Möglichkeiten der Rauschreduzierung bei modernen DSLR-Kameras

Da man es bei der Astrofotografie im Gegensatz zur normalen Fotografie bei Tageslicht in der Regel mit eher lichtschwachen Objekten zu tun hat, treten bei der Astrofotografie spezifische Probleme auf. Ein Hauptproblem ist das Rauschen: Das Bild wird nur dann als gut empfunden, wenn die eigentliche Bildinformation, die vom Objekt kommt, möglichst hoch über dem Rauschen („Bildgrieseln“) liegt. Für gute Bilder muss man also einerseits lang genug belichten (was nicht immer möglich ist) und andererseits das Rauschen so weit wie möglich reduzieren.

1. Rauscharten

Rauschen entsteht bei der digitalen Fotografie mit DSLR-Kameras an unterschiedlichen Stellen. Nachdem das Verstärkerglühen, welches an den aufgehellten Ecken im Foto zu erkennen war, in heutigen Kameras durch eine Verbesserung der Elektronik praktisch keine Rolle mehr spielt, hat sich jedoch bei zunehmender Anzahl der Bildelemente (Pixel) auf immer kleineren Sensoren das Rauschen drastisch verstärkt. Für die Optimierung der Astrofotografie sind vor allen das thermische Rauschen, das Ausleserauschen sowie das Quantisierungsrauschen von Bedeutung. Die früher als „Fixed Pixel Pattern“ bekannten Effekte werden in modernen Kameras direkt bei der Aufnahme herausgerechnet.

Quantisierungsrauschen

Quantisierungsrauschen entsteht durch die Umwandlung des analogen Signals in abgestufte diskrete Werte. Die Fähigkeit einer Kamera, möglichst viele diskrete Werte unterscheiden zu können, wird gerne in Bit/Pixel angegeben. Dies ist ein Messwert für die „Farbtiefe“, also die maximal mögliche Anzahl von unterscheidbaren Farbtönen. Ein Bild im jpg-Format hat zum Beispiel nur 8 bit/pixel (256 Abstufungen/Farbe) und eignet sich daher nicht für Astrobilder. Gängige DSLR-Kameras benutzten daher ein RAW-Format, in dem üblicherweise 16 bit/pixel (216, also rund 65000 Abstufungen pro Farbe) gespeichert werden können. Zwar benutzen die meisten aktuellen DSLRs davon nur 14 bit, jedoch ist der Qualitätsunterschied im Vergleich zu 8 bit/pixel sehr deutlich. Der Amateur-Astrofotograf hat im Grunde nur beim Kauf durch die geschickte Auswahl seiner Kamera einen Einfluss auf das Quantisierungsrauschen, und zwar indem er darauf achtet, dass seine Kamera 14 oder besser 16 bit Farbtiefe unterstützt.

Ausleserauschen

Das Ausleserauschen entsteht bei jeder Aufnahme und ist unabhängig von der Belichtungsdauer und Temperatur der Kamera. Beim zeilen- oder spaltenweise Verschieben der Ladungen in jedem Bildelement in die benachbarten Bildelemente treten kleine Fehler auf. Dieses Rauschen zeigt auch gerne Zeilen- und Spaltenmuster (siehe nebenstehendes Bild).

Je kürzer die Belichtungszeiten, desto höher ist der Anteil des Ausleserauschens am Gesamtrau-schen im Bild.

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Thermisches Rauschen (TR)

Das thermische Rauschen entsteht während der Belichtung, weil nicht nur durch Licht vom Objekt Elektronen in jedem Bildelement freigesetzt werden, sondern auch durch die thermische Bewegung der Atome im Sensor. Das TR ist von den Faktoren Zeit und Temperatur abhängig.

– Zeit: Das TR steigt linear mit der Belichtungsdauer– Temperatur: Das TR verdoppelt sich, wenn die Sensortemperatur um jeweils 7°C zunimmt

Sowohl das thermische Rauschen wie auch das Ausleserauschen lassen sich durch die Methoden der folgenden 2 Kapitel deutlich reduzieren. Insbesondere reduziert sich das Ausleserauschen mit der Verringerung der Anzahl der Bilder im Stack.

2. Low-ISO als Alternative zum Stacken

Eine beliebte Methode der Rauschreduktion ist das Überlagern und Mitteln (Stacken) von Bildern. Häufig in der Amateur-Planetenfotografie benutzt (wo mehrere 1000 Bilder analysiert und gestackt werden), wird diese Methode auch gerne bei der Deep-Sky-Fotografie verwendet. Dabei gibt es jedoch wichtige Unterschiede zu beachten.

In der Planetenfotografie werden tausende sehr kurz belichtete (1/10-1/100 Sek.) Bilder produziert und aus diesen dann wenige 10 bis 100 Bilder, in denen das Seeing kurzzeitig besonders gut war, zum Stacken ausgewählt.

In der Deep-Sky-Fotografie findet eine so radikale Auswahl nicht statt. Da werden höchstens ein paar wenige Aufnahmen, zum Beispiel, bei denen ein Flugzeug direkt durch die Bildmitte geflogen ist, aussortiert.

Reduktion des Rauschens durch Stacking

Wenn man mehrere Bilder miteinander kombiniert, nimmt das Rauschen proportional zur Wurzel der Anzahl der kombinierten Bilder ab. Die Wirkung des Reduktionseffektes sinkt also mit der Anzahl der Bilder gewaltig.

Die Mathematik besagt, dass für jede weitere Halbierung des Rauschens vier mal so viele Bilder benötigt werden. Daher ist man schnell versucht, in einer Nacht so viele Bilder wie irgend möglich zu machen. Da das Optimum für die Astrofotografie Belichtungssituationen sind, in denen sich das

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12

34

56

78

910

1112

1314

1516

1718

1920

2122

2324

2526

2728

2930

3132

0

20

40

60

80

100

120

Reduktion des Rauschens durch Stacking

Rauschzahl

Anzahl der Bilder

rela

tive

Ra

usc

hza

hl

Histogramm vom linken Rand löst, das Objekt also möglichst hell dargestellt wird, ist man versucht, eher mit hoher Sensorempfindlichkeit (ISO-Wert) zu arbeiten.

Doch dieses bedeutet den Teufel mit dem Beelzebub vertreiben. Denn es erweist sich, dass bei höheren ISO-Stufen das Rauschen eben sogar stärker ansteigt, als es durch das Stacken wieder ausgeglichen werden kann.

DILEMMA: Anzahl Bilder vs. Rauschreduktion durch Stacken

Angenommen, das Rauschen verdoppelt sich mit jeder ISO-Stufe. Dann gilt: Um ein verdoppeltes Rauschen auszugleichen, benötige ich viermal so viele Bilder, also die doppelte Belichtungszeit.

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ISO 100

ISO 200

ISO 400

ISO 800

ISO 1600

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

Mögliche Varianten einer 32Minütigen Belichtungszeit

16 x 2 min @ISO1600

8 x 4 min @ISO800

4 x 8 min @ISO400

2 x 16 min @ISO200

1 x 32 min @ISO100

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550 524

357

262

189

140

277

241

210

EOS 450D Standard Abweichung

Single ShotStacked

Dev

iatio

n / N

ois

e

ISO-Stufe

Rauschzahl relativ Einzelaufnahme

Anzahl Stacks bei gleicher Belichtungszeit

Rauschzahl des Stacks

Anzahl Bilder für Ausgleich des Rauschens

Notwendige Gesamtbelichtungszeit zum Rauschausgleich

100 20 1 x 32min 20 1 x 32min 32 Minuten

200 40 2 x 16min 28,3 4 x 16min 64 Minuten

400 80 4 x 8min 40 16 x 8min 128 Minuten

800 160 8 x 4min 56,6 64 x 4min 256 Minuten

1600 320 16 x 2min 80 256 x 2min 512 Minuten

Messtechnische Überprüfung der Hypothese Dazu habe ich einen Sonnenfilter in den Strahlengang meiner EOS 450D platziert und 32 Minuten lang ein graues Papier abgelichtet. Danach habe ich sowohl die Einzelbilder wie auch die resultierenden Stacks mit FITS-Work auf das Rauschen untersucht.Erkennbar ist, dass das Rauschen mit jeder ISO-Stufe überproportional anwächst. Deutlich erkennbar ist der Gewinn, der durch das Stacken der Einzelbilder erreichbar ist, jedoch niemals den Gesamtverlust ausgleichen kann. Der Unterschied mag nicht groß erscheinen, jedoch im realen Bild macht er sich sehr deutlich bemerkbar.

Einschränkungen:

1. Kameramodell: Es ist nicht sichergestellt, dass sich jedes Modell ähnlich verhält.2. Rauschsteigerung pro ISO-Stufe: Es ist nicht sichergestellt, dass das Rauschen sich bei jeder

ISO-Stufe verdoppelt. Meine Annahmen gelten insoweit nur, wenn sich das Rauschen pro ISO-Stufe um mehr als den Faktor 1,4 verstärkt. Bei heutigen Einsteigermodellen ist das mit Sicherheit der Fall, bei besseren Modellen kann es möglich sein, dass in den niedrigen ISO-Stufen der Rauschanstieg kleiner als Faktor 1,4 ist. Dieses müsste für jedes Modell messtechnisch ermittelt werden.

3. Die Nachführgenauigkeit der Montierung: Führt die Montierung nur wenige Minuten lang sauber nach, nutzen mir rauschfreie Strichspuren jedoch am Ende wenig.

An der AK1 scheinen mir Belichtungszeiten von 30 Minuten jedoch realistisch durchführbar. Längere Belichtungszeiten führen jedoch zu kleinen Strichspuren mit dem Mittelpunkt um die Guiding-Kamera, was auf eine nicht 100% -ige Ausrichtung auf den Himmelsnordpol hindeutet.

3. Kamera-Kühlung zur Rauschreduktion

Eine weitere Methode der Rauschreduzierung ist die Kühlung der Kamera. Allgemein wird davon ausgegangen, dass das thermische Rauschen eines CMOS-Sensors bei einer Temperaturreduktion um 7°C bereits halbiert wird.

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Hypothese: Das Rauschen steigt durch die Wahl höherer ISO-Stufen stärker, als es durch Stacken ausgeglichen werden kann.

Paradox: je höher ich die ISO-Stufe wähle, desto länger muss ich belichten, um durch das Stacken das Rauschen zu eliminieren.

Theoretische Vorteile der Kühlung

Wie im vorigen Kapitel gesehen, benötigen wir für eine Halbierung des Rauschens mit der Methode des Stackens 4 Einzelbilder (also 4-fache Belichtungsdauer insgesamt). Den gleichen Effekt erhalten wir jedoch schon bei einer um 7°C reduzierten Sensortemperatur – zumindest wenn das thermische Rauschen deutlich überwiegt.

Gegenüberstellung Kühlung – Stacken

Kühlung um entspricht einem Stack aus

7°C 4 Bildern

14°C 16 Bildern

21°C 64 Bildern

28°C 256 Bildern

Um die Qualität einer einzigen um 28°C gekühlten Aufnahme mit Stacken zu erreichen, benötige ich die 256-fache Zeit ohne Kühlung.

In der Praxis sind solche Traumwerte jedoch nicht erreichbar, da viele andere Rauschquellen sich leider nicht von der Temperatur positiv beeinflussen lassen. Bei einer Kühlung um 28°C liegt das thermische Rauschen einer 30-minütigen Aufnahme schon deutlich unter dem Ausleserauschen, welches ab dort die dominierende Rolle übernimmt und durch eine Kühlung nicht verbessert werden kann.

Die Messergebnisse

Wie die messtechnische Überprüfung zeigt, bekomme ich bei einer Abkühlung um 24°C folgende Vorteile:

1. 2 ISO Stufen Gewinn: Entspricht einer Reduktion der nötigen Belichtungszeit auf ¼2. Eine einzige Einzelaufnahme gekühlt ISO 800 ist besser als 8x ungekühlt ISO 800,

Reduktion der Belichtungszeit auf 1/8

Zur Messung habe ich wieder (wie oben) ein Sonnenfilter verwendet und im Wohnzimmer bei wenig Licht ein graues Papier abgelichtet.

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Die gestackten Varianten verhalten sich bei beiden Temperaturen identisch, nur auf unterschiedli-chen Niveaus.

Testbilder

Der Vergleich zweier Dunkelbilder macht den enormen Unterschied in der Praxis sichtbar:

6

16 x 2 min @I-SO1600

8 x 4 min @I-SO800

4 x 8 min @I-SO400

2 x 16 min @I-SO200

1 x 32 min @I-SO100

100

200

300

400

500

600

700

800

524

357

262

189

140

719

547

433

350

304

EOS 450D example Standard Deviation @ 0°C / 24°C

0°C Single Shot0°C Stacked24°C Single Shot24°C Stacked

De

via

tion

/ N

ois

e

Darkframes werden damit bei einer gekühlten Kamera im Hinblick auf das thermische Rauschen immer unwichtiger; zur Reduktion des Ausleserauschens können sie unter Umständen aber wichtig sein.

Es gibt aber auch Nachteile der Kühlung:

Abgesehen vom enormen Aufwand für den Umbau der Kamera können auch praktische Gründe gegen eine Kühlung sprechen.

1. Die Kamera muss aufwendig gegen Kon-denswasser und Vereisung geschützt wer-den.

2. Die Kühlung benötigt zusätzlich Energie. Zumindest im freien Feld ist das nicht zu vernachlässigen.

3. Extrem kalte CMOS-Sensoren neigen dazu, an Empfindlichkeit zu verlieren.

4. Das Gewicht der Kühlung muss von Tele-skop und Montierung getragen werden können.

5. Die DSLR-Kamera ist nachher zu nichts anderem mehr zu gebrauchen.

Das nebenstehende Vergleichsbild zeigt jedoch, dass der Aufwand lohnt.

4. Bauprojekt: Peltier-Kühlung für die EOS 450D

Die Details des Umbaus würden den Rahmen dieses Artikels sprengen. Daher sei er hier nur kurz angerissen. Anregungen für den Umbau habe ich bei Anat Ruangrassamee aus Bangkok, Thailand bekommen: http://thaiastro.nectec.or.th/hypermod/

Ich habe zwischen Platine und CMOS-Sensor ein Kupferblech montiert, welches ich durch das Kameragehäuse nach außen führe und dort mit einem Peltier-Element kühle.

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Folgende Probleme mussten dabei gelöst werden:– Kondenswasser in der Kamera– Vereisung des CMOS-Sensors an der Vorderseite– Abführen der enormen Abwärme des Peltier Elementes– mechanische Stabilität u.v.m

So sieht das fertige Produkt aus.

Eine ausführliche Darstellung des Umbaus findet sich im Internet unter: http://www.sternfreunde-breisgau.de/eos_umbau.pdf

Nun kann ich es kaum erwarten, die gekühlte Kamera mit realen Deep Sky-Objekten auszuprobieren. Über die Ergebnisse werde ich hier berichten.

Peter Eppich

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