Astro Programme

Das Non Plus Ultra unter den Programmen zur astronomischen Bildbearbeitung

Deep-Sky-Aufnahmen

Astronomische Deep-Sky-Aufnahmen werden mit wissenschaftlichen CCD- oder CMOS-Kameras aufgenommen, die im Gegensatz zu herkömmlichen Digitalkameras über kein integriertes Objektiv verfügen. Die Kamera wird direkt im Primärfokus oder mithilfe geeigneter Adapter an das Teleskop Adaptiert. Dadurch übernimmt die Teleskopoptik vollständig die Abbildungsfunktion.
Die Bilddaten werden bevorzugt im Flexible Image Transport System (FITS) gespeichert. Dieses von der astronomischen Fachgemeinschaft standardisierte Dateiformat wurde entwickelt, um neben den eigentlichen linearen Sensordaten sämtliche aufnahmerelevanten Metadaten verlustfrei zu speichern. Hierzu gehören unter anderem Belichtungszeit, Sensortemperatur, Kameraverstärkung (Gain), Offset, Filterposition, Pixelgrösse, Himmelskoordinaten (RA/DEC), Beobachtungszeitpunkt, Objektbezeichnung sowie weitere teleskop- und kameraspezifische Parameter. Diese Informationen bilden die Grundlage für eine reproduzierbare wissenschaftliche Bildkalibrierung und gewährleisten die vollständige Nachvollziehbarkeit sämtlicher Verarbeitungsschritte.
Für die Bildbearbeitung habe ich mich für PixInsight entschieden. Es gehört zu den professionellsten Programmen für die astronomische Bildverarbeitung und deckt sämtliche Verarbeitungsschritte ab. Die Verarbeitung der FITS-Daten erfolgt grundsätzlich in zwei Hauptphasen: Preprocessing und Postprocessing. Das Postprocessing gliedert sich wiederum in eine lineare und eine nichtlineare Bildbearbeitung.

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Workflow mit PixInsight

Das Non Plus Ultra unter den Programmen zur astronomischen Bildbearbeitung

Preprocessing Rohdaten und lineare Bildverarbeitung

Im Preprocessing werden die linearen Rohdaten analysiert, kalibriert, registriert und integriert. Ziel ist es, Störsignale zu entfernen und das astronomische Nutzsignal möglichst präzise zu verstärken.
Hierfür werden vier verschiedene Kalibrierungsdaten – sogenannte Subframes – verwendet. Das eigentliche astronomische Bildsignal befindet sich im Light-Frame.

Beispiele von Flats und Darks:

• wenn das Equipment nicht oft gereinigt wird und sich dadurch Schmutzpartikel darin ansammeln.
• Amp Glow entsteht, wenn bei bestimmten CMOS-Sensoren das Glühen des Verstärkers bei hohen Belichtungszeiten aufgenommen wird.

Die Entfernung solcher Artefakte erfolgt über die Flats & Darks.

Kalibrierungsdaten (Subframes)

• DARKS
  Erfassen den Dunkelstrom des Sensors und entfernen thermisches Rauschen.
• BIAS
  misst nicht direkt das Sensorausleserauschen, sondern dient der Erfassung des elektronischen Offsets (Readout Offset).
• DARK FLATS
  Korrigieren das Dunkelrauschen der Flat-Aufnahmen, dazu ersetzt es bei bestimmten CMOS die BIAS-Frames
• FLATS
  Korrigieren Vignettierung sowie Staubpartikel auf Sensor, Filtern oder der Optik.

Bildsignal

• LIGHTS
  Enthalten das eigentliche astronomische Signal.

Die Kalibrierungsbilder dienen dazu, sämtliche kamerabedingten und optischen Störsignale aus den Light-Aufnahmen zu entfernen. Dazu gehören unter anderem Sensorrauschen, Dunkelstrom, Verstärkerglühen (Amp Glow), Staubpartikel auf Sensor oder Optik sowie Vignettierungen des Teleskops. Diese Kalibrierungsdaten werden nach jeder Aufnahmenacht zusätzlich erstellt und anschliessend mit den Light-Aufnahmen verrechnet.
Das wichtigste Ziel des Preprocessings besteht darin, das Signal-Rausch-Verhältnis deutlich zu verbessern und die Aufnahmen für das spätere Stacking optimal vorzubereiten.

Stacking: WeightedBatchPreprocessing

Das eigentliche Herzstück des Preprocessings ist das Stacking. Dabei werden viele Einzelaufnahmen miteinander kombiniert. Durch die Addition der schwachen astronomischen Signale und die gleichzeitige Mittelung der Störsignale werden feinste Details sichtbar, die in einer Einzelaufnahme kaum erkennbar wären.

Je nach Anzahl der Aufnahmen, Gesamtexpositionszeit und Leistungsfähigkeit des Computers kann dieser Prozess mehrere Stunden oder sogar einen ganzen Tag dauern.

Ablauf

1. Erstellung der Master-Kalibrierungsbilder aus Darks, Dark Flats, Flats und Bias.
2. Kalibrierung sämtlicher Light-Aufnahmen.
3. Registrierung aller Bilder anhand der erkannten Sternmuster.
4. Integration (Stacking) aller registrierten Aufnahmen.

Registrierung

Während der Registrierung erkennt PixInsight die Sternpositionen jeder einzelnen Aufnahme und richtet sämtliche Bilder pixelgenau zueinander aus.

Integration

Nach der Ausrichtung werden alle Bilder mathematisch miteinander kombiniert. Das Nutzsignal wird verstärkt, während das Bildrauschen deutlich reduziert wird.

ImageIntegration wird nicht einfach gemittelt, sondern verwendet verschiedene Gewichtungs- und Rejection-Algorithmen (Winsorized Sigma Clipping, Linear Fit Clipping usw.

Ergebnis

Das Resultat ist ein Masterbild (Summenbild) zusammen mit den erzeugten Master-Kalibrierungsbildern. Dieses Masterbild bildet die Grundlage für die anschliessende Bildbearbeitung im Postprocessing.

Postprocessing

Im Postprocessing erfolgt die eigentliche Bildbearbeitung. Diese besteht aus zwei Arbeitsphasen:

• lineare Bildbearbeitung
• nichtlineare Bildbearbeitung

Lineare Bildbearbeitung

Crop (Zuschnitt)

Zunächst wird das Bild zugeschnitten. Besonders bei Aufnahmen aus mehreren Nächten entstehen an den Bildrändern oft Versätze (Drift). Diese Bereiche enthalten nicht mehr die vollständige Pixelinformation und können das spätere Ergebnis negativ beeinflussen.

Gradientenentfernung (DBE oder ABE)

DBE – DynamicBackgroundExtraction
ABE – AutomaticBackgroundExtraction

Hier werden Lichtverschmutzung, Streulicht und Hintergrundgradienten entfernt. Auch Vignettierungen oder ungleichmässige Hintergrundhelligkeiten werden ausgeglichen. Dadurch treten die schwachen Strukturen von Nebeln und Galaxien wesentlich deutlicher hervor.

Spektrophotometrische Farbkalibrierung (SPCC)

SpectrophotometricColorCalibration

Für eine wissenschaftlich korrekte Farbwiedergabe wird das Bild spektralen Referenzkatalogen zugezogen z.B. der Sternkatalogen aus der GAIA-Mission abgeglichen. Dadurch erhält die Aufnahme eine exakte Farbkalibrierung.

Falls erforderlich, wird zuvor ein Plate Solving durchgeführt, damit die Bildkoordinaten exakt bestimmt werden können.

Deconvolution (PSF)

DynamicPSF

Durch atmosphärisches Seeing, optische Unschärfen und weitere Einflüsse verlieren die Originaldaten an Schärfe. Mithilfe der Deconvolution wird die Punktspreizfunktion (PSF) modelliert und die feinen Details werden wieder sichtbar gemacht.

Für einzelne Arbeitsschritte kommen heute zusätzlich moderne, PixInsight-Skripte oder spezialisierte KI-gestützte Standalone-Programme zum Einsatz: z.B.von RC-Tools sind es die BlurXTerminator, NoiseXTerminator, StarXTerminator die man zum Workflow integrieren kann.

Nichtlineare Bildbearbeitung

Stretching

HistogramTransformation

Beim Stretching wird das lineare Bild in ein sichtbares Bild umgewandelt. Dabei werden die schwachen astronomischen Signale hervorgehoben und der Hintergrund definiert. PixInsight bietet hierfür verschiedene Werkzeuge und Methoden für die Transformation der linearen Sensordaten in einen nichtlinearen Helligkeitsbereich.

Kontrast und Farbsättigung

CurvesTransformation

In diesem Schritt werden Kontrast, Helligkeit und Farbsättigung gezielt angepasst. Ziel ist es, die Bilddetails hervorzuheben, ohne Farben zu übersättigen oder feine Strukturen zu verlieren.

Workflow

Der grundlegende Workflow in PixInsight bleibt nahezu unverändert. Welche zusätzlichen Tools zum Einsatz kommen, ist stark vom Aufnahme Objekt abhängig. Für die heutigen Erweiterungen sind lediglich neue Skripte oder zusätzliche Tools der modernen, KI-gestützten Verfahren für einzelne Bearbeitungsschritte nötig. Die grundlegenden Prozesse – Kalibrierung, Registrierung, Integration sowie lineare und nichtlineare Bildbearbeitung – bleiben jedoch dieselben

Für den Lernprozess ist das Verständnis dieses Workflows von zentraler Bedeutung, da sich nur so nachvollziehen lässt, wie aus zahlreichen Einzelaufnahmen ein wissenschaftlich korrektes und qualitativ hochwertiges Astrofoto entsteht.

Ich entwickelst meinen Workflow kontinuierlich weiter. Mit zunehmender Erfahrung verbessern sich sowohl die Bearbeitungszeit als auch die Qualität der Ergebnisse. Besonders anspruchsvoll sind meine Deep-Sky-Aufnahmen, da sie aus einer städtischen Umgebung entstehen und somit unter erheblicher Lichtverschmutzung leiden. Gerade deshalb ist eine sorgfältige Kalibrierung und Nachbearbeitung entscheidend, um Artefakte zu reduzieren und schwächste astronomische Strukturen sichtbar zu machen.

Pi-Workflow

by joim