Praxis und Technik der Videoastronomie

- Was man so machen muß, um Astrovideos aufzunehmen und wie man sie auswertet  -

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Einleitung

Astronomie mit der Videokamera, das bedeutet gerade die Objekte zu beobachten, die sich zeitlich sehr schnell verändern, wie zum Beispiel Finsternisse, Bedeckungen oder Meteore oder auch die Beobachtung von Objekten, die aufgrund der Luftunruhe nur zeitweilig gut sichtbar sind, und wo man große Bilderzahlen zum aussortieren braucht.

Die Beobachtung von astronomischen Objekten mit Video besteht immer aus drei Teilen:
 
Aufbau der Geräte und Abbringen der Kamera ans Fernrohr
Aufnahme des Astrovideos
Auswertung des Astrovideos

Obwohl Videoastronomie ganz einfach aussieht - man braucht nur eine Videokamera, ein Fernrohr und einen multimediafähigen Computer - muß man die einzelnen Schritte praktisch im Griff haben, wenn man aus mäßigem Consumervideo Bilder höchster Qualität als Endresultat machen will. Die einzelnen Klippen sind:
 
Bei Planeten hohe Vergrößerung, daher wird auch Seeing und Wackeln der Mechanik verstärkt
Lösung: Weil man ganz viele Bilder aufnimmt, kann man sich zum Weiterverarbeiten die besseren raussuchen
Oft wird mobil gearbeitet, es gibt also weit und breit keine Steckdose
Lösung: Man arbeitet mit dem normalen Camcorderakku und nimmt auf Band auf, das man erst zuhause digitalisiert.
Es ist schwierig, eine Kamera ans Fernrohr zu bekommen, insbesondere Camcorder mit Festobjektiv
Lösung: Nicht besonders elegant, aber es geht: man hält die Kamera einfach hinter ein Okular. Besser aber ist, man bastelt sich eine Tragevorrichtung für die Kamera.
Ein Video auf Band ist die eine Sache, es in den Rechner zu bekommen, die andere
Lösung: Die moderne Multimediatechnik stellt reichlich preiswerte Lösungen mit Videoeingängen zur Verfügung.
Die Bildqualität von Videos ist dürftig, Einzelbilder sind stark verrauscht und bei Analogvideo auch kontrastarm
Lösung: Die Masse machts: Durch Überlagern von vielen Bildern (hunderte) nimmt das Rauschen so stark ab, daß auch sehr starke Bildverarbeitungsschritte durchgeführt werden dürfen. Bilder sind ja reichlichst da.

Diese Webseite stellt die einzelnen Schritte der Videoaufnahme und Auswertung im Detail vor.


Aufbau der Hardware

Das Fernrohr Als Fernrohr für die Videoastronomie kann man genau das Gerät einsetzen, was man für die visuelle Beobachtung benutzt. Weil Video auch zeitliche Veränderungen registriert und nicht wie bei Langzeitbelichtungen verschmiert, ist der Schärfeeindruck beim laufenden Video und beim Endresultat mit dem visuellen Eindruck identisch. Auch hier gilt - je größer das Fernrohr, desto mehr sieht man. 
 
Der Typ des Teleskops ist dabei egal, nur Videoastronomie eignet sich systembedingt nur für helle Objekte wie die Planeten, die Sonne oder den Mond, und da ist ein Fernrohr mit langer Brennweite geeigneter.
Ein Schiefspiegler mit
15 cm Öffnung und 3 Meter
Brennweite ist für die
Videoastronomie ideal.
Eine hochwertige 
Dreichipkamera mit Spiegelkasten
an das Okularende des Kutters
montiert

 

Kameras mit 
Festobjektiv
Zumeist ist eine Videokamera, die man ohnehin hat und für die Astronomie einsetzen will, mit einem Festobjektiv ausgestattet. das macht es schwierig, so eine kamera an das Fernrohr zu halten. Der beste Weg ist, ein recht langbrennweitiges Okular mit größerem Augenabstand, etwa ein Plössl zu verwenden und die Videokamera direkt an das Okular zu halten, um die entgültige Vergrößerung mit dem Zoom der Kamera einzustellen. Günstigerweise kann man vorher das Okular visuell scharfstellen - damit ist es auch für die Videokamera scharf. Bitte Kamera manuell fokussieren, indem man den Autofokus ausschaltet. 

Wichtig: Brillenträger sollten beim Scharfstellen die Brille auflassen, damit das Okular tatsächlich ein paralleles Strahlenbündel liefert. Besondere Probleme haben hier Weitsichtige, da sie leicht über "Unendlich" hinaus fokussieren, während Kurzsichtige eher zu nah fokussieren, was die Kamera ausgleichen kann.

Wenn man die Kamera von Hand einfach hinter das Okular hält, dann wackelt je nach Gesamtvergrößerung das Bild aufgrund der natürlichen Körperbewegungen hin und her. Interessanterweise betrifft das weniger das Objekt (Planet, Sonnenfleck etc.), sondern mehr den Rand des Okulars, so daß es zu Vignettierungen kommt. Das Auswerteprogramm GIOTTO kann Vignettierte Bilder aber aussortieren, indem man beim Überlagern die Verzerrungsprüfung einschaltet (Ab Verhältnis 80/20).

Die eigentliche Vergrößerung ändert sich aber nicht, weder durch Wackeln in Querrichtung noch durch die Abstandsänderung. Das wirkt sich nur auf die Häuffigkeit der Vignettierungen aus.

Hinweis: Wesentlich besser ist es, eine einfach Halterung an das Fernrohr zu basteln und die Kamera mit einer Stativschraube fest und wackelfrei hinter das Okular zu montieren.
 

Geeignete
Okulare
Die Auswahl der Okulare wird durch die Vergrößerung bestimmt, die man erreichen möchte, ist aber in der Regel unkritisch, da das in die Kamera eingebaute Zoomobjektiv die Vergrößerung nachregelt. Wichtig ist, daß das Okular einen großen Augenabstand bietet, am besten geeignet sind Okulare, die auch für Brillenträger gut sind.

Den Vergrößerungsfaktor muß man dabei experimentell bestimmen, zum Beispiel durch Ausmessen eines Planetenscheibchens (man kennt ja den Durchmesser am Aufnahmetag ...) Hier ist insbesondere das Zoom der Kamera ein unbekannter Faktor. Je nach Bauart gibt es hier mehr oder weniger grobe Hinweise auf die Brennweite. Eine exakte Berechnung ist kaum möglich.

Hinweis: Einfachere Kameras bieten zwar einen enormen Zoombereich, aber die Korrektur dieser Zooms ist eher mittelmäßig. Das Okular sollte also den Hauptteil der Vergrößerung vornehmen.

Wichtig: Wenn man aus der freien Hand durch ein Okular aufnimmt, muß man ein Okular mit konstantem Bildwinkel währen, das sind insbesondere die einfacheren Okulare mit wenig Linsen wie z.B. Plössl. Okulare mit vielen Linsen wie die modernen Weitwinkeltypen haben aber aufgrund der Korrektion der anderen Bildfehler eine sich über den Einblick ändernde Vergrößerung, so daß sich die schwankenden Bilder nur unsauber überlagern lassen.
 

Kameras ohne
Objektiv
Kameras ohne Objektiv sind ideal für die Videoastronomie, da das alleine von der Fernrohroptik entworfene Bild direkt auf den Sensor fällt und dort ausgelesen wird. Diese Kameras gibt es in den verschiedensten Bauarten, als Kameramodule, als Industriekameras und als Camcorder, die ein abnehmbares Objektiv haben (zur Zeit nur der Canon XL-1). Obwohl der Chip sehr klein ist, muß man, um hinreichend hohe Vergrößerungen zu erreichen, entweder mit Okularprojektion (dubiose Bildqualität) oder besser mit Barlowlinse oder Telekonverter (beste Bildqualität) vor der Kamera arbeiten.

Diese Art von Kameras bekommt man recht einfach an Fernrohr: Für C-Mount und die XL-1 gibt es fertige Adapter auf ein Kamerabajonett, das wiederum mit einem T-Ring andockt, den man für die normale Astrofotografie bekommt. Das ist hinreichend fest und wackelfrei. Kameramodule zu montieren ist schwieriger, hier empfiehlt sich der Bau einer Steckhülse, in die das Modul gleich mit eingebaut wird. Praktisch ist hier, den Fokus so zu wählen, daß er mit der Fokusebene eines oft gebrauchten Okulars übereinstimmt.

Webcams kann man so auseinanderbauen, daß sie kein Objektiv mehr haben. Das läßt sich wie bei den Kameramodulen herausschrauben.

Bis auf die Ausnahme des XL-1 haben die objektivlosen Kameras auch keinen Sucher oder Monitor, wo man das Bild betrachten könnte. Wenn man so eine Kamera benutzt, dann muß man für einen exterenen Monitor sorgen. Das kann beim Arbeiten auf dem freien Feld schon probleme machen. Bei Webcams kann hier das Display eines Laptop helfen.

Hinweis: Eine sehr simple Lösung ist, eine leere Filmdose für Kleinbild als Hülse zu zweckentfremden. Sie passt ungefähr in einen 1,25 Zoll-Auszug, hat allerdings wegen ihrer konischen Form keinen definierten Anschlag, was die Fokussierung etwas mühsam macht. Aber es ist eine unschlagbar billige Lösung.
 

Ausrichtung 
auf den Pol
Videoastronomie ist eine (wenn auch extreme) Form der Astrofotografie, und da heist es ja: genau auf den Pol ausrichten. Wegen der sehr kurzen Belichtungszeit von nur 40 Millisekunden ist die genaue Ausrichtung wenig bedeutend. Selbst bei sehr starken Abweichungen von der Erdachse wird die Abbildungsqualität in keiner Weise beeinflusst. Nur man muß dann entsprechend oft nachführen, was bei den sehr kleinen Bildfeldern schon sehr lästig werden kann.

Interessanterweise funktioniert Videoastronomie auch an von Hand in beiden Achsen nachgeführten Dobsons. Empfehlenswert ist hier der Gebrauch eines Weitwinkelokulars, damit ein objekt einige Zeit im Blickfeld bleibt. das Okular muß allerdings sehr gut auch auf die Quervergrößerung korrigiert sein, da sonst das Objekt beim Vorrüberziehen die Größe ändert.

Hinweis: Empfehlenswert ist, zumindest nach Augenmaß einigermaßen gut auf den Pol auszurichten und diese Ausrichtung mit der Scheinermethode noch zu verbessern. Absolute Perfektion ist aber nicht notwendig.
 

Objekte
auffinden
Mond und Sonne sind einfach zu finden, es geschieht sozusagen aus der Hand. das ist bei den winzigen Planetenscheibchen anders, denn hier muß die Vergrößerung sehr hoch getrieben werden, damit das Planetenscheibchen einigermaßen groß auf dem Video erscheint. Das bedeutet aber auch, daß das vom Sensor überblickte Gesichtsfeld nur wenige Bogenminuten groß ist. Damit wird es außerordentlich schwierig, den Planeten zu finden, vor allem bei unterdimensionierten Montierungen und Stativen, wie sie im Billigfernrohrbau üblich sind. Es gibt aber trotzdem einige Maßnahmen, wie man auch billiger Astrohardware den gewünschten Planeten auf den Chip bringt:
 
Man verwende einen Klappspiegelkasten, wie sie für die herkömmliche CCD-Fotografie gebraucht werden, das geht allerdings nur mit Kameras ohne Objektiv.
Man justiere seinen Sucher ganz besonders penibel. Ab 10facher Vergrößerung zeilt so ein Sucher genau genug, so daß man nur noch ganz wenig suchen und schwenken muß.
Jedes Fernrohr ist mehr oder weniger elastisch. Man prüfe, wo der Sucher mit der Kamera hinzeigt und wo mit dem üblichen Okular. Nötigenfalls nach Montage der Kamera nachschwenken.
Bei Kameras mit Festobjektiv zoomt man zunächst ganz auf und holt sich den Planet dann so nah wie nötig heran.
Wenn man einen Dobson benutzt, stellt man den Planeten ganz an den Rand, wo der Planet dann langsam ins Gesichtsfeld läuft. So gewinnt man Zeit zum Auffinden mit der Kamera.
Nachführung Hier gilt das gleiche wie bei der Polausrichtung - schon ein ganz simpler Nachführmotor reicht aus. Nur Handnachführung, das funktioniert nicht, da hier der winzige Planet doch zu schnell mal aus dem ebenso winzigen Gesichtsfeld verschwinden kann. Ausnahme ist hier der Dobson mit Weitwinkelobjektiv.
Umwelt-
bedingungen
Videotechnik ist moderne Mikroelektronik, aber nicht fürs anspruchsvolle Militär sondern von der preiswertesten Klasse für den Konsumenten. Das bedeutet, die Umweltbedingungen spielen schon eine Rolle, damit das Videoequipment auch beim nächsten Mal funktioniert:
 
Kälte ist nicht so bedeutend, wenn es nicht gerade sibirische Kälte (Arktis, Hochgebirge, Sibirien ...) ist. Bis etwa -20 Grad erzeugen Videogeräte soviel Eigenwärme, daß sie problemlos weiter funktionieren. Lediglich die Batteriekapazität nimmt mit der Temperatur stark ab. Wird es noch kälter, machen Videobänder Probleme, weil sie zu steif für viele Laufwerke werden. Hier hilft dann ein Mäntelchen.
Feuchtigkeit außen: Bei Taufall sollte man die Kamera schon ein wenig schützen, zumindest sollte man das Kasettenfach bei Camvordern und Videorecordern mit weichem Isolierband abkleben. Blech- und Kunststoffgehäuse sind aber dicht genug, so daß auch eine Menge Tauwasser keinen Schaden anrichtet.
Feuchtigkeit innen: Man sollte, wenn man an besonders kalten Tagen in einen beheizten Raum kommt, die Kamera bitte einige Zeit eingepackt lassen und solange seine Neugier im Zaum halten. Ansonsten kondensiert die Luftfeuchtigkeit in Innenräumen auf den geräten aus, was für die Elektronik nicht so schädlich ist wie für die Bänder.
Staub ist in Kasettenfächern der absolute Horror ! Arbeitet man in staubiger Umgebung (freies Feld, unbefestigte Feldwege, trockene Gebiete wie Wüsten, Steppen, Savannen (insbesondere bei Sonnenfinsternissen) ) ist das Abkleben des Kasettenfachs bei Camcordern ein absolutes Muß, weil eindringender Staub sofort alle Videoköpfe zumindest zusetzt, wenn nicht beschädigt.
Ansonsten sind zumindest Camcorder, Webcams und Kameramodule ausgesprochen robust. Sie überleben Fernflüge, Jeepfahrten und Herunterstürzen von Fototaschen schadlos, wie im Selbsttest ermittelt. Man kann sie in eine weiche Fototasche verpacken, das reicht für alle Fälle. Einziges Problem sind Kabel mit unzureichendem Knickschutz und Zugentlastung. Bei wenig belastbaren Kabeltypen Ersatzkabel mit einpacken. 
Geräte-
konfigurationen
In der Praxis haben sich folgende Gerätekombinationen im mobilen Einsatz, also ohne Steckdose bewährt:
 
Canon XL-1 am EF-Adapter und Fotoausrüstung für Canon EF Kameras, Spiegelkasten
Kameramodul im selbstgebauten Gehäuse / Industriekamera, Aufnahme mit Videowalkman oder freigeschaltetem D8-Camcorder 
Webcams am Laptop
Camcorder mit Festobjektiv mit Traggestell am Fernrohr montiert
Camcorder mit Festobjektiv freihändig hinter ein verzerrungsarmes Weitwinkelokular gehalten (nur was für ruhige Hände)
Camcorder freihändig an ein sehr großes Weitwinkelokular an einem Dobson gehalten (erfordert Training)

Ortsfest, also wenn es Netzstrom gibt und der Transport von großen Geräten kein Problem macht, kann man auch mit diesen Gerätenkombinationen arbeiten:
 
Kameramodul / Industriekamera direkt an einem Framegrabber in einem PC mit großer Festplatte (Direktdigitalisierung)
Webcam am Normal-PC (extrem preiswert)
Aufnahme auf normalem Videorecorder / Kontrolle auf Fernseher. (zum Ausprobieren)
Wiedergabe auf dem Fernseher, vom Bildschirm abzeichen


Aufnahme von Astrovideos

Wenn man nicht gerade exotische Arbeitsweisen, wie etwa dem sofortigen Genuß des Videobildes (bis zum Abschalten) oder dem Abzeichnen / Durchpausen von Hand direkt vom Fernseher anwendet, muß man den Bilderstrom aufzeichen. Dafür gibt es zwei Methoden.
Band-
aufzeichnung
Man kann einen Videostrom auf Band aufnehmen. Das geschieht mit einem Videorecorder, der entweder netzstromabhängig (und damit nicht mobil) ist, einem mobilen Recorder (etwa dem Videowalkman von SONY oder einem freigeschalteten D8-Camcorder) oder dem Bandteil eines Camcorders. Die dabei abspeicherbare Bildqualität ist abhängig vom benutzten Videoformat, aber in der Regel geht Information verloren.

Vorteil der Bandaufzeichnung ist die Mobilität (bei akku- bzw. batteriegetrieben Geräten), die Länge der aufzeichnung, da Bänder eine extrem hohe Datenkapazität haben und die Lückenlosigkeit der Aufzeichnung, denn alle Bandsysteme sind schnell genug, alle einkommenden Bilder auch festzuhalten. Ein besonderer Vorteil ist die Archivierung und die zeitliche Trennung von Aufnahme und Auswertung.

Nachteil der Bandaufzeichnung ist der Informationsverlust durch die Beschneidung des Signals, die aber prinzipbedingt notwendig ist und das durch die Bandaufzeichnung zugeführte Rauschen. Bei Farbaufnahmen kommt noch eine Farbverfälschung hinzu. Diese Verluste werden mit der Reihe VHS, S-VHS (Hi8), Digital (D8 bzw. DV) geringer und sind bei digitalen Formaten schon sehr klein.
 

Direkte 
Aufzeichnung
Verlustlos ist dagegen die Aufzeichnung durch Direktdigitalisierung: Hier wird das Videosignal in einen Framegrabber eingespeist, der direkt ein Maximum an Bildinformation aus dem Signal herausfischt und in ein digitales Bild verwandelt. Die absolute Topqualität kann mit einem Dreikanalframegrabber und einer Kamera mit RGB-Ausgang erreicht werden. Aber wenn man einen Framegrabber mit S-Videoeingang benutzt, so kommt es durch die Demodulation des Farbträgersignals doch zu, wenn auch sehr geringfügigen Verlusten. Nachteil ist, daß zur Direktdigitalisierung ein meist nicht mobiler PC gebraucht wird. Zudem ist die Datenrate so hoch, daß keine Festplatte zur Zeit alle Daten unkomprimiert (und damit verlustlos) packen kann und deshalb Bilder ausgelassen werden müssen.

Webcams sind insofern mit der Direktdigitalisierung vergleichbar, als daß sie auch ihren Bilderstrom direkt an einen Computer liefern. Nur sie haben sehr geringe Auflösung (Preisgründe) und liefern ihre Bilder häufig in einem verlustbehafteten gepackten Format (M-JPEG, JPEG, MPEG1 etc), so daß der Qualitätsvorteil der Direktdigitalisierung verloren geht. Hier ist der Vorteil der unschlagbar geringe Preis von Webcams, die wenn an einem Laptop betrieben sogar mobil eingesetzt werden können.
 

Aufnahmezeiten Man kann pro Sekunde 25 Vollbilder mit Video erzeugen,  in einer Minute entstehen also 1500 Bilder, in 10 Minuten 15000. Das ist schon sehr viel. Bei der Aufzeichnung auf Videoband bestimmt lediglich die verfügbare Bandlänge über die Anzahlen der Bilder. Für die normale Planetenastronomie braucht man bei sehr hellen Objekten wie Sonne und mond etwa 256 Bilder, bei hochstehenden Planeten 1000 Bilder und bei seeinggeplagten tiefstehenden Planeten 2000 oder auch mal 4000 Bilder, aber nicht mehr. Mit maximal 3 Minuten Bandaufzeichnung ist man dabei, wenn Planetenastronomie betreibt, man kann aber noch viel kürzer aufnehmen.

Kritisch werden die Aufnahmezeiten bei der Direktdigitalisierung: Hier kommt es entweder auf die Festplattenkapatzität an, wenn man bereit ist, nur alle paar Bilder eins aufzuzeichnen oder die Speichergröße des Computers, wenn man jedes Bild nutzen will. Ein Bild in Frabe und normaler PAL-Auflösung hat etwa 1,4 MByte Größe. 1000 Bilder wären da schon 1,4 GByte.

Wichtig: Videosequenzen liefern zwar in kurzer Zeit eine Menge Bilder, aber etliche Sekunden dauerts trotzdem, bis richtig große Mengen an Bildern zustande gekommen sind, die man für die Auswertung der Bilder braucht. Also sollte man sich doch für mehr als einen Augenblick mit der sinnlosen Hinundher-Zoomerei und Rumschalterei an der Kamera zurückhalten und nur ganz ruhig eben eine ganze Minute oder sogar zwei draufhalten und die Kamera einfach nur laufen lassen. Videos mit ständig wechselnder Farbtemperatur, Vergrößerung, schärfe und Belichtung sind nicht auswertbar, weil es einfach an genügend vergleichbaren Bilder fehlt.
 

Videoformate Es gibt folgende Videoformate, die im Hardwareteil von videoastronomy.org noch wesentlich genauer beprochen werden: 
 
VHS, VHS-C Altes analoges Format, klobige Kasetten, Farb- und Helligkeitsinformation werden gemeinsam aufgezeichnet, dadurch Einführung von Farbfehlern, schwerer Informationsverlust durch Aufzeichnungsverfahren, insbesondere bei Farbe. Völlig veraltet, bietet wohl lange Bandlaufzeiten und ist extrem preiswert.
Video 8 Vom Signal her wie VHS, benutzt nur kleine Kasetten mit 8mm-Band. Veraltet.
S-VHS, S-VHS-C  Analoges Format, klobige Kasetten, Farb- und Helligkeitsinformation werden getrennt aufgezeichnet, dadurch Einführung von allerdings erträglichen Farb- und Schärfefehlern, akzeptabler Informationsverlust durch Aufzeichnungsverfahren, Bietet genau wie VHS lange Bandlaufzeiten, ist aber nicht preiswert.
Hi 8 Vom Signal her wie S-VHS, benutzt nur kleine Kasetten mit 8mm-Band. Eigentlich veraltet, was aber die Camcorder extrem billig macht (preiswert ???)
MiniDV, DV Digitales Consumer-Format, das aber auch von Profis akzeptiert wird: Die Bilder werden in einem nur schwach komprimierten JPEG-ähnlichen Format aufgezeichnet, so daß Farbverfälschungen und Informationsverluste sehr gering sind. Erfordert relativ kostspielige, allerdings sehr kleine Bandkasetten, die mit 1 Stunde Video auch vergleichsweise wenig Kapazität haben. 
Digital 8 Vom Datenformat her exakt identisch mit dem DV-Format, benutzt aber die alten Hi8-Kassetten. Wegen der sehr preiswerten Laufwerke für Hi8 sind die Kameras für D8 sehr preiswert bei erstklassiger Bildqualität. Zudem lassen sich viele D8-kameras freischalten, so daß sie auch als Videorecorder und nicht nur als Kameras genutzt werden können. Hinweis:das gilt auch für die Analogeingänge !
MPEG Digitales Aufzeichnugsformat das zur Produktion von DVD und Video-CDs benutzt wird. Erste (stationäre) Digitalrecorder und experimentelle Camcorder nutzen dieses Format. Wegen der noch höheren Kompression ist die Bildqualität etwas geringer als bei DV, der Hauptnachteil ist jedoch, daß nicht jedes Bild einzeln zugänglich ist, etwas, was der Videoastronomie eigentlich widerspricht.
Profiformate Wie bei den digitalen Formaten, mit nur noch höherer Bildqualität. Der exorbitant hohe Preis rechtfertigt aber nicht mehr den Unterschied zu den normalen Digitalformaten.

Auswertung von Astrovideos

Die Aufnahme von Astrovideos ist das eine, aber dann kommt der zweite Schritt. Gut, wenn man zufrieden ist, sich seine Astrovideos auf dem Fernseher anzuschauen und zu genießen (im besten Fall sie vom Fernseher abzuzeichnen), dann kann man sich die Auswertung sparen, aber das eigentliche Ziel ist es, Einzelbilder von maximaler Qualität zu produzieren, aus denen dann ein astronomischer Erkenntnisgewinn gezogen werden kann. Dazu muß der kontinuierliche Bilderstrom, aus dem ein Video besteht, in eine Serie von Einzelbildern zerlegt werden, die dann einzeln als Standbilder behandelt werden. Aus einer Menge von einzelnen Standbildern wird dann ein hochwertiges Endresultat errechnet.
Bildformate Unter Bildformaten versteht man zunächst die Art und Weise, wie Bilder in digitalisierter Form im Rechner abgespeichert werden. da gibt es einen faktisch heillosen Wildwuchs an verschiedenen Formaten, üblich sind aber wenige für astronomische Zwecke geeignet noch weniger:
 
 
GIF 256 Farben oder Graustufen,
komprimiert,
Farbe verlustbehaftet,
Schwarzweiß verlustfrei
Wichtiges Grafikformat für das Internet, aber für astronomische Zwecke nur zum Abspeichern des Endresultats geeignet. Die Beschränkung auf 256 Farben oder Graustufen mach GIF als Rohdatenformat ungeeignet.
JPEG 8 Bit pro Farbe,
mehr oder weniger komprimiert,
entsprechend verlustbehaftet
Wichtigstes Grafikformat für das Internet überhaupt. Wegen der Kompressionsartefakte aber als Rohbildformat weniger geeignet, dagegen ideal, um Endresultate zu veröffentlichen.
BMP 8 Bit pro Frabe,
nicht komprimiert,
verlustfrei
Simples Grafikformat, das sich dann ideal als Rohbildformat eignet, wenn 8 Bit pro Farbe ausreichen, wie bei der Videoastronomie. Wegen der fehlenden Kompression braucht BMP viel Speicherplatz. Deshalb ist BMP für Archivierungs- und Internetzwecke ungeeignet.
TIFF 8 Bit pro Farbe, selten 16,
komprimiert oder unkomprimiert,
verlustfrei
Recht kompliziertes Grafikformat, im Publishingbereich sehr verbreitet, verursacht ab und zu Inkompatibilitäten, deshalb und wegen des hohen Speicherplatzbedarfs für Astrozwecke wenig geeignet.
PCX 8 Bit pro Farbe,
unkomprimiert
Format für ein Grafikprogramm von Z-Soft, an sich bedeutungslos. Das Auswerteprogramm JUPOS zur Jupiterbeobachtung kann nur PCX lesen, daher eine ganz spezielle Bedeutung. Ansonsten wie BMP.
FITS extrem flexibles Bildformat,
enthält auch Dokumentation,
verlustfrei, keine Dynamikgrenze
Flexibelstes Format überhaupt, setzt der Dynamik und der Organisation des Bildes keine Grenzen, speziell entworfen für Astronomiezwecke. Sollte allgemein bevorzugt werden. Allerdings ist FITS sehr speicherintensiv, da i.d.R. nicht komprimiert.
Hinweis: Ideal für Archivierung des Endresultats
AVI Formatrahmen für Videos,
enthält Bildserien mit
unterschiedlicher Kompression,
mehr oder weniger
verlustbehaftet
AVI meint eigentlich nur einen Rahmen für Serien aus komprimierten Bilderserien, die zusammen ein Video ergeben (zusammen mit dem Ton, für uns irrelevant) zur kompression werden sehr viele verschiedene Formate eingesetzt, für die das Betriebssystem des Computers einen Codec (Decodierer) zur Verfügung stellen muß. AVI ist bedeutend, da viele Multimediageräte wie Webcams, Framegrabber, FireWire-Karten und Digitizer Videos zunächst als AVI ablegen.
Hinweis: Eignet sich sehr als Rohbildformat bei sehr großen Bildanzahlen
Sonderformate Diverse verlustfreie Formate
von verschiedenen
CCD-Kameraherstellern
Die diversen Sonderformate werden von den diversen CCD-Kameraherstellern frei nach Lust und Laune definiert. Alle sind im Rahmen der jeweiligen CCD-Kamera verlustfrei und enthalten mehr oder weniger Dokumentation, sie sind aber nicht flexibel wie z.B. FITS. Sie sollten nicht benutzt werden. FITS ist besser, zudem unterstützt GIOTTO keines dieser Spezialformate. 

Neben dem bei der Abspeicherung von Einzelbildern benutzen Bildformat ist auch das Aufnahmeverfahren wichtig. Es gibt tatsächlich sichtbare Unterschiede, auch im Endergebnis zwischen analogen und digitalen Astrovideos.
 
Jupiter vom 3. 12. 2000,
Analoge Aufnahme in 768 x 576 Pixeln
Die nicht ganz ausreichende Dynamik
des Digitizers zeigt sich in Form von
Stufen am Rand (Zwiebeleffekt).
Dafür ist der Planet unverzerrt.
Jupiter vom 3. 12. 2000,
Digitale Aufnahme direkt im DV-Format
Die Dynamik des Kamera AD-Wandlers 
ist ausreichend, aber mit 720 x 576 Pixeln
ist das Bild mit 16:15 verzerrt.
Es muß noch nachträglich entzerrt werden.

Digitalisierung Videoströme, die direkt von der Kamera kommen, benutzen zwei vollkommen verschiedene Übertragungsweisen:
 
Analoge Videosignale liegen als Spannungsschwingung vor, die sich zwischen +0,3 Volt (schwarz) und 1,0 Volt (weiß) bewegen. In diese Spannungskurve sind noch die Synchronsignale gemischt, die negative Spannungen aufweisen. Beim einfachen FBAS-Signal sind dabei Farb- und Helligkeitssignal mit einander vermischt und werden auf demselben Draht übertragen, beim S-Video-Signal werden Farb- und Helligkeitsinformation getrennt übertragen, was die Bildschärfe deutlich verbessert. Die Bildschärfe wird dabei von den höchsten Frequenzen bestimmt, die noch mitübertragen werden.

Analoge Videosignale werden erst im Computer abgetastet und damit in ein digitales Bild verwandelt, daß dann abgespeichert wird. Dazu wird die Pixelposition aus den Synchronsignalen ermittelt und in sehr kurzen Abständen die Momentane Spannung des Signals gemessen, wobei dann der Spannung ein Helligkeitswert zugeordnet wird.
 

Digitale Videoströme bestehen schon aus digitalisierten Bildern. Hier erfolgt die Digitalisierung gleich bei der Aufnahme in der Kamera. Weil ein ungepacktes Farbbild im PAL-Standard (Bei NTSC ists ähnlich) 1,4 MB umfasst, ist der Datenstrom gepackt. Üblich ist hier eine JPEG-ähnliche Kompression von 5,5, so daß sich ein Datenstrom von 3,6 MByte/sec ergibt, den auch Standard-Computer ohne weiteres bewältigen können.

Bei der Aufnahme von digitalem Video mit dem Computer handelt es sich im Grunde nur noch um das Überspielen von Daten. Hinweis: Die Qualität der Digitizer der DV-Kameras ist vergleichsweise hoch.

Wichtig ist, daß man versucht, den von den jeweiligen Standards gesetzten Dynamikumfang voll auszunutzen. Das Objekt sollte also so hell wie möglich sein, aber auch nicht die Kamera überbelichten. Wenn bei Planetenaufnahmen der Planet dann zu klein erschein, muß man experimentell einen Kompromiß finden.
 
Jupiter mit 2/3 Helligkeit aus einem 
Digital-Video gegrabbt.
Es zeigen sich nur ganz schwach 
Farbstufen am Rand, Farbe und 
Rauscharmut sind dagegen optimal.
Jupiter mit nur 1/6 der verfügbaren
Helligkeit aus einem DV-Video gegrabbt.
Es zeigen sich sehr deutlich Farbstufen 
durch die mangelhafte Dynamik, aber das 
Rauschen ist erträglich.
Jupiter mit 2/3 Helligkeit aus einem 
analogen Hi8 Video gegrabbt.
Es zeigen sich keine Farbstufen am 
Rand, allerdings ist das Bild rotstichig 
und etwas verrauscht.
Jupiter mit 1/6 Helligkeit aus einem 
analogen Hi8 Video gegrabbt.
Es zeigen sich keine Farbstufen am 
Rand, allerdings ist das Bild praktisch nur
rot und stark verrauscht.

Überlagern
vieler Bilder
Wenn man sich ein eizelnes gegrabbtes Videobild anschaut, so ist die Bildqualität dürftig. Einzelne Bilder sind flau, kontrastram und stark verrauscht, dazu kommt, daß ein Videobild aus zwei ineinander verzahnten Halbbildern besteht. Wenn sich das Objekt während der Aufnahme bewegt hat, so entsteht hier eine Art "Lattenzaun"-Effekt dadurch daß die beiden Halbbilder gegeneinander verschoben sind. Als weiterer Störfaktor kommt bei analogen Videoaufnahmen dazu, daß durch einen Fehlabgleich der Schwarzschulter ein Untergrund hinzukommt.

Ein einzelnes Videobild ist praktisch nicht sinnvoll weiter verarbeitbar, da alle Bildverarbeitungsalgorithmen empfindlich vor allem auf das Rauschen reagieren. Die Lösung ist das Überlagern von vielen Einzelbildern, wobei man jedes Halbbild für sich betrachtet und alle Bilder auf eine Koordinate rezentriert, so daß keine Bewegungsunschärfe entstehen kann. 

Hinweis: Angenehmer Nebeneffekt der Rezentrierung ist, daß die Polausrichtung und die Nachführgenauigkeit nicht hoch sein müssen und daß auch eher unterdimensionierte Fernrohrmechanik benutzt werden kann. 
 
Einzelnes Rohbild des Saturn. Das Bild 
ist völlig unverwackelt, die Kamera
sorgfältig scharfgestellt. Das Bild ist stark verrauscht und hat deutlich Untergrund.
Dennoch ist es eins der besten Einzel-
bilder, die mit Video möglich sind.
Einzelnes Rohbild des Saturn mit leichter
Verwackelung durch Wind. Deutlich ist
die Verschiebung der beiden Halbbilder
erkennbar.
Dennoch ist jedes der beiden Halbbilder
für sich noch auswertbar.
Rohbild des Saturn bei sehr starker Verwackelung 
durch eine Windböe. Hier ist auch jedes der beiden Halbbilder bewegungsunscharf, so daß solche Bilder aussortiert werden müssen

Überlagert man viele Bilder, so reduziert sich das Rauschen mit der Wurzel aus der Anzahl der aufaddierten Bilder. Ein Beispiel: Mittelt man 100 Bilder, so wird der Signal-Rauschabstand um den Faktor 10 (gleich Wurzel aus 100) besser. Bei gut durchbelichteten Videoaufnahmen, also solchen, die den Dynamikbereich der Kamera zum guten Teil auch ausnutzen, reichen 256 Videobilder zum Mitteln aus, um ein sehr rauscharmes Bild zur Weiterverarbeitung zu bekommen.

Wichtig ist hier, die nicht brauchbaren Bilder auszusortieren, sei es durch Ansehen von Hand, sei es durch automatische Bewertungsalgorithmen, wie sie GIOTTO anbietet. Unbrauchbar sind folgende Bilder:
 
Unscharfe Bilder, sei es durch Bewegung oder Luftunruhe
Bilder mit besonders hohem Rauschanteil
Bilder, die zwar scharf erscheinen, aber durch Luftunruhe verzerrt sind
Vignettierte (angeschnittene) Bilder und Bilder wo das Objekt am Rand abgeschnitten wird
Bilder mit Datums- und Zeiteinblendung, besonders, wenn das Objekt davon abgedeckt wird

GIOTTO läßt zur Bewertung zwei Parameter zu: Die Schärfe eines Bildes, die zusammen mit dem Rauschanteil geprüft wird und die Verzerrung des Bildes, die auch eine Vignettierung prüft. Man kann den Einfluß auf das Endresultat prozentual gewichten, z.B. 80% Schärfe 20% Verzerrung/Vignettierung.
 
Als Resultat einer Rezentrierung und Überlagerung von allen brauchbaren Bildern entsteht ein Summenbild, das den gkleichen Kontrastumfang, den gleichen Untergrund und die gleiche Einfärbung wie jedes der Rohbilder enthält, wo aber das Rauschen entsprechend der Anzahl der Rohbilder entfernt wurde. Durch die Verzerrung jedes einzelnen Rohbildes durch die Luftunruhe ist das Summenbild etwas unschärfer als jedes einzelne Rohbild.

Diese gemittelte Bild eignet sich wegen seiner Rauscharmut zur Weiterverarbeitung auch mit sehr rauschempfindlichen Algorithmen.

Maskieren 
und Filtern
Das gemittelte Bild aus einem Videostrom ist sehr rauscharm, aber auch unscharf. Ursache für diese Unschärfe ist die Verzerrung jedes einzelnen Rohbildes durch die Luftunruhe, wobei die verzerrtesten Bilder aussortiert werden sollten. Wegen der großen Anzahl von überlagerten Bildern ist diese Unschärfe aber nach allen Seiten hin gleichmäßig, so daß eine Rekonstruktion leicht möglich ist, wenn man eine kreisförmige Verschmierung des Originals annimmt.

Wichtig: Die Annahme, daß im Mittel die Luftunruhe nach allen Seiten hin gleichmäßig wirkt, gilt nur für normales Seeing. Wenn man schon bei der Aufnahme bemerkt, daß die Luftunruhe eine Vorzugsrichtung hat, so versagt diese Methode. Man sollte bei solchen Bedingungen keine Aufnahmen machen, weil so ein gerichtetes Seeing in der Regel auch sehr stark ist. 

Das Scharfrechnen von Bildern erfolgt mit einem Verfahren, das auf der inversen Faltung beruht. Dabei wird eine Form angenommen, mit der die Luftunruhe und die optischen Fehler des Teleskops eine zuvor punktförmige Lichtmenge auf die Nachbarpunkte (Pixel) verteilt. Nun wird jedem dieser Nachbarpixel eine bestimmte Menge Helligkeit entnommen und wieder im Ursprung vereinigt. Weil diese Verteilungsfunktion (im Fachjargon: PointSpreadFuction PSF) in Wirklichkeit unbekannt ist, muß sie per Annahme modelliert werden. dazu bieten die diversen Bildverarbeitungsprogramme umfangreiche Funktionen an, auch GIOTTO:

Mit den Einstellungen Gauss/Dreieck/Rechteck u.s.w. kann man nun eine Form dieser PSF annehmen, die dann kreisförmig zu Glocken, Zylindern oder Kegeln geformt werden. Mit dem Hochpaß alleine verschäft man ein Bild, aber auch noch das Restrauschen. Nimmt man jedoch den Bandpass, so werden die allerkleinsten Details, ohnehin nur Rauschen, wiederum weggefiltert. Mit dem Verstärkungsgrad kann die Wirkung des Filters gesteigert werden, allerdings dann drohen bei sehr ausgeprägten Kontrasten häßliche Überschwinger.

Die Charakteristik bestimmt dabei die Reaktion des Filters auf einen Helligkeitswechsel, die kritische Dämpfung ist die schwächste, das quadrat die stärkste Reaktion. Der Butterworthfilter ist gerade noch überschwingungsfrei, aber nur bei 100% Wirkung. 
 
Das Bild zeigt das Resultat einer inversen Filterung mit einem Bandpass, die Schärfe hat bis an das Auflösungslimit des Fernrohrs zugenommen, ohne daß das Rauschen übermäßig mit verstärkt wurde.

Kontrast, Farbverteilung und Untergrund sind aber nach wie vor identisch mit dem Mittel der Rohbilder.

Man kann es mit der Filterung weit treiben - manchmal zu weit. Wichtig ist, daß man die genau passenden Parameter der filter für das eigene Gerät ausprobiert und dann beibehält. Anhand des Planeten Jupiters einige Beispiele:
 
Rohbild des Jupiters Jupiter mit Bandpass gefiltert
100% Wirkung 25 Pixel Radius
Die Maske ist zu groß, der Rand zeigt 
Überschwinger, aber die Schärfe ist 
nach wie vor nicht optimal.
Jupiter mit Bandpass gefiltert
200% Wirkung, 15 Pixel Radius
Die Maske ist genau richtig, der Rand 
zeigt keine Überschwinger, aber die 
Schärfe ist nach wie vor nicht optimal.
Jupiter mit Bandpass gefiltert
300% Wirkung 15 Pixel Radius
Die Maske ist optimal, der Rand zeigt 
noch keine Überschwinge, die Schärfe 
ist jetzt befriedigend.

Kontrastieren Nach dem Scharfrechnen muß ein Bild in der Regel noch im Kontrast angepasst werden. Nach untenhin glit es den Untergrund abzuziehen, da der keinerlei Bildinformation trägt, nach oben kann man den hellsten Punkt des Bildes bis zur dynamikgrenze des Bildformates steigern, um den optimalen Kontrastumfang zu erreichen.
 
Der fertig kontrastierte Saturn. Der untergrund ist zu 0, also auf reines Schwarz gesetzt, der hellste Pixel im Bild reicht an die obere Dynamikgrenze des Bildformates heran. Ansonsten wurden die Kontraste linear verstärkt. Die Farben wirken viel satter, was aber nur an der Kontrastverstärkung liegt. Der Tonwert jedes Pixels bleibt vollständig erhalten.

Neben dem reinen Ausdehnen des Kontrastumfangs kann auch die Übertragungskurve verzerrt werden, indem man den Zusammenhang zwischen Helligkeitsskala beim Ausgangsbild und der Skala beim fertigen Bild nichtlinear wählt. Darüber ist es auch möglich Pixel nicht zu berücksichtigen, die entweder nur weiß (Hot Pixel) oder nur schwarz (Dead Pixel) sind. Weiter kann man auch dafür sorgen, daß gewisse Anteile am Bild als nur hell oder nur dunkel dargestellt werden, wenn z.B. überbelichtete oder unterbelichtete Bildanteile vorhanden sind. Die Kontrastierungsfunktion stellt dabei in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen den helligkeitswerten des Ausgangsbildes und dem Zielbild dar.

Hinweis: Sehr hilfreich ist es, sich das Histogramm eines Bildes anzusehen, man sieht sofort, welche Helligkeitswerte wie häufig vorkommen. damit kann die Lage des Untergrundes und eventuelle Über- oder Unterbelichtungen schnell festgestellt werden. 
 
Jupiter mit einem Gamma von 0,8 
kontrastiert. Dunkle Parteien werden heller.
Insgesamt wirkt das Bild zu hell.
Jupiter mit einem Gamma von 1,0
kontrastiert. Alle Parteien bleiben gleich.
Insgesamt wirkt das Bild immer noch zu hell.
Jupiter mit einem Gamma von 1,2 
kontrastiert. Helle Parteien werden dunkler.
Insgesamt wirkt das Bild ausgeglichen.
Jupiter mit einem Gamma von 1,5 
kontrastiert. Helle Parteien werden viel dunkler.
Insgesamt wirkt das Bild zu dunkel, dazu zeigt
sich die Randverdunklung zu stark.

Entzerren Aus Systemgründen liegt ein digitales Video (DV oder D8) nicht im Format 4 zu 3 vor sondern ist im Verhältnis 15 zu 16 verzerrt. Alle Planeten scheinen also aufrecht stehende Ellipsen zu sein, ein sehr unnatürlicher Anblick. Digitale Aufnahmen müssen also noch im Verhältnis 15 zu 16 entzerrt werden.
Aufbereiten Für die Veröffentlichung eines fertig bearbeiteten Bildes ist es nötig, die Datenmenge stark zu reduzieren. Zum Abspeichern des Bildes im Archiv bietet sich das absolutverlustfreie FITS-Format an, das aber für das Internet viel zu groß ist. 

Es empfielt sich, den informationslosen Hintergrund rund um ein Objekt stark zu beschneiden und dann das Bild in ein mäßig komprimiertes JPEG zu verwandeln. Da die fertigen Bilder nicht mehr weiter verarbeitet werden müssen, gehen die Kompressionsartefakte unter.
 

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Ganz unabhängig von mir hat Dirk van Uden damit begonnen, GIOTTO zu erforschen und gleich einen Benutzerkurs dazu ins Web zu stellen. Das besondere daran ist, daß er alles ganz unbeeinflußt von mir tut, was sehr gut ist ist: Als Programmierer einer Software auch die Betriebsanleitung zu schreiben, ist gefährlich: Man wird zu leicht betriebsblind und setzt viel zu viel vorraus. Deshalb hier: Ganz super von dir, Dirk !

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Andere Websites zum Thema Video in der Astronomie

Ich bin nicht der erste, der sich mit der Verwendung von gewöhnlicher Videotechnik in der Astronomie beschäftigt. Eine weitere, schon viel weiter entwickelte Technik wird zur Beobachtung von Meteoren eingesetzt.

Es gibt gleich drei weitere Einzelentwickler, die sich mit Videoastronomie beschäftigen:

Jürgen Liesmann, mit seinem unter JAVA laufenden Bildverarbeitungsprojekt Astro-BV,
Stefan Ziegenbalg , der eine LINUX-basierte Softwaresammlung (zur Not auch unter DOS) entwickelt und
Jens Dierks, der mit einfachem Framegrabbing experiemtiert.

Weiterhin gibt es auch Arbeiten von Sirko Molau, die ganz normale Jupiteraufnahmen zu einer Rotationssequenz weiterverarbeiten.

Die Video-X Page gibt über die aktuellsten Entwicklungen auf dem Videomarkt unabhängig Auskunft.
Die Zeitschrift "Video Aktiv Digital", herausgegeben von der Motorpresse, berichtet permanent über neues vom digitalen Videosektor.
Ebenso die Zeitschrift "Camcorder & Co", die von einer unabhängigen redaktion herausgegeben wird,
und die Zeitschrift "Videofilmen" 



 
Neueste Version vom 23. Juli 2001.  Diese Seite wurde  mal seit dem 26. 9. 2000 aufgerufen

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