Leitfaden zu PixInsights "ImageCalibration" (überarbeitet am 26.02.2018)
Mir fällt auf, dass viele PixInsight-Neulinge Probleme mit der Kalibrierung haben und nicht weiterkommen. Im PI-Forum werden zu diesem Thema immer wieder die gleichen Fragen gestellt. Während der Fragesteller die gewünschte Antwort möglicherweise bekommen hat, fehlt letztlich oft eine Rückmeldung, welche Vorschläge zum Ziel führten. Dann bleibt das Ende offen. Solche Threads bieten für Anfänger keine geeignete Hilfestellung.
Deshalb wurde dieser Leitfaden mit der Absicht erstellt, eine allgemeine Hilfe über den Gebrauch von PixInsights ImageCalibration zur Verfügung zu stellen. Bitte nicht auf diesen Thread antworten. Wenn Du der Meinung bist, dass ein wichtiger Punkt fehlt oder falsch ist, sende mir bitte eine private Nachricht. Falls die Anregung vernünftig ist, werde ich meine Beschreibung korrigieren oder ergänzen.
Bitte beachte: PixInsights ImageCalibration ist ein mächtiger und flexibler Prozess, aber er führt nicht viele Überprüfungen aus, ob die Eingaben und Einstellungen sinnvoll sind. Einige Einstellungen können gar zu falschen Ergebnissen führen. Die Redensart "garbage in, garbage out" trifft auch hier zu. Für die richtigen Einstellungen bist Du selbst verantwortlich. Es gibt keinen Grund, einen Bug-Report zu verfassen, wenn das Kalibrierungsergebnis merkwürdig aussieht - schau Dir einfach Deine Einstellungen noch mal an.
Das Ziel gut kalibrierter Lights kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden. Das ist der Grund, warum man zur Erstellung der Master der Kalibrierungsaufnahmen oder zum Vorgehen bei der Kalibrierung unterschiedliche Empfehlungen findet. Da es sehr unterschiedliche Kameras gibt, kann es sein, dass einige Empfehlungen für eine bestimmte Konfiguration funktionieren, bei anderen jedoch versagen. Mein Ziel war es, ein Vorgehen zu beschreiben, das (hoffentlich) allgemein funktioniert. Daher können meine Empfehlungen von denen Anderer abweichen.
In meiner Beschreibung habe ich absichtlich die Overscan-Kalibrierung nicht erwähnt, weil dies eine Besonderheit einiger spezieller Astrokameras ist. Ich gehe davon aus, dass Leute, die entsprechende Kameras verwenden, auch wissen, was sie tun.
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1 Allgemeine Einstellungen
1.1 Digital Single Reflex (DSLR-) Kameras
Bei einer DSLR-Kamera, die die Bilder in einem proprietären Raw-Format (z. B. CR2 bei Canon, NEF bei Nikon, ARW [und andere Formate] bei Sony) abspeichern kann, stellt man die Kamera auf das Raw-Format ein. PixInsights Format Explorer|DSLR_RAW (bzw. neuerdings: RAW) ist dann auf 'Pure raw' einzustellen. Im Falle von Bildern einer DSLR-Kamera wird das Color Filter Array (CFA-) Muster (z. B. RGGB oder GBRG) in den Datei-Header geschrieben und steht dadurch beim Debayern zur Verfügung.
1.2 One Shot Color (OSC-) Kameras
Der Kameratreiber liefert ein Bild im FITS-Format. Einmalig muss überprüft werden, ob in PixInsight ein seitenrichtiges Bild resultiert. Sollte das nicht der Fall sein, ändert man in Format-Explorer|FITS die Einstellung 'Coordinate origin'. Die Default-Einstellung ist 'Upper left corner (Up-bottom)'.
Aber Vorsicht: ändert man diese Einstellung, so müssen auch alle Kalibrierungsdateien mit derselben Einstellung neu aus den FITS-Dateien erstellt werden, damit die Kalibrierung korrekte Resultate liefert!
Das CFA-Muster ist nicht in der FITS-Datei gespeichert, man muss es deshalb beim Debayern explizit angeben (siehe Kamera-Handbuch).
1.3 DSLR- und OSC-Kameras: Kalibrierung mit CFA-Bildern
Bei einer DSLR- oder OSC-Kamera sollte der gesamte Kalibrierungsablauf mit monochromen CFA-Bildern durchgeführt werden. Erst nach abgeschlossener Kalibrierung (einschließlich CosmeticCorrection) werden die kalibrierten Lights debayert (in RGB-Bilder umgewandelt) und anschließend ausgerichtet und schließlich integriert.
1.4 Monochrome Kameras
Bei monochromen Kameras müssen für jeden verwendeten Filter separate Flats aufgenommen und jeweils ein MasterFlat erstellt werden.
1.5 Software zur Aufnahmesteuerung und Dateiformat
Zur Aufnahme der Lights und der Kalibrierungsaufnahmen sollte immer die gleiche Software sowie das gleiche Dateiformat verwendet werden.
2 Bedingungen für die Aufnahme der Kalibrierungsaufnahmen
2.1 Kameratemperatur
Bei Kameras ohne Temperaturregelung: die Darks sollten möglichst bei der gleichen Temperatur aufgenommen werden wie die Lights. Bei Kameras mit Temperaturregelung stellt man für alle Aufnahmen die gleiche Soll-Temperatur ein.
2.2 Kameraeinstellungen
Zur Aufnahme der Darks sollten die gleichen Einstellungen wie für die Lights verwendet werden. Relevante Einstellungen sind bei DSLR-Kameras: ISO und Belichtungszeit, bei Astrokameras: gain, (falls zutreffend: offset) und Belichtungszeit.
Gleiche Einstellungen sollten auch für Flats und die zur Kalibrierung der Flats verwendeten Aufnahmen verwendet werden.
2.3 Unveränderter Strahlengang für die Aufnahme von Flats
Bei der Aufnahme der Flats ist es entscheidend, dass der Strahlengang unverändert wie bei der Aufnahme der Lights ist. D. h.: gleicher Flattener oder Reducer, gleiche Kameraorientierung (Winkel) und gleiche Fokusposition wie bei den Lights. Am besten ist es, gar nichts zu verändern und die Flats direkt vor oder nach den Lights aufzunehmen. Bei Refraktoren kann man ein MasterFlat in der Regel über eine längere Zeit verwenden.
3 Erstellung der Master der Kalibrierungsaufnahmen
Es ist ratsam, die Master der Kalibrierungsaufnahmen laut [1] zu erstellen und sie anschließend zu überprüfen, bevor sie zur Kalibrierung der Lights eingesetzt werden.
3.1 MasterDark und MasterBias
MasterDark und MasterBias werden laut [1] erstellt.
3.2 MasterFlat
Das MasterFlat wird durch Kalibrierung der Flats und Integration der kalibrierten Flats laut [1] erstellt.
Abhängig von der Ausrüstung und der verwendeten Methode zur Aufnahme der Flats erachten es viele Leute als vorteilhaft, bei der Kalibrierung der Flats die Option 'Dark Frame Optimierung' nicht einzusetzen. Statt eines MasterDarks mit Dark Frame Optimierung verwenden sie entweder
- ein MasterFlat-Dark ohne Dark Frame Optimierung oder
- ein MasterBias.
Im Fall von langen Belichtungszeiten der Flats (z. B. bei Schmalbandfiltern) oder einer Kamera mit hohem thermischen Rauschen oder mit "Verstärkerglühen" kann ein MasterFlat-Dark vorteilhaft sein. Im Falle von kurzen Belichtungszeiten der Flats und einer Kamera mit niedrigem thermischen Rauschen, ohne "Verstärkerglühen" wird ein MasterBias gut funktionieren. Welche Einstellungen zum besten Ergebnis führen, sollte man ausprobieren.
4 Potentielle Stolpersteine bei der Kalibrierung
4.1 Korrekte Subtraktion des Bias-Levels
In [3] stellt Juan Conejero fest:
Die meisten Probleme [bei der Dark Frame Optimierung] [wie z. B. 'no correlation'] treten auf, weil der Bias-Level von einem oder von mehreren Kalibrierungsaufnahmen nicht korrekt subtrahiert wurde; in der Regel vom MasterDark.
Ich stimme dem zu, würde diese Aussage aber nicht auf die Dark Frame Optimierung beschränken - sie trifft für die Kalibrierung insgesamt zu. In dem gleichen Thread nennt Juan drei Möglichkeiten, den Bias-Level auf die korrekte Weise zu subtrahieren:
(1) Man hat die einzelnen Darks einfach zum MasterDark integriert. In diesem Fall enthält das MasterDark den Bias-Sockel. Dies ist die gebräuchlichste Vorgehensweise, diejenige, die auch in Vicents Tutorial gezeigt wird.
(2) Nach (1) hat man mittels ImageCalibration das MasterBias vom MasterDark subtrahiert. In diesem Fall enthält das MasterDark den Bias-Sockel nicht mehr.
(3) Man hat das MasterBias von jedem einzelnen Dark mittels ImageCalibration subtrahiert, bevor sie zum MasterDark integriert wurden. In diesem Fall enthält das MasterDark den Bias-Sockel nicht mehr, wie in (2). Dieses Vorgehen ist atypisch.
Die Möglichkeit(3), die Juan 'atypisch' nennt, ist nichts anderes als eine umständliche Version von (2): mathematisch äquivalent zu (2), liefert sie ein identisches Ergebnis. Sie ist allerdings mit einem (unnötigen) Rechenaufwand verbunden.
Sowohl bei (2) als auch bei (3) wird die Subtraktion des Bias in einem vorgelagerten Schritt durchgeführt. Ich bezeichne dieses Vorgehen als "Prä-Kalibrierung". Diese Vorgehensweise hat bei modernen DSLR- und CMOS-Kameras jedoch einen gravierenden Nachteil: im kalibrierten MasterDark tritt starkes Clipping (Abschneiden negativer Werte) auf. Die Ursachen dafür werden in den folgenden Abschnitten erläutert.
4.2 "Dark Current Suppression" und Auswirkungen auf die Kalibrierung
Moderne DSLR- oder CMOS-Kameras haben einen "Dark Current Suppression" Mechanismus (in der Hardware), der den Dunkelstrom subtrahiert. Deshalb ist der Median von Darks und Bias-Aufnahmen etwa gleich, nahezu unabhängig von der Belichtungszeit des Darks! Eine Subtraktion des MasterBias von den Darks (oder vom MasterDark) ergibt deshalb für einen Großteil der Pixel negative Werte. Führt man diese Subtraktion in einem vorgelagerten Schritt durch, werden sämtliche negativen Werte abgeschnitten (geclippt, auf Null gesetzt), und
diese Daten sind verloren. Dies stellte ich sowohl bei einem kalibrierten DarkFrame meiner Canon EOS 600D als auch bei einem kalibrierten DarkFrame meiner nagelneuen ZWO ASI294MC Pro fest.
Bild 1 zeigt einen Bildschirmausdruck mit den Histogrammen: auf der linken Seite das nicht prä-kalibrierte MasterDark, auf der rechten Seite das prä-kalibrierte MasterDark (hier: von einer Canon 600D), in dem etwa die Hälfte des Peaks abgeschnitten (auf Null gesetzt) ist. Wenn man solch ein prä-kalibriertes MasterDark zur Kalibrierung der Lights einsetzt, werden nur etwa die Hälfte der Pixel im Light korrekt kalibriert. Beim Rest der Pixel (in diesem Beispiel: bei der anderen Hälfte) wird überhaupt keine Korrektur des Dunkelstroms vorgenommen; hier wird nur der Bias-Level subtrahiert! Die Verwendung eines solchen MasterDarks hat ein höheres Rauschen in den kalibrierten Lights zur Folge.
4.3 Abschneiden von negativen Werten während der Kalibrierung
Warum werden negative Werte denn bei der Kalibrierung einfach abgeschnitten?
In [4], Antwort #2, hat Juan Conejero die Notwendigkeit, negative Werte im Kalibrierungsschritt abzuschneiden, detailliert erläutert. Kurz gesagt: für den Kalibrierungsprozess muss ein
kohärenter Datensatz verwendet werden. Das Abschneiden negativer Werte wird jedoch NICHT auf
Zwischenergebnisse in einem Kalibrierungsschritt angewendet, sondern
Das Abschneiden auf den Bereich [0,1] wird als der allerletzte Schritt einer Calibration Task für jede Aufnahme durchgeführt, d. h. nach Overscan-, Bias-, Dark-, Flat- und Piedestal-Korrektur.
In [4], Antwort #2, schlug Juan Conejero die Addition eines Piedestals vor, um das Problem des Abschneidens negativer Werte während der Kalibrierung zu vermeiden. Dies ist jedoch unnötig. Wie wir in Abschnitt 5.1 sehen werden, muss man kein Piedestal verwenden, wenn man
1) weder Darks noch MasterDark prä-kalibriert und
2) das MasterDark (falls erforderlich) erst während der Kalibrierung der Lights kalibriert.
4.4 Prä-Kalibrierung des MasterDarks?
Das heißt also: Wenn man das MasterDark prä-kalibriert, tritt starkes Clipping im kalibrierten MasterDark auf. Wendet man jedoch stattdessen PixInsights Option an, das MasterDark erst während der Kalibrierung der Lights zu kalibrieren, werden negative Werte im Zwischenergebnis (dem kalibrierten MasterDark) nicht geclippt.
Das Fazit aus den Abschnitten 4.1 bis 4.4 ist also:
Wende NIEMALS eine Prä-Kalibrierung auf die Darks oder das MasterDark an. Falls erforderlich, sollte PixInsights Option, das MasterDark während der Kalibrierung der Lights zu kalibrieren, benutzt werden.
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Es gibt Tutorials, die tatsächlich vorschlagen, die Darks zu prä-kalibrieren, aber keinen Hinweis auf das mögliche Abschneiden negativer Werte geben (sogar das ansonsten sehr gute Tutorial [5] macht das). Dies ist eine schlechte Empfehlung. Für moderne DSLR- oder CMOS-Kameras, die Dark Current Suppression anwenden, wird ein solches Vorgehen bei der Kalibrierung ein niedrigeres Signal/Rausch-Verhältnis der kalibrierten Lights ergeben. Zum Glück gibt es auch bessere Tutorials, z. B. [6] und [7].
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5 Kalibrierung der Lights mit PIs ImageCalibration
Man ruft den Prozess ImageCalibration auf und wählt die zu kalibrierenden Lights mit 'Add Files' aus.
5.1 Dark Frame Optimierung
Wenn man sich einmal dazu entschlossen hat, keine Prä-Kalibrierung des MasterDarks vorzunehmen, werden die weiteren Entscheidungen sehr übersichtlich. Tatsächlich bleiben dann nur noch zwei Auswahlmöglichkeiten übrig, die zu einer korrekten Subtraktion des Bias-Levels führen. Die beiden Fälle, die auseinandergehalten werden müssen, sind:
Fall 1: Kalibrierung MIT Dark Frame Optimierung
Die allgemeine Form der angewendeten Berechnung ist in Gleichung {1} dargestellt:
Kal1 = ((Light - MasterBias) - k0 * (MasterDark - MasterBias)) / MasterFlat * s0 (MIT Dark Frame Optimierung) {1}
mit k0: Dark-Skalierungsfaktor
s0: Master Flat Skalierungsfaktor = Mittelwert des MasterFlats
Schlussfolgerung: Der einzige problematische Term (bezüglich negativer Werte) in Gleichung {1} ist: (MasterDark - MasterBias). Wenn das MasterDark nicht prä-kalibriert wird und die Kalibrierung des MasterDarks erst bei der Kalibrierung der Lights durchgeführt wird, ist der Term (MasterDark - MasterBias) ein
Zwischenergebnis, dementsprechend werden negative Werte nicht abgeschnitten. Für eine Kalibrierung der Lights mit Dark Frame Optimierung sollten deshalb die Einstellungen in
Bild 2, rechts verwendet werden.
Einstellungen:
a) Man benötigt ein MasterBias, also Abschnitt 'Master Bias' aktivieren und das MasterBias auswählen.
b) Abschnitt 'Master Dark' aktivieren und das MasterDark auswählen. Im Abschnitt 'Master Dark' die Optionen 'Calibrate' und 'Optimize' aktivieren
Beachte, dass PI bei der Dark Frame Optimierung weder Temperaturen noch Belichtungszeiten verwendet. PI optimiert k0, so dass das Rauschen im kalibrierten Light minimal wird [2].
Fall 2: Kalibrierung OHNE Dark Frame Optimierung
Ohne Dark Frame Optimierung ist k0 = 1.0, dadurch
fällt das MasterBias aus Gleichung {1} heraus. Gleichung {1} wird somit zu Gleichung {2} vereinfacht:
Kal2 = (Light - MasterDark) / MasterFlat * s0 (OHNE Dark Frame Optimierung) {2}
Schlussfolgerung: Der bezüglich negativer Werte problematische Term (MasterDark - MasterBias) taucht in Gleichung {2} nicht mehr auf. Es gibt darin gar kein MasterBias mehr. Für eine Kalibrierung der Lights ohne Dark Frame Optimierung wird kein MasterBias benötigt, weil das MasterDark überhaupt nicht kalibriert wird. Dementsprechend kann auch kein Abschneiden negativer Werte auftreten. Für diesen Fall sollten die Einstellungen in
Bild 2, links verwendet werden.
Einstellungen:
a) Man benötigt weder Bias-Aufnahmen noch ein MasterBias, also Abschnitt 'Master Bias' desaktivieren.
b) Abschnitt 'Master Dark' aktivieren und das MasterDark auswählen. Im Abschnitt 'Master Bias' die Optionen 'Calibrate' und 'Optimize' desaktivieren
Ob es vorteilhaft ist, Dark Frame Optimierung einzusetzen oder nicht, hängt von der Kamera ab. Bei Kameras ohne Temperaturregelung kann das Kalibrierungsergebnis durch Einsatz der Dark Frame Optimierung erheblich verbessert werden, weil Temperaturabweichungen zwischen Lights und Darks in diesem Fall unvermeidbar sind. Bei Kameras mit Temperaturregelung wird die Verbesserung sehr viel geringer ausfallen, möglicherweise ist sogar gar keine Verbesserung feststellbar.
Falls die Kamera aber "Verstärkerglühen" aufweist, kann es passieren, dass dieses Artefakt mit aktivierter Dark Frame Optimierung nicht vollständig "wegkalibriert" werden kann. Bei einer Kamera ohne Temperaturregelung mit "Verstärkerglühen" ist es daher lohnend, die Ergebnisse beider Fälle genau zu vergleichen.
5.2 Abschnitt 'Master Flat'
Einstellungen:
Abschnitt 'Master Flat' aktivieren und das MasterFlat auswählen. Da die Flats bereits (gemäß [1]) kalibriert und dann zum MasterFlat integriert wurden, muss die Option 'Calibrate' desaktiviert werden.
5.3 ImageCalibration: Ausgaben in die Prozess-Console
Nachdem die erforderlichen Einstellungen für die Kalibrierung der Lights vorgenommen wurden, kann der Prozess ausgeführt werden. Während oder nach der Ausführung sollte man einen Blick auf die Ausgabe in die Prozess-Konsole werfen. Die Ausgabe kann z. B. folgendermaßen aussehen (Auszug):
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Applying bias correction: master dark frame ...
Dark frame optimization thresholds:
Td0 = 0.00179381 (733282 px = 4.068%)
Computing master flat scaling factors ...
s0 = 0.093233 (1) <==
...
Writing output file: F:/Astro/171217/Calibrated/Light_360SecISO800_092718_c.xisf
Dark scaling factors:
k0 = 0.985 (2) <==
Gaussian noise estimates:
s0 = 1.687e-03, n0 = 0.911 (MRS)
...
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(1):
Der Master Flat Skalierungsfaktor s0 ist der Mittelwert des MasterFlats.
(2) (Nur, falls Dark Frame Optimierung aktiviert ist):
k0 ist der Dark-Skalierungsfaktor, optimiert auf niedrigstes Rauschen im resultierenden kalibrierten Light.
5.4 Bewährte Einstellungen bei der Kalibrierung der Lights (Beispiele aus persönlicher Erfahrung)
Canon EOS 600D (keine Temperaturregelung, kein "Verstärkerglühen)"
Bei dieser DSLR-Kamera war das Kalibrierungsergebnis erheblich verbessert, wenn man Dark Frame Optimierung verwendet. Weil die 600D kein "Verstärkerglühen" aufweist, wurde das MasterBias zur Kalibrierung der Flats verwendet.
- Aufnahme von Darks, Bias-Aufnahmen und Flats,
- integriere Darks zum nicht prä-kalibrierten MasterDark,
- integriere die Bias-Aufnahmen zum MasterBias (gegebenenfalls zum SuperBias weiterverarbeiten),
- kalibriere die Flats mit dem MasterBias (oder SuperBias) und integriere zum MasterFlat,
- kalibriere die Lights mit den Einstellungen in
Bild 2, rechts.
ZWO ASI294MC Pro (mit Temperaturregelung, mit "Verstärkerglühen")
Bei dieser CMOS-Kamera konnte ich mit Dark Frame Optimierung keine Verbesserung des Kalibrierungsergebnisses feststellen. Das "Verstärkerglühen" wurde nicht vollständig wegkalibriert, wenn Dark Frame Optimierung aktiviert war. Deshalb entschied ich mich dafür, diese Option nicht zu verwenden. Das "Verstärkerglühen" war auch der Grund dafür, ein MasterFlat-Dark zur Kalibrierung der Flats zu verwenden.
- Aufnahme von Darks, Flat-Darks und Flats,
- integriere Darks zum nicht prä-kalibrierten MasterDark,
- integriere Flat-Darks zum nicht prä-kalibrierten MasterFlat-Dark,
- kalibriere die Flats mit dem MasterFlat-Dark und integriere zum MasterFlat,
- kalibriere die Lights mit den Einstellungen in
Bild 2, links.
6 Nach der Kalibrierung der Lights
6.1 CosmeticCorrection
Nach der Kalibrierung verbleiben einige Hot Pixel in den kalibrierten Lights. Das ist normal, weil Hot Pixel sich nicht ideal verhalten. Diese verbleibenden Hot Pixel müssen mit dem Prozess CosmeticCorrection direkt nach der beendeten Kalibrierung korrigiert werden.
6.2 Debayer
Im Falle einer DSLR- oder OSC-Kamera müssen die kalibrierten Aufnahmen nun debayert (in RGB-Bilder umgewandelt) werden. Bei OSC-Kameras muss man das CFA-Muster explizit angeben (siehe Kamera-Handbuch).
6.3 Ausrichten
Anschließend werden die Aufnahmen mittels StarAlignment ausgerichtet.
6.4 Integration
Schließlich werden die ausgerichteten Aufnahmen im Prozess ImageIntegration integriert.
Damit ist die Datenreduktion abgeschlossen.
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Mittlerweile habe ich im PI-Forum recherchiert und bin dabei auf die folgenden interessanten Threads ([8] and [9]) gestoßen, die ich vorher nicht kannte. Dadurch entdeckte ich, dass meine Empfehlungen alles andere als neu sind:
Der Forum-User Ignacio verwendete und empfahl die Vorgehensweise mit Dark Frame Optimierung (Fall 1, siehe [8] und [9]), und der Forum-User astropixel verwendete und empfahl die Vorgehensweise ohne Dark Frame Optimierung, die er als 'bias_in_the_dark (BITD) method' bezeichnete (Fall 2, siehe [8]). All dies wurde bereits 2014 geschrieben!
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Quellen:
[1] Tutorial von Vicent Peris: "Master Calibration Frames: Acquisition and Processing"
https://www.pixinsight.com/tutorials/master-frames/
[2] Juan Conejero: "Dark Frame Optimization Algorithm"
https://pixinsight.com/forum/index.php?topic=8839.0
[3] Juan Conejero in: "Warning: No correlation between the master dark and target frames", Replies #2 and #4
https://pixinsight.com/forum/index.php?topic=3286.0
[4] "Image Calibration and negative values (KAF 8300)",
https://pixinsight.com/forum/index.php?topic=6822.0
[5] Kayron Mercieca, "2. Generating a Master Superbias and a Master Dark" and "4. Calibrating Lights and Correcting Hot and Cold Pixels"
http://www.lightvortexastronomy.com...d-stacking-images-in-pixinsight.html#Section2
[6] David Ault, "PixInsight Manual Image Calibration, Registration and Stacking"
http://trappedphotons.com/blog/?p=693
[7] Warren A. Keller, "Inside PixInsight", Springer (2016)
[8] "Preprocessing Canon DSLR frames - a different approach",
https://pixinsight.com/forum/index.php?topic=7006.0
[9] "Bias frames - pixel rejection - temperature regulated DSLR",
https://pixinsight.com/forum/index.php?topic=6980.0
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