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Tool zum Berechnen des Signal zu Rausch Verhältnis

Hier könnt ihr euch eine Abschätzung der optimalen Parameter für eine Aufnahmesituation am Himmel berechnen.
An der Stelle möchte ich mich bei Norbert aus dem astrotreff Forum bedanken (Spitzname nobbi), er hat mir insbesondere bei der Theorie wirklich sehr weiter geholfen.

Auf der X-Achse der Diagramme finde ihr immer die Einzelbelichtungszeit für das Stacken, die Gesamtbelichtungszeit bleibt natürlich erhalten. Also z.B. bei einer Gesamtbelichtungszeit von 10min, bedeuten 60sec auf der X-Achse: 10x60sec.

Signal zu Rausch Verhältnis berechnen:
Durchmesser Teleskopöffnung in mm
Durchmesser Teleskopobstruktion (Fangspiegel) in mm
Effektive Brennweite in mm
Scheinbare Helligkeit des Objekts [mag]
Winkelausdehnung des Objekts [Bogenminuten] /
Gesamtbelichtungszeit [Minuten]
Sensortemperatur [°C]
Fotografischer Filter
Lichtverschmutzung
Kamera





 

 
Folgende Dinge werden nicht beachtet oder sollte man wissen:

  • Bei höheren ISO Zahlen sinkt der Dynamikumfang der Kamera erheblich. Also sollte man bei ähnlichem S/N Verhältnis eher zu niedrigeren ISO Zahlen tendieren. Die maximale Sättigung ist allerdings berücksichtigt und wird mit Full angezeigt.
  • „Verstärkerleuchten“ bei hohen ISO Zahlen ist hier auch unberücksichtigt.
  • CLS Filter ist nur eine Abschätzung, genauso wie der Himmelshintergrund. Ich muss hier abschätzen, wie viele Photonen im Schnitt durch den Hintergrund auf den Sensor fallen, bzw. wie viele Hintergrund Photonen der CLS abblockt. Man kann sich vorstellen, dass das nicht so einfach ist ^^
  • Dark- und Bias Frames werden nicht berücksichtigt
  • Hat ein Sensor sehr kleine Pixel, so ist das hier eher unvorteilhaft. Man muss allerdings bedenken, dass man bei sehr hohen Auflösungen die Bilder später meist runter skaliert. Dabei erhöht sich das S/N nochmals. Das wird hier nicht berücksichtigt.
  • Bei den Werten für den Himmelshintergrund bin ich leider noch relativ unsicher, falls ihr da Erfahrungswerte habt: Immer her damit 🙂
  • Viele der Parameter ändern sich natürlich über eine nächtliche Foto Session, das kann und soll hier auch gar nicht berücksichtigt werden.
  • Das Tool gibt sicher nicht 100%ig die Realität wieder, wie schon gesagt werden viele Dinge nicht berücksichtigt. Aber es kann euch Parameter wie ISO Zahl und Belichtungszeit für die nächste Foto Session schon deutlich eingrenzen. Auch ob eine Kühlung nötig ist oder nicht, denn in vielen Fällen bringt eine Kühlung weniger als man denkt.

Hier einige Erklärungen und Beispiele für Anfänger, hier gibt es auch einige Beispiele was diverse Hardware Upgrades eigentlich bringen:
Signal zu Rausch Verhältnis einige Beispiele und welche Upgrades treiben mein S/N in die Höhe

Die Theorie hinter dem Tool könnt ihr in folgender PDF nachlesen:
Rauschen

Falls eure Kamera nicht dabei sein sollte, dann schreibt mich einfach an. Wenn ihr mir folgende Bilder zuschickt, dann füge ich die Kamera mit ein:
4-6 Darkframes ( jeweils 2 bei einer Temperatur, also z.B. 2 Darks bei 10°C + 2 Darks bei 20°C )
2 Biasframes
2 Flats
Die Bilder müssen alle bei einer ISO Zahl eurer Wahl gemacht sein. Nehmt am besten eine „mittlere“ ISO Zahl die bei eurer Kamera gut funktioniert, z.B. 800 war bei meiner EOS 1200D immer eine gute Wahl. Schickt mir die Bilder dann an:
a.schmitz@gns-net.de

Rauschen in Abängigkeit von ISO Zahl und Belichtungszeit

In diesem Beitrag geht es um das Rauschen in Abängigkeit von ISO Zahl und Belichtungszeit. Es ist nur ein kleines Experiment  (welches aber dennoch einige Zeit und Mühe in Anspruch genommen hat) und ist sicherlich auch nicht 100%ig auf den Nachthimmel übertragbar. Allerdings bekommt man bereits eine Idee, wie sich das Rauschverhalten in Abhängigkeit der ISO-Zahl und Belichtungszeit für diese Kamera verhält. Die Ergebnisse haben mir geholfen herauszufinden, welche ISO Zahl ich bei welcher Belichtung einstellen kann und ob viele gestackte Bilder mit langen Einzelbelichtungen mithalten können.

Versuchsaufbau:
Der Versuchsaufbau war denkbar einfach: Ich habe die Kamera (Canon EOS 1200D) vor ein farbiges Objekt gestellt und das Zimmer stark verdunkelt. Ich wollte bei den „typischen Astro-Belichtungszeiten“ ein ähnlich dunkles Bild bekommen wie bei Astroaufnahmen. Als Objektiv habe ich eins von Sigma verwendet und die Blende auf ~5 gestellt.

Nachbearbeitung der Roh-Bilder:
Die Nachbearbeitung der Bilder erfolgte mit Pixinsight. Alle Bilder wurden mit Dunke- und Bias Frames kalibriert und dann (falls nötig) gestackt.
Letztlich habe ich die Histogramme der Bilder so gut wie möglich angeglichen und dann den NoiseEstimator von PI zur Abschätzung des Rauschens verwendet.

Verwendete ISO Zahlen und Belichtungszeiten:
Zwei von den Belichtungsreihen habe ich auf insgesamt 300sec Belichtung gebracht (10x30sec und 1x300sec) und dann nochmal aus Neugierde eine mit 900sec.
Die verwendeten ISO Zahlen waren bei allen Belichtungszeiten 100, 400, 800, 1600.

 

Diagramm aller Ergebnisse:
In dem folgenden Diagramm könnt ihr die aufgetragenen NoiseEstimates aus PixInsight sehen. Das Ergebnis fand ich sehr interessant. Auf der Y-Achse seht ihr das geschätzte Rauschen (niedriger ist besser) und auf der X-Achse die verwendete ISO Zahl.
Das länger belichtete Bild war hier durchgängig rauschärmer als das gestackte Bild. Die optimale ISO-Zahl sank hier mit steigender Belichtungszeit.

Rauschen in Abhängigkeit der Belichtungszeit und ISO Zahl bei der ESO 1200D
Rauschen in Abhängigkeit der Belichtungszeit und ISO Zahl bei der ESO 1200D

Hier nochmal die optimale ISO Zahl für dieses Beispiel in einem Diagramm aufgetragen:

Optimale ISO Zahl in Abhängigkeit der Belichtungszeit
Optimale ISO Zahl in Abhängigkeit der Belichtungszeit

 

Abschließend noch Ausschnitte aus den gemachten Bildern:

ISO 10x30sec 1x300sec
ISO 100 Testobjekt bei 10x30 sec und ISO100 Testobjekt bei 300 sec und ISO100
ISO 400 Testobjekt bei 10x30 sec und ISO400 Testobjekt bei 300 sec und ISO400
ISO 800 Testobjekt bei 10x30 sec und ISO800 Testobjekt bei 300 sec und ISO800
ISO 1600 Testobjekt bei 10x30 sec und ISO1600 Testobjekt bei 300 sec und ISO1600
ISO 1x900sec
ISO 100 Testobjekt bei 900 sec und ISO100
ISO 400 Testobjekt bei 900 sec und ISO400
ISO 800 Testobjekt bei 900 sec und ISO800
ISO 1600 Testobjekt bei 900 sec und ISO1600

 

 

Ein Experiment zur ISO Zahl, Belichtungszeit und zum Stacken

Ich habe so viele widersprüchliche Dinge zu optimalen Belichtungszeiten und ISO Zahlen gehört, dass ich es einfach mal selbst ausprobieren wollte. Meine Hauptfragen waren:

  • Ist die ISO Zahl egal oder verliere ich bei einer zu niedrigen / zu hohen ISO Zahl Informationen?
  • Sind 3x10sec = 1x30sec Belichtungszeit, wenn ich die Bilder mit einem Mittelungsverfahren wie z.B. im DSS stacke.

 

Zum Testen habe ich in einem absolut dunklen Zimmer, ein gewisses Dokument von einem Herrn Schrödinger ^^ in einer Distanz von ca. 5m mit verschiedenen Einstellungen fotografiert. Die verwendete Kamera war eine Canon 1200D mit einem Tamron 70-300mm Teleobjektiv und einem 1.4x Extender (MC4 DGX von Kenko) also 420mm Brennweite bei einer 8er Blende. Image Stabilization und Auto Fokus waren natürlich aus. Ich habe nur die ISO Zahl und die Belichtung verändert und die Bilder danach einmal mit GIMP addiert und einmal mit den GIMP Astrotools gestackt. Hier könnt ihr den Aufbau sehen (Fotos sind mit dem Handy gemacht, deswegen so schlecht):

 

Ganz unten könnt ihr die beiden Tabelle mit den Ergebnissen sehen. Die Tabelle ist mit Sigma Median 2Pass gemittelt. Keine Dark-, Flat- oder Bias-Frames, ich wollte nur wissen bei welcher Einstellung ich die maximale Bildinformation bekomme / den Text am besten lesen kann.  Um die Bilder vergleichbar zu machen, habe ich den maximalen Wert des Histogramms noch jeweils etwas zu kleineren Werten verschoben. Das Ergebnis ist natürlich nicht allgemein gültig, aber zumindest kriegt man eine Idee von der Thematik. Die Bilder wurden natürlich im RAW Format aufgenommen und auch verarbeitet, erst am Ende habe ich die Bilder aus Platzgründen in das JPG Format konvertiert und musste die Bilder runterskalieren. Das Ergebnis ist qualitativ aber nicht beeinträchtigt. Hier das Ergebnis in Tabellenform:

Sigma Median 2Pass

Sigma Median 2Pass
Bilder/ISO ISO100 ISO400 ISO6400
3x10sec
2x15sec
1x30sec

1. Frage: Verliere ich Bildinformation bei einer zu niedrigen/zu hohen ISO Zahl?

Ja das kann schon passieren. Das Ganze ist allerdings eine sehr komplexe Angelegenheit, welche ich hier in der Kürze und vor allem für Anfänger nicht im Detail erklären möchte. Die Wahl der „richtigen“ ISO Zahl hängt von extrem vielen Parametern ab, um einige zu nennen:

  • Die verwendete Kamera
  • Das Setting, vom Hintergrund bis zum eigentlichen Objekt
  • Von der Temperatur
  • Von der Belichtungszeit
  • usw.

Als grobe Richtlinie, habe ich insbesondere für Anfänger einige Vorschläge(ich kann allerdings nicht garantieren, dass diese Vorschläge mit jeder Kamera und bei jedem Setting funktionieren, aber probiert es einfach mal aus):

1. Bei relativ kurzen Belichtungszeiten (ca. 10sec-60sec) durchaus eine etwas höhere ISO Zahlen nehmen. Bei meiner Kamera bin ich da bei einer ISO Zahl von 1600 oder 3200 immer gut gefahren. Von den Bildern aber bitte sehr viele machen, um später beim Stacken das Signal zu Rausch Verhältnis zu verbessern. Außerdem sollten Dark-, Bias- und Flatframes auf keinen Fall fehlen, um aus der wenigen Information das Maximum herauszuholen.
2. Mit steigender Belichtungszeit dann ruhig runter mit der ISO Zahl. Zwischen 60sec und 5min sollten die ISO Zahlen dann je nach Himmelshintergrund und Lichtstärke des Objekts so grob zwischen 200-800 liegen.
3. Bei sehr hohen Belichtungszeiten (>5min) die ISO Zahl sehr niedrig wählen, ISO 100-200 sind hier angesagt.

 

Um vielleicht nochmal einen Eindruck zu bekommen, wie sich ein Bild mit einer Belichtungszeit von 30sec bei verschiedenen ISO Zahlen verhalten kann, hier nochmal ein Beispiel. In diesem Beispiel gefällt mir persönlich ISO1600-3200 am besten:

Bilder
ISO Bild
800
1600 30sec bei ISO1600
3200 30sec bei ISO3200
6400  30sec bei ISO6400
12800 30sec bei ISO12800

Hier nochmal die Histogramme und die gestreckten Histogramm zu den Bildern:

Histogramme
ISO Originales Histrogramm Gestrecktes Histogramm
800 RGB Histogramm bei ISO800  Gestreckte RGB Histogramm bei ISO800
1600  RGB Histogramm bei ISO1600 Gestreckte RGB Histogramm bei ISO1600
3200 RGB Histogramm bei ISO3200
6400 RGB Histogramm bei ISO6400 Gestreckte RGB Histogramm bei ISO6400
12800 RGB Histogramm bei ISO12800 Gestreckte RGB Histogramm bei ISO12800

2te Frage: Ist ein 30sec belichtetes Bild dasselbe wie 3x10sec mit dem DSS gemittelt oder die Bilder einfach addiert?

Auf gar keinen Fall! Mit der Mittelung oder dem Sigma Kappa Median oder dem verrücktesten Mittelungsverfahren dieser Welt kann ich nur das Signal zu Rauschverhältnis verbessern und damit die enthaltene Information in meinem Bild besser vom Rauschen unterscheiden. Ein 10sec belichtetes Bild bleibt aber ein 10sec belichtetes Bild.

Was ist dann mit HDR?

Das ist nochmal etwas anderes, ich habe ein Bild bei weniger Belichtungszeit und eins mit mehr Belichtung. Nehmen wir z.B. den Jupiter mit seinen Monden. Der Jupiter ist mega Hell und die Monde sind total dunkel. Blöde Sache, wenn ich den Jupiter mit seinen Strukturen erkennen möchte, muss ich kurz belichten -> Jetzt sehe ich die Monde nicht mehr. Ok, dann mach ich noch ein Bild mit langer Belichtung -> Jetzt sehe ich die Monde, der Jupiter ist aber nur noch ein fetter weißer Fleck. Ich werd verrückt.
Kann ich diese Information nicht irgendwie zusammen packen, so dass ich von der langen Belichtungszeit die Monde und von der kurzen den Jupiter nehmen? Ja mit HDR, oder im DeepSkyStacker Entropy Weighted Average. Ihr seht, dass ist allerdings nochmal eine ganz andere Geschichte.
Klar, ich habe das Ganze natürlich stark vereinfacht dargestellt, aber ich denke die Prinzipien sollten so vielleicht etwas klarer werden. Und ich hoffe ihr merkt, wie komplex das ganze Thema eigentlich ist.