Theoretische Fragen zum Thema Binning von Color-Frames

[Daniel]

Hallo,

ich habe ein paar theoretische Fragen zum Thema Kombinieren von mit Farbfilter aufgenommenen Frames einer Schwarzweiß-CCD-Kamera zusammen mit Luminanzaufnahmen.
Ausgangspunkt waren Tipps diverser Astronomen im Internet zum Thema Binning von Farbframes, welche für mich oft mehr Fragen aufgeworfen als beantwortet haben.
Einleitend möchte ich dazu auch sagen dass ich zum Stacken und Kombinieren zumeist MaximDL verwende, welches mir persönlich recht komfortabel erscheint, dessen Funktionsweise im Hintergrund mir aber oft nicht ganz klar ist.

Ich beschreibe einfach mal meine Gedanken dazu die ich mir bisher gemacht habe, und bitte um Korrektur wo ich falsch liege!

Fangen wir einmal mit eben diesen Tipps mancher Astronomen an, die Farbframes mit 2x2 zu binnen. Das zugrundeliegende Argument ist hier, dass man als Amateurastronom prinzipiell mal schöne Bilder produzieren will und man die Nachteile der geringeren Auflösung nicht sieht weil das Auge für die Ortsinformation der Farbe viel weniger empfindlich ist als für die Ortsinformation der Helligkeit (Luminanz).
Nunja, das stimmt ja, und man kennt es aus der Computertechnik: Das JPEG-Format speichert meistens die Farbe in halber Auflösung ab, was insgesamt (da es zwei Chrominanzkanäle gibt) für sich schon 50% Daten einspart und man sieht es nicht.
ABER:
Die Farbinformation eines JPEG-Bildes enthält (im Farbraum YCbCr) tatsächlich nur Farbinformation und keinerlei Helligkeitsinformation. Dazu gibts bei Wikipedia ein sehr anschauliches Bild:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/c ... ration.jpg

Das ist aber jetzt nicht gerade das wie unsere Farbframes aus der Astronomie aussehen, weil die eben auch Helligkeitsinformationen beinhalten.
Abhängig davon ergeben sich daraus je nachdem wie die Software welche die Kombinierung vornimmt zwei Möglichkeiten:
a) Die Software beachtet nur die Farbinformationen und verwirft die in den Farbframes beinhalteten Helligkeitsinformationen. Was halt ein bisschen schade ist und die Frage aufwirft ob man überhaupt besonders lange Farbframes belichten muss, weil sich die Information ob ein Objekt rot oder blau ist (bzw. eine für den Eindruck ausreichende Farbinformation) ja relativ schnell einstellen wird.
b) Die Software beachtet auch die Helligkeitsinformationen und arbeitet sie in den Luminanzkanal mit ein. Das würde aber bedeuten dass durch die zusätzliche Helligkeitsinformation mit geringerer Auflösung Kontrast hinzu kommt aber Schärfe abnimmt (richtig?)

Gut, das Binning beinhaltet ja noch andere Fallstricke (z.B. funktionieren bei einigen CCD-Chips die Anti-Blooming-Gates im Binning Mode nicht richtig, mir selber ist das beim 8300er aufgefallen). Jetzt könnte man sagen ok nimmt man die Farbframes halt mit 1x1 auf.

Wenn allerdings die Software dann die Helligkeitsinformationen verwirft ists angesichts des erhöhten Zeitaufwandes (theoretisch ja vierfach gegenüber gebinnten Frames!) es ja mehrfach schade um diese Information.

MaximDL Anleitung schreibt z.B.
"For CIELAB and HSL, an image synthesized from just the color data is converted to the specified color model, then the L data is replaced with the Luminance image and the result reconverted to tricolor"
OK, also offenbar wird hier Luminanz aus den Farbaufnahmen verworfen ...
"When RGB is selected, the output color image is produced by scaling the luminance image at each pixel by the ratios between the color data"
(Bahnhof)
Weiter unten lese ich immerhin:
"When Lum Wt % (Luminance Weight) is set to 100%, the luminance value derived from the color planes is completely replaced by the luminance frame; smaller values blend the luminance frame with information from the three color frames"
(Wie dieses "blenden" mathematisch aussieht ist mir aber noch nicht ganz klar)

Wie arbeiten verschiedene Programme denn damit?
Wie sieht es mit praktischen Erfahrungen aus?

[markusblauensteiner]

Hallo Daniel!

Ich kann dir aus meiner praktischer Erfahrung berichten:
Erst RGB im 2x2 bin aufgenommen und irgendwann auf 1x bin umgestellt. Was ich bis dato nicht feststellen konnte, ist eine erhöhte Empfindlichkeit der Kamera im 2x2 bin! Das passt sehr gut zu einem schönen Artikel, den ich mal hatte und nicht mehr finde. In dem steht sinngemäß, dass die Kameras im 2x2 bin empfindlicher sind, aber sich der Zugewinn immer mehr abschwächt und sich dem 1x1 bin annähert. Ab etwa 60 Sekunden (!) ist dann 1x1 bin und 2x2 bin nahezu gleich empfindlich. Damit hat den vermeintlichen Vorteil verloren und der Nachteil der niedrigeren Auflösung bleibt erhalten.

M 101 hier ist mit 2x2 gebinnten Farben aufgenommen.
Ngc 2403 hier mit 1x1 gebinnten Farben ähnlich lange belichtet, bei langsamerem Öffnungsverhältnis. Nur zum Vergleich - das 2x2 gebinnte Bild ist nicht um Längen bunter.

Hier gibts ganz unten ein Mouseover, in dem man sieht, was in Photoshop passiert, wenn die Luminanz eingefügt wird. Es geht definitiv keine Auflösung verloren, im Gegenteil, aber es nimmt die Farbsättigung ab, weshalb man idR die Luminanz nicht einfach auf das RGB legen kann, sondern zuvor auf die Farben einwirken muss.
Mischa Schirmer empfiehlt, jede Farbe so lange wie die Luminanz zu belichten - die Zeit hat aber keiner und jeder möchte eine möglichst tiefe Luminanz. Farbe ist aber jener Teil des Bildes, den man in Photoshop oder wo auch immer verstärken kann - Luminanz nicht. Somit reicht die gängige Praxis Belichtungszeit (R+G+B) = Belichtungszeit L eigentlich aus.

Ich denke, dass Binning nur bei sehr großen Brennweiten Sinn macht, um auch nicht so gute Nächte nutzen zu können. Am Gahberger 14" Hypergraph bei 3100mm Brennweite macht mittelprächtiges Seeing richtig fette Sterne - dem kann man mit 2x2 bin begegnen. das aber dann nur zum Zweck der "Seeingabschwächung", nicht weil die Kamera empfindlicher ist.

Schau mal bei Günter Kerschhuber nach, der arbeitet mit "hardwareseitigem Binning", er hat für die RGB viel weniger Brennweite. Trotzdem kommen knackscharfe Bilder raus - die Auflösung der Farbe ist bei flächigen Objekten Nebensache. Bei sehr detaillierten Objekten aber wird man den Unterschied sehen.

Meine Empfehlung lautet also, auch die Farbe im 1x1 bin aufzunehmen - man verliert dadurch sicher nichts. Man kann dann aber z.B die Farbeframes zu der Luminanz dazu mitteln und erhält so eine nochmals tiefere oder zumindest glattere Luminanz.

LG, Markus

[BernhardH]

Hallo,

ich binne die Farbe auch nicht da ich wie Markus gerne die Farbbilder zur Luminanz dazumische um eine bessere Luminanz zu bekommen.

Einzig kann es bei kurz gewählten Subframes dazu kommen dass die Farbbilder nicht mehr hintergrundlimitiert sind. (hängt stark vom Aufnahmeort und dessen dunkelheit hab).

An einem recht dunklen standort (sqm-l 21.5+) habe ich mit 5min subs echt probleme deutlich über das kamerarauschen vor allem im Blau Kanal zu kommen. Ich nehm daher auch bei F/4.6 oder F/4.9 dann einfach 10min. Das zieht natürlich hinterher dass man am Ende im Schnitt nicht recht viele Einzelbilder von jedem Kanal hat (nur 4-6 Pro farbe).

Trotzdem würde ich nur binnen wenn die pixelscale deutlich unter 1"/px ist.

cs Bernhard

[the_lizardking]

Ich denke wenn man Luminanz-Aufnahmen verwendet macht es durchaus Sinn die Farben zu binnen. Damit erhält man eben aufgrund des Binnings intensiver Farben bei vergleichbar kürzerer Belichtung eben aufgrund der Funktion Binning ansich. Damit muss man die Luminanz beim Stacken nicht mehr so stark gewichten und kann die Details daraus besser auslesen bzw im Endbild verwurschteln. Das Dizzle Verfahren basiert auf einem ähnlichen Trick,...

Generell sollte das Binning bzw. die Pixelgröße aber dem Seeing angepasst sein, in der Theorie gibt es da schöne Rechenszenarien dazu - Pixelgröße zu Brennweite = Seeing.
Auflösung in Px = (206*Pixelgröße in my)/Brennweite
Damit kann man sich auch die Optimale Pixelgröße der benötigten Kamera ausrechnen. Da aber Praxis und Theorie ein wenig abweichen gilt es die für sich stimmigste Methode zu entwickeln denke ich. Ich denke aber, dass zB bei 2000mm Brennweite eine Kamera unter 8my Pixelgröße keine Sinn machen würde - ausser man binned permanent und insofern ist die Empfehlung mit dem binnen bei großen Auflösungen auch sicher richtig, da die meisten verwendeten Kameras sicher kleinere Pixel haben.

[markusblauensteiner]

Hallo Mike,

bitte könntest du deinen ersten Absatz erläutern, insbesondere

Damit muss man die Luminanz beim Stacken nicht mehr so stark gewichten und kann die Details daraus besser auslesen bzw im Endbild verwurschteln. Das Dizzle Verfahren basiert auf einem ähnlichen Trick,...

?

Die Details aus dem Luminanz-Bild werden idR zu 100% in das Endbild übernommen, es sei denn man blendet die Luminanz mit weniger als 100% Deckkraft ein. Tut man das, sollte man die RGBs erst recht 1x1 binnen. Siehe Mouseover auf der HP im ersten Beitrag -> L mit 100% Deckkraft eingeblendet.

Mischa Schirmer erklärts hier recht schön, zusammengefasst könnte man sagen, dass sich 2x2 binning nur lohnt, wenn man im 1x1 binning keine Hintergrundlimitierung erreicht. Diesen chilenischen Himmel hätt ich gerne..

LG, Markus

[the_lizardking]

Naja ich meine ja eben es macht durchaus Sinn,... ich selbst kann es hier in Wien natürlich auch nicht so verwenden - wie eben auch erläutert in diesem Absatz, der sich finde ich auch ein wenig widerspricht. Natürlich habe ich mit einem Gebinnten Pixel einfach den Vorteil mehr Licht sammeln zu können ohne über zu laufen, denn was überläuft sammelt eben der Nachbar und sofern mich der Hintergrund nicht überholt kann ich drauf halten wie ein Irrer. Wobei ich glaube es muss nicht unbedingt ein chilenischer himmel sein... immerhin limitierst du mit den Farbfiltern auch die Wellenlänge des Lichts.

Das Binning macht aber trotzdem Sinn wenn die Pixelgröße für die Brennweite definitiv zu klein ist, da du dir das Bild sonst schnell verwaschst,... und auch Fehler in der Mechanik usw. werden stärker sichtbar.

Ich denke aber, dass die Gewichtung dann nicht mehr im vollen Umfang notwendig ist, da durch Herunterskalieren die Informationen von der EBV verdichtet werden. Durch die geringere Gewichtung sollte das Bild Kontrastreicher eingebunden werden in das Endergebnis... vielleicht liege ich hier auch falsch, denke aber nicht - es fehlt mir aber hier die praktische Erfahrung.

[markusblauensteiner]

Hallo Mike,

ich geb dir völlig recht was das Sampling angeht. Kameras mit Pixel < 9my sind sauteuer. Mit 9my Pixel schauen Bilder mit 3100mm Brennweite bei 2.5" Seeing aber recht mies aus, da ist Binning dann super, man kann wenigstens was machen.

Aber ich muss schon wieder dagegen reden - herunterskaliert wird nix, im Gegenteil - die 2x2 gebinnte Farbe wird auf L hochskaliert. Dementsprechend schaut das dann auch recht bescheiden aus und wird erst durch die Luminanz wieder gerettet.

LG, Markus

[tommy_nawratil]

hallo Daniel,

guck mal zu Mischa Schirmer, dem Entwickler von Theli.
Er weiss wovon er spricht, und es kommt sehr verständlich rüber.
Kann seine Artikel als Lektüre nur empfehlen!

http://www.astro.uni-bonn.de/~mischa/ob ... olou-12900

lg Tommy

[the_lizardking]

Ich sags ja mir fehlt hier die Erfahrung,... ich dachte immer das wird herunter skaliert und hinein gedizzled mehr oder weniger,... ich habe das noch nie versucht da es bei mir eben keinen Sinn macht. In dem Fall würde ich aber probieren diesen Weg zu gehen. Sprich habe ich eine Kamera mit kleiner Pixel und große Brennweite bei guten Verhältnissen,... ich denke, dass es rein theoretisch etwas bringen sollte.

[Daniel]

Danke für die zahlreichen interessanten Antworten! Ein paar Kleinigkeiten sind noch unklar, im großen und ganzen ist mir aber viel klar geworden!

Hier gibts ganz unten ein Mouseover, in dem man sieht, was in Photoshop passiert, wenn die Luminanz eingefügt wird. Es geht definitiv keine Auflösung verloren, im Gegenteil, aber es nimmt die Farbsättigung ab, weshalb man idR die Luminanz nicht einfach auf das RGB legen kann, sondern zuvor auf die Farben einwirken muss.

Hallo Markus,

Das mit dem Auflösung verlorengehen meinte ich folgendermaßen: Ich habe sowohl in der L Aufnahme als auch in den R,G,B Frames Luminanzinformationen.
L1=Luminanz L
L2=Luminanz (R,G,B)
Bei 2x2 Binning für R,G,B habe ich ja die halbe Auflösung, wenn ich diese zur Luminanzinformation dazumische (anstatt R,G,B nur für die Farbinformation zu verwenden) muss ich sie vorher hochskalieren und bekomme beim Übereinanderlegen von L1 und L2 evt. einen Verlust an Schärfe (von den Farbinformationen ganz abgesehen, die ja fürs Auge örtlich eh nicht so gut wahrnehmbar sind!). Das gilt natürlich nur für den Fall R,G,B mit 2x2 Binning!
Verwendet man aber nur L1 (ich nehme an das meinst Du mit "100% Deckkraft) geht die Luminanzinformation aus den Farbbildern ja verloren. (Was evt. nicht ins Gewicht fällt wenn man mit wenig Belichtungszeit für R,G,B auskommt; also bei Zeit(L) = Zeit(R+G+B) wären das nur 30%)

Das mit der Hintergrundlimitierung klingt logisch.

Hi Tommy,

der Link von Dir und Markus hat mir die Augen geöffnet ich zitiere daraus:

Ein 2x2-gebinnter Pixel hat zwar die 4-fache Fläche, aber er registriert nicht mehr Fluss als 4 ungebinnte Pixel. Der einzige Unterschied besteht in der Tatsache, dass das Ausleserauschen in dem gebinnten Pixel halb so hoch ist wie das zusammengenommene Ausleserauschen der 4 ungebinnten Pixel

wenn man drüber nachdenkt ists eigentlich klar. Mir ist nebenbei auch aufgefallen dass die Anti-Bloom-Gates beim Binning nicht größer werden, dh. hat man einen hellen Stern im Bild kann das zum Problem werden. Ist mir vor längerer Zeit mal aufgefallen.

Vielen Dank soweit.

[markusblauensteiner]

Hallo Daniel,

auf deinen ersten Absatz bezogen:
genau, das ist richtig. 2x2 gebinnte RGBs zu L mischen geht nicht - es sei denn, man skaliert L auf RGB runter, was sinnfrei wäre, weil man es dann gleich auch im 2x2 bin aufnehmen könnte -> siehe Thema Sampling.
Genau deshalb nehmen die meisten so viel L wie MÖGLICH (Tiefe, Möglichkeit nachzuschärfen, rauscharm) und so viel RGB wie NÖTIG (wie viel brauche ich, um es in PS,..verstärken zu können, ohne dass es künstlich aussieht?). Aber selbst zur L gemischte RGB sind oft nicht der Quantensprung, da ich ja je 1 R, G und B brauche, um 1 L erzeugen zu können. Denn in 10min fällt durch den Luminanzfilter x rotes Licht, y grünes Licht und z blaues Licht. In 10min fällt aber auch nur x rotes Licht durch den Rotfilter und der Rest geht verloren. Somit brauche ich 3x10min um die gleiche Info zu erhalten wie mit 1x10min L.
Als pratisches Beispiel belichten wir 3h L und je 4x15min RGB (also auch 3h), somit gewinne ich durch Hinzumischen von RGB zu L nur 1h. Besser als nichts, aber mehr auch nicht.
Das ganze nur rechnerisch betrachtet ohne Einflüsse von Nichtlinearität der Kameras, Durchsicht, Filterkurven, Rauschen.

Also Fazit für unsere Breiten, unseren Himmel, mittlere Brennweite: alles 1x1 gebinnt, man verliert keine Tiefe in der Farbe (Mischa Schirmer) und kann eventuell durch Zumischen der RGB zu L etwas gewinnen.

LG, Markus