Kalibrierungsframes in der Praxis: Lights, Darks, Flats und Bias richtig einsetzen
Die Vorverarbeitung ist ein ungemein wichtiger Teil des Workflows, und ich verbringe hier meist viel Zeit. Abgesehen von der Kalibrierungsroutine selbst erledige ich die meisten Schritte manuell, um sicherzugehen, dass jedes Glied der Kette stimmt—so kann ich, wenn einmal etwas schiefgeht, die Ursache schnell aufspüren. Und die Kalibrierungsframes sind das eigentliche Fundament der Vorverarbeitung. Dieser Artikel bündelt die Fallstricke, in die ich über die Jahre getappt bin, und das praktische Verständnis der Kalibrierungsframes, das ich mir nach und nach aufgebaut habe.
Lights, Darks, Flats, Bias und Flat Darks: erst einmal sauber auseinanderhalten
Die vier grundlegenden Kalibrierungsframe-Typen der Astrofotografie sind Light, Dark, Flat und Bias, dazu kommt der Flat Dark (der Dark für deine Flats). Das ist das grundlegendste Konzept überhaupt, und doch ist die Zahl derer, die auf die Frage „Beschreibe kurz den Unterschied zwischen Light, Dark, Flat, Bias und Flat Dark“ tatsächlich eine klare Antwort geben können, kleiner, als man denken würde—viele merken sich bloß die Namen, und das ist nicht dasselbe, wie zu verstehen, was jeder Einzelne von ihnen eigentlich leistet.
Das Bild oben ist eine Erläuterung, die ich von RBA zitiere; sie deckt Light, Dark, Bias und Flat ab, dazu, wie diese Kalibrierungsframes unter normalen Bedingungen typischerweise aussehen. Der Flat Dark ist, wie gesagt, schlicht der Dark für deine Flats—wende einfach dieselbe Überlegung an wie bei den Darks. Was du dir wirklich merken solltest, ist, welche Art von Fehler jeder von ihnen zu beseitigen hat: Darks nehmen sich das thermische Rauschen und den Dunkelstrom vor, Flats die Vignettierung und die Staubschatten, und Bias-Frames den Ausleseoffset.
Flats: der Frame mit dem größten Lernpensum
Von den vier Kalibrierungsframes ist der Flat wohl derjenige, bei dem am ehesten etwas schiefgeht—und derjenige mit dem größten Lernpensum.
Donuts und Abschattungen in deinen Flats
Wenn du in PixInsight die ScreenTransferFunction (STF) nutzt, um einen Flat am Bildschirm zu stretchen und zu inspizieren, wirst du feststellen, dass er immer voller ringförmiger „Donuts“ ist—das ist im Grunde Staub im Strahlengang—und du wirst außerdem die Vignettierung sehen; wenn du einen OAG verwendest, siehst du zusätzlich den Schatten der OAG-Abschattung.
Genau aus diesem Grund gilt: sobald sich am optischen System irgendetwas ändert—Ab- und Anbau, Anpassung des Bildausschnitts, selbst die Justage einer Objektivmaske—musst du deine Flats neu aufnehmen. Sonst decken sich die Positionen der Donuts oder der Abschattungsschatten nicht mehr mit den abgeschatteten Stellen auf den Lights, die Kalibrierung kann naturgemäß nicht gelingen, und stattdessen entstehen allerlei bizarre Artefakte nach der Kalibrierung.
Wie man die Belichtungszeit wählt: ein Praxistest
Wie lange sollte ein Flat belichtet werden? Ich habe dazu einen Praxistest gemacht. Als Gerät diente ein 8-Zoll-Newton (modifiziert) mit einer ASI 2600MC. Bei gleicher Temperatur habe ich Flats und die zugehörigen Flat Darks mit 10ms, 1s, 5s und 10s aufgenommen und die kalibrierten Ergebnisse anschließend mit bloßem Auge geprüft. Dabei zeigte sich, dass der 5s-Satz am besten war; sowohl bei 10ms als auch bei 10s hellten sich die Ränder auf. Als Nächstes habe ich den 5s-Flat durch die Flats der anderen Belichtungszeiten geteilt, um zu vergleichen: der 1s-Satz war wohl eine Fehlaufnahme—geteilt kam er insgesamt zu dunkel heraus; bei 10ms gab es einen Unterschied, der von links oben nach rechts unten verlief; bei 10s war der Unterschied sehr gering. Die kalibrierten Flats aller Belichtungszeiten lagen im Histogramm an ungefähr derselben Position, leicht links der Mitte, ohne dass Information abgeschnitten wurde—das zeigt, dass die Aufnahmeeinstellungen korrekt waren.
Das Fazit: Lässt man andere Variablen beiseite, fährt dieses System mit 5s-Flats am besten, und 10s ist ebenfalls gut, nur zeitaufwendiger. Ein Wort der Vorsicht—diese „optimale Belichtungszeit“ ist das Ergebnis für ein ganz bestimmtes System; wechselst du zu einem anderen Setup, musst du von vorn testen.
Leuchtpaneel oder Himmelsflat?
Nur wenn die Öffnung eines Teleskops zu groß ist, würde ich überhaupt Himmelsflats in Betracht ziehen. Himmelsflats haben ihre Tücken: Die Kontrollierbarkeit ist sowohl bei den Sternen (auf Himmelsflats tauchen oft helle Sterne auf) als auch bei der Helligkeit (jeder Frame kommt mit anderer Helligkeit heraus) schlechter. In der heutigen Zeit, in der dimmbare LEDs so verbreitet sind, ist ein Leuchtpaneel für Teleskope unter 25 cm der einfachste Weg, Flats aufzunehmen—du kannst überall aufnehmen und einen misslungenen Frame sofort wiederholen, es gibt also wirklich keine Ausrede, keine Flats zu machen. Wenn du unbedingt den Himmel nutzen musst, würde ich eine milchig-weiße Kunststoffplatte verwenden statt eines weißen T-Shirts. Was die Anzahl der Flats angeht, reichen 5 bis 10 in etwa; es kommt nicht auf die Menge an, sondern darauf, sie richtig aufzunehmen.
Was das Dimmen des Paneels betrifft, habe ich ebenfalls getestet: Ich habe 1s-Flats mit PWM-Dimmung (die flackert) gegen 4s-Flats mit zusätzlich vorgesetzter Graufilterplatte verglichen. Obwohl im 1s-Frame die PWM-Streifen deutlich sichtbar waren, verschwanden sie nach der Integration, und durch den Master Flat mit 4s geteilt kam das Ergebnis weiß heraus—das heißt, es gab so gut wie keinen Unterschied. PWM-Dimmung ist also praktikabel (Spannungsdimmung, die nicht flackert, ist natürlich ideal); um Zeit zu sparen, scheint es zu genügen, nur 1s-Flats—und auch die Flat Darks nur mit 1s—aufzunehmen.
Gekühlte CMOS: Bitte kalibriere Flats mit Flat Darks
Dieser Punkt verdient besondere Betonung: wenn du eine gekühlte CMOS-Kamera verwendest, kalibriere deine Flats bitte mit dem Flat-Dunkelstrom (dem Dark für deine Flats), nicht mit Bias-Frames. Bias kann Flats meist nicht korrekt kalibrieren, und wenn die Flats nicht korrekt kalibriert sind, scheitert am Ende die Kalibrierung der Lights. Das häufigste Ergebnis schlecht kalibrierter Flats ist eine Überkorrektur, wenn du die Lights kalibrierst, wobei alle vier Ecken hell werden.
Die Anzeige-Falle bei DSLR-Flats
Wenn du Flats mit einer DSLR aufnimmst (besonders mit einer Nikon), könntest du einen Schreck bekommen: obwohl sie auf der Kamera oder in Photoshop hell aussehen, sind sie in PixInsight pechschwarz.
Der Grund ist, dass 14-Bit-Daten in einem 16-Bit-Dateicontainer stecken; um sie also korrekt anzuzeigen, besteht der erste Schritt darin, mit dem Histogram-Werkzeug den Weißpunkt auf 0.25 zu setzen. Das ist rein ein Anzeigeproblem und beeinträchtigt die Daten selbst nicht. (Ich habe am Beispiel einer Nikon D810 Astro mod ein Video aufgenommen, das den kompletten Ablauf vorführt.)
Darks: Sie verfallen—vergiss nicht, sie zu erneuern
Darks sind nichts, was man einmal aufnimmt und für immer verwendet. Ein Mitstreiter hat einmal mit denselben alten Darks kalibriert und schlechte Ergebnisse bekommen; auf Nachfrage stellte sich heraus, dass die Darks zu Jahresbeginn aufgenommen worden waren—was einmal mehr bestätigt: Darks müssen regelmäßig erneuert werden; ein und derselbe Satz sollte nach etwa drei Monaten neu aufgenommen werden. Wenn bei jeder Kalibrierung kleine Probleme auftreten, kannst du prüfen, ob die Pixelhelligkeitswerte der alten und der neuen Darks ungefähr gleich sind, und daran ablesen, ob die Darks gealtert sind.
Auch Darks mit unterschiedlichen Belichtungszeiten sind einen Blick wert. Ich habe mir einen Satz Master Darks einer QHY 268C (Sony IMX 571) von 0 bis 600 Sekunden angesehen, und der Hintergrundwert änderte sich unabhängig von der Belichtungszeit kaum (alle um die 0,0075); der sichtbare Unterschied war, dass die Helligkeit der Hot Pixels mit der Belichtungszeit zunahm. Daraus lässt sich eine praktische Schlussfolgerung ziehen: wenn du Hot Pixels separat behandelst (etwa mit Cosmetic Correction), kannst du Darks selbst dann noch zur Kalibrierung verwenden, wenn ihre Belichtungszeit einmal nicht zu deinen Lights passt.
Nebenbei bemerkt: In meinen frühen Jahren, als ich mich mit Kalibrierungsframes beschäftigte, habe ich mir an einem Dark-Problem die Finger verbrannt: Nach Kalibrierung, Registrierung und Integration entdeckte ich Anzeichen einer Über- oder Unterkorrektur des Flats, baute den kompletten Master Flat von Grund auf neu und merkte erst ganz zum Schluss, dass das Problem in Wahrheit bei den Darks lag.
Eine klassische Lektion: Ein misslungener Bias ruiniert die ganze Integration
Zum Schluss ein Fall, der einen tiefen Eindruck hinterlassen hat. Bei einem Datensatz scheiterte die Integration schlicht (in PixInsight) oder kam falsch heraus (in Astro Pixel Processor), und als ich der Sache nachging, war der Übeltäter ein misslungen aufgenommener Bias-Frame.
Das war auch das erste Mal, dass mir ein misslungener Bias eine ganze Integration zu Fall brachte. Deshalb sage ich es noch einmal: Bei gekühlten CMOS kalibriere deine Flats mit Flat Darks, nicht mit Bias. Und ein unkalibrierter Flat ist im Grunde eine vergeudete Aufnahme—er schafft im kalibrierten Bild nur mehr Probleme. Nimm zuerst deine Kalibrierungsframes richtig auf; erst dann gibt es überhaupt etwas anderes zu bereden.
