nun unter die Abbildung 18.6 die Abbildung 18.5 gelegt (in
Abb. 18.7 dargestellt), so scheint der dort gezeigte zentrale Teil des
Orion-Nebels durch. Damit im später fertigen Bild die scharfen Kanten
des Ausschnitts vom Auge nicht wahrgenommen werden, werden die Kanten
weich gezeichnet, d.h. leicht unscharf gemacht. Die Abb. 18.7 ist sehr
grob und soll auch nur das Prinzip darstellen. Verfeinert man dieses Technik
auf 5 Ebenen mit einer feineren Abstufung erhält man ein Ergebnis
wie in Abb. 18.8 gezeigt. Die Basis für dieses Bild ist eine einzige
Aufnahme durch einen 100 mm Refraktor bei 640 mm Brennweite. Belichtet
wurde nur 60 s! mit IR-Sperrfilter auf eine ST2000 von SBIG. In der Praxis
"schneidet" man nicht die einzelnen Bildteile aus, sondern maskiert
diese. Daher auch der Name Maskierungstechnik. Bis hierher wurde an den
Bilddaten nichts grundlegendes verändert. Es wurden lediglich die
Helligkeitswerte der einzelnen Bildelemente so angepasst, dass ein Maximum
an Details wahrgenommen werden kann. Für photometrische Messungen
können solche Bilder allerdings nicht mehr verwendet werden, weil
die Linearität der Helligkeitswerte zu Gunsten eines optimalen Kontrastes
aufgegeben wurde.
Zu 2: Details Hervorheben
Rohbild-unscharfer Bildteil=scharfer Bildteil
Rohbild+ scharfer Bildteil=schärferes Bild
Abb. 20
Abb. 21
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Um
ein vorhandenes Bild zu schärfen gibt es verschiedene mathematische
Verfahren und Algorithmen. Die bekanntesten sind die unscharfe Maske und
der Richardson-Lucy-Algorithmus. Mit beiden und weiteren von Software-Programmen
angebotenen Verfahren ist der Autor nie glücklich geworden. Vermutlich
deshalb, weil dem Anwender je nach Programm zwar Parameter zu Veränderung
geboten werden, diese aber nicht beschrieben sind und es oft auf ein "Probieren"
hinausläuft. Daher wird hier ein manuelles Verfahren der unscharfen
Maske beschrieben, das generelle Gültigkeit hat: Ein Bild (Abb. 20
oben links) besteht aus einem scharfen und einem unscharfen Bildanteil.
Wenn es nun gelingt den unscharfen Bildanteil zu bestimmen, so kann dieser
vom Gesamtbild abgezogen werden und es bleibt der scharfe Bildanteil übrig.
Die Kunst besteht nun darin diesen unscharfen Bildanteil zu bestimmen.
Vorgehensweise:
Im ersten Schritt wird von einem Bild ein Duplikat erstellt.
Dieses wird dann weich gezeichnet bzw. unscharf gemacht. Dies ist ein
Versuch den unscharfen Anteil künstlich zu erstellen bzw. zu simulieren.
Von diesem Bild wird dann das Original subtrahiert. Es bleibt der Scharfanteil
des Bildes übrig. In der oberen Bilderreihe der Abb. 20 ist dies
dargestellt. Für das Weichzeichnen wird am besten der Gaußsche
oder ein benutzerdefinierter Weichzeichner verwendet. Der einzugebende
Parameter ist der Radius in Pixel; ein Maß für die Weichzeichnung.
Sie ist abhängig von der Unschärfe des Original-Bildes und vom
gewünschten Ergebnis.
Im zweiten Schritt wird
dann dieser Scharfanteil mit dem Originalbild verknüpft und als Ergebnis
entsteht ein Bild erhöhter Schärfe wie in Abbildung 20 unten
gezeigt. Bei dem scharfen Bildanteil handelt es sich hauptsächlich
um Kanten, die hell dargestellt sind. Es liegt in der Funktion des Auges,
dass Kanten besonders gut erkannt werden. Diese Eigenschaft des Auges
sollte bei der Bildbearbeitung nie außer Acht gelassen werden. Über
das Original-Bild wird ein (Relief-) Bild überlagert, bei dem die
Kanten hervorgehoben sind. In Abb. 21 wird dies beim Sonnenrand sehr deutlich.
Im vorigen Abschnitt siehe Abb. 18.7/18.8 lag die Kunst der Bildbearbeitung
darin, dass die Kanten so unscharf gemacht werden, dass sie vom Auge nicht
mehr wahr genommen werden können. Hier ist es umgekehrt! Ein Großteil
der Aufgaben in der modernen Bildbearbeitung liegt darin entweder Kanten
zu betonen oder diese unkenntlich zu machen. Bei all diesen Möglichkeiten
sollten aber auch die Grenzen der Bildschärfung bedacht werden. Wird
diese allzu unbekümmert eingesetzt entstehen Artefakte, also Muster
die im Original nicht vorhanden sind. Dies ist aber nicht Sinn und Zweck
der Bildbearbeitung. Dieser besteht darin vorhandene Details herauszuarbeiten
und diese besser sichtbar zu machen.
Weitere Informationen
erhalten Sie auf meiner Homepage unter www.astro-siggi.de.
Dort wurde auch ein Forum eingerichtet zur Diskussion der CCD-Technik und der Bildbearbeitung.
Bei Fragen schicken Sie mir eine Email:
Siegfried Bergthal
Glossar
- Auflösung
-
gibt an, daß sich zwei Punkte, die einen bestimmten Abstand voneinander
haben, auflösen lassen, so daß sie einwandfrei zu unterscheiden
sind.
- Binning Mode
-
Zur Erhöhung der Sensitivität besteht die Möglichkeit,
ein Pixelbinning durchzuführen. Dies bedeutet, dass auf elektronischem
Weg die Ladungsinformation eines 2 x 2 Pixel umfassenden Bereiches im
Ausleseregister zusammengeführt werden. Der Dynamikbereich des Chips
wird hierdurch nicht erhöht. Die Auslesegeschwindigkeit erhöht
sich durch die geringere Anzahl auszugebender Pixel. Das Ausleserauschen
wird hierdurch nicht erhöht.
- Blooming
-
Blooming bezeichnet den Effekt, dass senkrechte oder waagerechte Streifen
von hellen Sternen ausgehen. Dies tritt dann ein, wenn das einzelne Pixel
mit Elektronen voll ist und die Elektronen in andere Pixel überlaufen.
Der Effekt kann bei der Herstellung des Chips durch das Anbringen eines
"Anti-Blooming Gates" zwischen den einzelnen Pixeln verhindert
werden.
- CCD
-
ist die Abkürzung für Charge Coupled Device. Auf Deutsch heißt
das ladungsgekoppeltes Bauelement. Verwendung finden sie hauptsächlich
als Bildsensor bei Videokameras, Scannern und digitalen Fotoapparaten.
- Dark Frame
-
Bild zum Kalibrieren der eigentlichen Aufnahme. Das Dark Frame wird bei
gleicher Temperatur und mit gleicher Beichtungszeit wie die Aufnahme erstellt.
Allerdings bei geschlossenem Verschluss. Der Dunkelstrom und defekte Pixel
sind im Dark und in der Aufnahme und können so ermittelt und beseitigt
werden.
- Flat Field Frame
-
Bild zum Kalibrieren der eigentlichen Aufnahme. Bei dieser Aufnahme ist
das
Teleskop gegen eine homogen ausgeleuchtete Fläche gerichtet. Das
Flat Frame
zeigt die unterschiedlichen Empfindlichkeiten der einzelnen Pixel und
die Vignettierung des
optischen Systems an. Wird dieses Bild in die Aufnahme eingebunden, können
die
Fehler herausgerechnet werden.
- Full Well Capacity
-
Der Wert gibt die maximale Anzahl an Elektronen an, die ein Pixel aufnehmen
kann, bevor es gesättigt ist. Danach ist das Pixel "voll"
und überschüssige Elektronen werden entweder über das Anti-Blooming
Gate abgeleitet oder die Elektronen fließen in die Nachbarpixel
und erzeugen die Blooming Streifen.
- Maskieren
-
Mit Masken werden Bildbereiche isoliert bzw. geschützt, während
Farbänderungen, Filter oder andere Effekte auf den Rest des Bildes
angewendet werden. Mit Masken werden Teile des Bildes vor der Bearbeitung
geschützt. Masken sind für komplizierte Bildbearbeitungen verwendbar.
- Peltier-Element
-
Ein Peltier-Element ist ein elektrisches Bauteil, das unter Spannung ein
starkes Temperaturgefälle schafft. Das Peltier- Element [auch TEC
= engl: Thermo Electric Cooler, genannt] ist eine Konstruktion aus zwei
mit Kupferleitstellen verbundenen Halbleiterplatten auf Keramikbasis,
die aufgrund ihres unterschiedlichen elektrischen Widerstandes einen Wärmeaustauscheffekt
produzieren.
- Pixel
-
ist ein Kunstwort aus picture + element
- Sampling
-
Ein durch seine geometrischen Dimensionen (Länge x Breite in mm)
definiertes Einzelpixel ist nicht für alle Teleskope gleich effektiv.
Fällt das Beugungsscheibchen genau auf einen Pixel, ist die Empfindlichkeit
optimal ausgenutzt. Das gesamte Licht eines Sternes fällt auf ein
Pixel. Dafür sind die Sterne eckig und es fehlen Grauanteile im Bild:
Dies wird Undersampling genannt. Ist nun die Brennweite des Teleskops so gewählt,
dass das Beugungsscheibchen z.B. auf 20 Pixel fällt, so entsteht
ein Grauverlauf des einzelnen Sterns und er wird schön rund.
Die Kamera arbeitet aber sehr unempfindlich, weil sich das Licht eines
einzigen Sterns nun auf sehr viele Pixel verteilt: Dies wird Oversampling
genannt.
- Critical Sampling
-
Bei Planeten wird immer im Oversampling-Bereich gearbeitet.
Für DeepSky-Aufnahmen muss ein optimaler Bereich zwischen Over- und
Undersampling gefunden werden. Die Kamera muss noch empfindlich arbeiten,
die Bilder sollen aber trotzdem fein abgestuft sein.
Erfahrungswerte zeigen, dass eine Auflösung von 1...2 Bogensekunden
pro Pixel optimal sind.
