Bias, Flats, Darks, Darkflats

Die Kalibrierungsbilder Bias-, Dark-, Flat- und Darkflat-Frames

Bei der Astrofotografie entstehen durch Einflüsse der Kamera und des Equipments bei Einzelaufnahmen (Sub-Frames oder auch Light-Frames) oft mehrere sich überlagernde Störungen. Einige lassen sich durch zusätzliche Korrekturaufnahmen eliminieren. Wie dies für ein Sub-Frame mathematisch in der Software gelöst wird, zeigt die folgende Darstellung.

Schematische Darstellung zur Verwendung der Kalibrierbilder bei der Erstellung eines korrigierten Light-Frames am Beispiel des Cirrusnebels

Bias-Frame

Bias-Frames werden vor allem benötigt, um den Offset-Wert aus den Aufnahmen zu entfernen. Das ist deswegen notwendig, da der Offset-Wert nicht zum Objektsignal gehört und fest eingestellt ist. Somit kann dieser Wert vom eigentlichen Signal wieder abgezogen werden. Ein Bias-Frame beinhaltet einen vom Hersteller bzw. den vorher selbst eingestellten Offset-Wert (siehe Abschnitt ‚Grundlagen‘ - ‚Offset‘) sowie das Ausleserauschen. Da das Ausleserauschen bei jeder Frameart ein zufällig auftretender Wert ist, wird dieses bei der Subtraktion nicht eliminiert. Damit das Gesamtrauschen durch die Subtraktion der unterschiedlichen Ausleserauschwerte nicht zusätzlich noch unnötig steigt, werden möglichst viele Bias-Frames gemittelt.
Ein Bias-Frame wird mit der kürzest möglichen Belichtungszeit der Kamera erstellt, die meist im µs-Bereich liegt. Ein Dunkelstrom tritt bei dieser kurzen Belichtungszeit nahezu nicht auf.

Der Offset-Wert ist in den Kalibrierungsaufnahmen (Flat- und Dark-Frames) sowie den Light-Frames enthalten. Welches ist dabei die brauchbarste Stelle, um die Bias-Frames anzuwenden? Es ist zu beachten, dass der Offset-Wert bei der Kalibrierung nur einmal subtrahiert wird. Bei der Subtraktion der Dark-Frames vom Light-Frame wird aber schon automatisch der enthaltene Offset-Wert abgezogen.

(Light + Offset) – (Dark + Offset) = Light – Dark

Würde der Offset-Wert also vom Dark-Frame abgezogen, würde der Offset-Wert nicht mehr aus den Light-Frames eliminiert werden können.

(Light + Offset) – (Dark + Offset – Offset) = Light + Offset – Dark

Würde der Offset-Wert zusätzlich zu den Dark-Frames auch noch bei den Light-Frames abgezogen, wäre dies eine unnötige mathematische Operation, weil es das gleiche Ergebnis liefern würde wie ohne diese Subtraktion, mit dem Nachteil, dass wie oben beschrieben, ein gemittelter Wert des Ausleserauschens aus den Bias-Frames übrig bleibt, der sich dann auf die Light- und Dark-Frames auswirkt.

(Light + Offset – Offset) – (Dark + Offset – Offset) = Light – Dark + gemitteltes Ausleserauschen

Die Master-Flat-Frames eignen sich dafür auch nicht, weil diese vom Master-Dark-Frame korrigierten Light-Frames dividiert und nicht subtrahiert werden.

Doch wozu wird die Bias-Aufnahme dann noch benötigt? Da auch jeder Flat-Frame den Offset-Wert beinhaltet, müssen die Flat-Frames vom Offset-Wert befreit werden, bevor sie zur Kalibrierung (mittels Division) des Einzelbilds verwendet werden. Ansonsten hätten das Master-Flat-Frame und das Light-Frame nicht die gleiche Offset-Basis, und die Kalibrierung würde misslingen. Haben die Flat-Frames eine längere Belichtungszeit (z.B. Bei Schmalbandfiltern), sollten die Bias-Frames durch Darkflat-Frames (siehe unten) ersetzt werden. Wegen der längeren Belichtungszeit erhöht sich der Dunkelstrom, und bei manchen Kameras zeigt sich zusätzlich auch erstes Verstärkerglühen, das beides durch die Darkflat-Frames eliminiert werden kann.

Vorgehensweise zur Aufnahme von Bias-Frames:

• • Kürzeste Belichtungszeit im Softwareprogramm einstellen
  • Abdeckung auf Teleskop oder Kamera stecken – es darf keinerlei Licht auf den Chip gelangen
  • Die Aufnahmen müssen die gleiche ISO/Gain-Einstellung wie die Light- und Flat-Frames haben.
  • Die Chiptemperatur spielt für diese Aufnahmen keine Rolle, es schadet somit auch nicht, falls der Chip schon gekühlt ist.
  • 20 bis 50 Aufnahmen machen, die anschließend gemittelt werden

Die einzelnen Pixel zeigen nach dem Stretchen (Strecken der Tonwertkurve) die typischen unterschiedlichen Graustufen, die nur den Offset und das Ausleserauschen beinhalten. Der gemittelte Wert ist dann der Offset. Nach dem Stacken enthalten die Bias-Frames den Offset-Wert mit dem gemittelten Ausleserauschen.

Dark-Frame

Dark-Frames werden erstellt, um den Dunkelstrom, das Sensorglühen sowie Hot- und Dead-Pixel aus dem Light- bzw. Sub-Frame zu entfernen. Dark-Frames werden vom Sub-Frame subtrahiert. Gleichzeitig werden die Sub-Frames dabei vom Offset-Wert befreit, da dieser in den Dark-Frames enthalten ist.

Hot-Pixel entstehen durch überspringen einzelner Elektronen von einem Pixel zum benachbarten Pixel und reagieren dabei überproportional auf die zusätzliche Energie. Sie leuchten dadurch rot, gelb oder auch mal grün oder blau im Endbild. (https://www.fotografiewissen.de/technik/allgemein/deadpixel-und-hotpixel/)

Bei Dead-Pixeln liegt ein technisches Problem vor, so dass es zu keinem oder einem dauerhaften Stromfluss kommt. Die Pixel sind dadurch entweder schwarz oder weiß (ausgebrannt). (https://www.fotografiewissen.de/technik/allgemein/deadpixel-und-hotpixel/)

Das Sensorglühen entsteht, weil nebengelagert Elektronik Wärmestrahlung im infraroten Bereich abgibt und die danebenliegenden Pixel darauf reagieren. (https://de.wikipedia.org/wiki/Sensorgl%C3%BChen)

180 s Dark-Frame (gestretcht (Strecken der Tonwertkurve) mit dem Programm PixInsight)

Vorgehensweise zur Aufnahme von Dark-Frames:

• • Abdeckung auf Teleskop oder Kamera stecken – es darf keinerlei Licht auf den Chip gelangen
  • Dark-Frames müssen unbedingt mit der gleichen Belichtungszeit, Chiptemperatur und ISO/Gain, wie die Sub-Frames aufgenommen werden
  • Bei ungekühlten Kameras ist es schwierig, die gleiche Chiptemperatur zu erreichen. Ein Verarbeiten solcher Dark-Frames sollte bei ungekühlten Kameras mit schwachem Sensorglühen nicht verwendet werden, da sie zu schlechteren Bildergebnissen führen.
  • 15 bis 30 Aufnahmen machen, die anschließend gemittelt werden

Wird eine gekühlte Kamera verwendet, kann eine Dark-Frame-Bibliothek mit verschiedenen Belichtungszeiten und ISO/Gain angelegt werden, die nur ab und zu aktualisiert werden muss. Dadurch entfällt das langwierige Aufnehmen zu jeder Aufnahmenacht.

Flat-Frame

Flat-Frames sollen Vignettierung und ungleichmäßige Bildausleuchtung durch Staub oder Schmutz im optischen System korrigieren. Zusätzlich kann die Auswertesoftware bei einer gleichmäßigen Ausleuchtung während der Flat-Frames erkennen, wie unterschiedlich empfindlich die Pixel auf Licht reagieren.

Eine Vignettierung entsteht meist, wenn mehrere Bauelemente in einem Strahlengang vorhanden sind und eines von ihnen den Bildrand beschneidet. Dadurch sind die Seitenränder des Bildes ist im Gegensatz zum Zentrum dunkler.

Vorgehensweise zur Aufnahme von Flat-Frames:

• • Die Kamera muss in der gleichen Position sein wie bei der Aufnahme der Light- bzw. Sub-Frames – ein Drehen der Kamera ist zu vermeiden.
  • Der Fokuspunkt sollte nahezu identisch mit dem Fokus der Einzelbildaufnahmen sein.
  • Es muss der gleiche ISO/Gain-Wert wie bei den Sub-Frames bzw. Dark-Frames eingestellt werden.
  • Die Chiptemperatur spielt bei kurz belichteten Flat-Frames eine untergeordnete Rolle. Bei länger belichteten Flat-Frames, also wenn eine langsame Optik vorliegt oder Schmalbandfilter verwendet werden, kommt aber wieder der Dunkelstrom ins Spiel. – Eine Kühlung ist dann von Vorteil. Für solche Flat-Frames ist es somit wichtig, dass nicht der Bias-Frame, der ja keinen Dunkelstrom beinhaltet, abgezogen wird, sondern ein Darkflat-Frame.
  • Für eine gleichmäßige Ausleuchtung empfiehlt sich eine Flatfieldmaske. Diese wird verkippungsfrei vor der Teleskopöffnung positioniert.
  • Die Belichtungszeit sollte so gewählt werden, dass im Aufnahmeprogramm der Berg der Histogrammkurve mittig bei 50 % liegt. – Das bedeutet, dass die Pixel alle eine mittlere Sättigung haben.
  • Manche Astro-Kameras haben Schwierigkeiten bei einer hellen homogenen Ausleuchtung nur 1 s zu belichten. Hier ist es hilfreich die Belichtungszeit zu erhöhen (z.B. auf 3 s) und die Beleuchtung durch die Flatfieldmaske zu reduzieren, so dass die Histogrammkurve wieder bei 50 % liegt.
  • 15 bis 30 Aufnahmen machen, die anschließend gemittelt werden

Darkflat-Frame (auch Flatdark-Frame)

Darkflat-Frames (oder auch Flatdark-Frames genannt) werden verwendet, um den Offset und den Dunkelstrom aus einem länger belichteten Flat-Frame zu entfernen. Prinzipiell bietet es sich immer an, diese Art von Kalibrierung anstelle der Bias-Frames zu verwenden, denn auch schon kurzbelichtete Flat-Frames von ca. 1 s können unter Umständen einen gewissen Dunkelstrom aufweisen.

Vorgehensweise zur Aufnahme von Darkflat-Frames:

• • Es wird exakt die gleiche Belichtungszeit wie bei den Flat-Frames verwendet.
  • Der ISO/Gain-Wert muss auch hier mit dem Sub- bzw. Flat-Frame übereinstimmen.
  • Die Chiptemperatur spielt so, wie bei den Flat-Frames eine untergeordnete Rolle, eine Kühlung ist hier aber wieder sehr vorteilhaft.
  • Anstelle der Flatfieldmaske, verschließt man das Teleskop wieder wie bei den Bias- und Dark-Frames.
  • 15 bis 30 Aufnahmen machen, die anschließend gemittelt werden