62 Megapixel und immer kleinere Pixel - ist Binning der Ausweg?
Astrofototografie mit der Kamera ASI6200MC Pro bei verschiedenen Binningfaktoren
Der Trend zu mehr Megapixeln in Astrokameras ist ungebrochen. Und damit werden die einzelnen Pixel auf dem Aufnahmechip tendenziell immer kleiner. Das ist gut für hochaufgelöste Aufnahmen mit Optiken kurzer Brennweiten und hoher Lichtstärke, aber eher schlecht für Aufnahmen bei langer Brennweite. Das sogenannte "Oversampling", eine geringere Lichtausbeute pro Pixel und mehr Rauschen sind die Folge. Dieser Bericht beschäftigt sich damit, ob auch bei CMOS-Kameras das sogenannte "Binning" hier zumindest teilweise Abhilfe schaffen kann.
Typischer Vertreter der hochauflösenden Vollformat-Astrokameras ist die ASI6200MC Pro von ZWO. Eigentlich wollte ich mit dieser Kamera im Mai 2020 auf Kiripotib den Vela-Supernova-Rest fotografieren. Als Optik sollte der bei mir seit 2014 bewährte Astrograph Takahashi Epsilon 130D zum Einsatz kommen. Aber die Verwirklichung dieses Plans rückte wegen Corona in unerreichbare Ferne. Und überhaupt: wegen Corona hatte ich plötzlich viel Zeit! Viel Zeit, die ASI6200MC Pro ausgiebig zu testen. Beim „Trockenschwimmen“ mit der Kamera im heimischen Hobbykeller habe ich viel über Rauschen und Binning gelernt. Herzlichen Dank an Stefan Benz für die ausführlichen E-Mail-Diskussionen zu diesem Thema. Wie das Ausleserauschen der ASI6200MC Pro bei verschiedenen Binningfaktoren ermittelt wurde, ist in einem separaten Bericht beschrieben.
Ende März 2020 bescherte weiterhin eine unglaublich lange und stabile Schönwetterphase (extrem trockene Luft bei beständigem Ostwind) Beobachtungsbedingungen wie selten zuvor in Norddeutschland. Verbessert wurde die Situation zusätzlich durch die Lock-Down-bedingten, geringen Emissionen durch Flug- und Straßenverkehr. In der Innenstadt von Osnabrück konnte man deutlich die Milchstraße sehen und auf meiner Sternwarte in Melle war der Anblick des tiefstehenden Kopfes des Skorpions so prächtig wie in meiner Jugendzeit in den 70er Jahren.
Dieser Bericht gliedert sich in drei Teile: welche Erfahrungen habe ich mit der ASI6200MC Pro bei kurzer, mittlerer und langer Brennweite gemacht. Dabei wurden Binningfaktoren von 1, 2 und 4 verwendet, um eine passende effektive Pixelgröße der Kamera für die Abtastung des Bildausschnittes zu erreichen. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse und mehr Information zum Thema atmosphärisches Seeing und "Oversampling" befindet sich am Ende des Berichtes.
Teil I: Astrofotografie mit der ASI6200MC Pro bei kurzer Brennweite
Ende März 2020 kam die ASI6200MC Pro am Astrograph Epsilon 130D von Takahashi mit einer Brennweite von 430mm auf meiner Sternwarte in Melle zum Einsatz. Hohe Auflösung und ein großes Gesichtsfeld: dafür hatte ich die Kamera schließlich gekauft.
Diese Kamera-Optik-Kombination besitzt eine für mittleres bis mäßiges Seeing vernünftige Pixelscale von etwa 1,8“ / Pixel. Das passt schon deshalb gut, weil hierzulande mäßiges Seeing leider häufiger ist, als gutes Seeing.
Das Equipment auf der Beobachtungsterrasse meiner Sternwarte in Melle
Optik: Takahashi Epsilon 130D
Montierung: Gemini G42
Kamera: ASI6200MC Pro (hier: Binningfaktor 1)
Filter: Duo-Band-Pass-Filter Optolong L-eNhance
Bild unten: Blaues Licht vor rotem Himmel – IC 405, IC 410 und IC417 sowie das an interstellarem Staub reflektierte Licht von AE Aurigae
(siehe auch VdS-Journal für Astronomie Nr. 77, Seite 48)
Aufnahmedatum: 31.03.2020, Belichtung: 18 x 600 s
Bildbearbeitung: Theli, MaxImDL, Fitswork, PixInsight, Photoshop, Neat Image, ACDSee, ICE
Zum Zeitpunkt der Aufnahme stand der zu 45% beleuchtete Mond nur etwa 19° von IC 405 entfernt und zauberte starke, radiale Reflexe in die Aufnahmen. Passende Flats anzufertigen war auf Grund der Nähe zum Horizont nicht mehr möglich. Um das Bild zu ebnen wurde es schließlich (nach langen Versuchen) in 16 sich überlappende Ausschnitte zerlegt, die einzeln geebnet und dann mit einem Programm zur Erstellung von Mosaiken wieder zusammengefügt wurden. Leider gingen dabei viele schwache Details in der Aufnahme verloren.
Die Auswertung dieses ersten Teils meiner Corona-Astro-Episoden führt bezüglich der verwendeten Optik-Kamera-Filter-Kombination zu folgenden Ergebnissen und Erfahrungen:
1. Das große Gesichtsfeld, die hohe Auflösung und die Detailvielfalt im Bild sind beeindruckend. Das Bild ist ausreichend flach und kann mit „Flats“ im Prinzip sehr gut korrigiert werden. Der freie Durchlass des verwendeten Filters (M48-Gewinde) von etwa 44 mm erhöht nur geringfügig die Vignettierung des Bildes. Ein Großteil der vorhandenen Vignettierung kommt ursächlich von der Optik selbst (Fangspiegel und/oder Korrektor und/oder M54-Anschlußgewinde). Wegen des relativ großen Gesichtsfeldes sind aber durchaus Gradienten im Bild (zum Beispiel durch Horizontnähe oder Störlicht) zu erwarten, die sich nur schwer korrigieren lassen.
2. Die Größe einer Aufnahme der ASI6200MC Pro beträgt bei einem Binningfaktor von 1 etwa 120 Megabyte. Mein immerhin schon 9 Jahre alter Laptop kann jedoch problemlos mit MaximDL die Kamera (und das Guiding) steuern und die Daten aufnehmen. Die Download-Zeit ist selbst mit USB 2.0 noch durchaus erträglich. Bei meinen bisherigen Aufnahmen gab es bisher keine Ausfälle oder Abbrüche – nach meiner Erfahrung ein Hinweis darauf, dass sowohl MaximDL als auch die ASCOM-Treiber von ZWO sauber programmiert sind. Ich muss lediglich zunächst die Kamera an die Stromversorgung anzuschließen, bevor sie via USB mit dem Rechner verbunden wird. Andernfalls wird bei mir die Kamera nicht vom Rechner erkannt. Die Größe der Bilddateien bereitet jedoch ein Problem (oder zusätzliche Kosten): die Kalibrierung und Bearbeitung der Daten erfordern einen sehr leistungsfähigen Rechner (oder einen sehr geduldigen Bediener).
3. Der Vollformat-CMOS-Chip Sony IMX455 in der ASI6200 MC Pro hat eine sehr hohe Auflösung: 9576 x 6388 Bildpunkte auf 36 x 24 Quadratmillimeter. Damit kommt diese Kamera in den Bereich der Auflösung guter Filmemulsionen aus der Zeit der analogen Astrofotografie (ich empfehle hierzu den interessanten Testbericht zur (vergleichbaren) Kamera QHY600M von Dennis di Cicco in "Sky & Telescope" im Heft Juli 2020). Diese hohe Auflösung bereitet aber ein grundsätzliches Problem: bei Vollbildansicht am Monitor sehen die Sterne in den Aufnahmen oftmals wie Hotpixel aus. Auch bei sehr großen Monitoren mit einer hohen Auflösung haben Sterne einer gut fokussierten Aufnahme Abmessungen von nur einem Pixel! Auf einem kleinen Handydisplay wird eine ansprechende Darstellung noch schwieriger oder gar unmöglich. Zum Vergleich: ein Ausdruck einer Aufnahme dieses Chips mit 300 dpi hätte Abmessungen von 80 x 60 Quadratzentimeter. Wiederum nach meiner Erfahrung werden heute aber über 90% aller Astrofotos nur am PC betrachtet – wer macht schon solch große Ausdrucke? Deshalb wird die (allseits beliebte) Funktion „Morphological Transformation – Erosion“ aus PixInsight hier definitiv nicht gebraucht. Ich nutze eher die Glättungsfunktion „Mit PSF falten“ aus Fitswork und mache die Sterne etwas größer…
4. Anfängliche Versuche, mit einem Off-Axis-Guider nachzuführen habe ich aufgegeben, weil das Prisma zur Auskopplung des Lichts für die Nachführkamera relativ weit aus dem Strahlengang herausgezogen und exakt parallel zu einer der Längsseiten des Chips ausgerichtet werden muss. Andernfalls sind unschöne Abschattungen zu beobachten und man muss nach jeder Aufnahmeserie neue Flats aufnehmen. Sowohl am Takahashi Epsilon 130D als auch am Vixen VC200L arbeite ich daher nur noch mit separaten Leitrohren (300 mm Brennweite F/5 am Takahashi beziehungsweise 400 mm Brennweite F/5 am Vixen). Damit habe ich sehr gute Erfahrungen gemacht, denn es erleichtert ungemein die Leitsternsuche und liefert saubere Nachführergebnisse bis über 4000 mm Brennweite am Vixen (siehe dazu Teil III dieses Berichts).
Teil II: Astrofotografie mit der ASI6200MC Pro bei mittlerer Brennweite
Mit einer gewissen Angst vor einer Ausgangssperre hatte ich Mitte März 2020 einen Teil meines Equipments von meiner Sternwarte in Melle zu uns nach Hause in Osnabrück transportiert. Hier befand sich ohnehin eine Montierung Skywatcher EQ6-R, die eigentlich für den Einsatz in Namibia geplant war.
Auf dem Plan stand neben den Tests mit der ASI6200 am Vixen VC200L (mit Binningfaktor 2 bei Brennweiten von 1280 mm und 1800 mm) die Klärung, wie gut sich HII-Regionen bei lichtverschmutztem Himmel mit einem Duo-Schmalband-Filtern fotografieren lassen.
So wie abgebildet konnte das Equipment in vier Nächten hintereinander vom 21.03. – 24.03.2020 jeweils acht Stunden von 20 - 4 Uhr genutzt werden. Die Temperatur lag jeweils um 0°Celsius, leichter bis mäßiger Ostwind sorgte zusammen mit der extremen Trockenheit für ausgezeichnete Sicht und es gab keinerlei Probleme mit Tau oder Eis auf den optischen Flächen.
Das Equipment auf der Dachterrasse
in der Innenstadt von Osnabrück
Optik: Vixen VC200L (mit Reducer 0,71x)
Montierung: Skywatcher EQ6-R
Kamera: ASI6200MC Pro (hier: Binningfaktor 2)
Filter: Duo-Band-Pass-Filter Optolong L-eNhance
Der Sternhimmel des Frühjahres und die gute West-Sicht auf meiner Dachterrasse machte es leicht IC 410 im Fuhrmann als Beobachtungsobjekt zu wählen. Oder anders gesagt: ein anderes, relativ leichtes Objekt stand in dieser Jahreszeit am Westhimmel nicht mehr zur Verfügung. Kulmination von IC 410 am 23.3.2020 etwa gegen 18 Uhr, Untergang am nächsten Morgen gegen 4 Uhr.
Die HII-Region IC410 und der offene Sternhaufen NGC1893 im Sternbild Fuhrmann mit den beiden „Kaulquappen“, zwei markanten, rund 10 Lichtjahre langen Materieströmen.
Aufnahmedatum: 23.03. und 24.03.2020
Belichtung: 25 x 600 s RGB
Bildbearbeitung: Theli und StarTools
Bei diesem zweiten Teil meiner Corona-Astro-Episoden habe ich bezüglich der verwendeten Kamera-Optik-Kombination und mit dem genannten Filter folgenden Erfahrungen gesammelt:
1. Die ASI6200MC Pro arbeitet mit einem Binningfaktor von 2 völlig problemlos - die „effektive“ Pixelgröße beträgt dann 7,52 x 7,52 Quadratmikrometer. Beim Vixen VC200L (mit Reducer 0,71x) führt dies zu einer für mittleres bis gutes Seeing vernünftigen Pixelscale von etwa 1,2“ / Pixel. Die Farbinformation der Bayer-Matrix bleibt erhalten, allerdings darf beim ASCOM-Driver nicht das Kästchen "MonoBin" angeklickt werden - dann geht die Farbinformation unwiderruflich verloren.
2. Bei einer Chiptemperatur von -20°Celsius wird das Gesamtrauschen des Bildes fast vollständig vom Ausleserauschen und vom Himmelsrauschen bestimmt. Das Dunkelstromrauschen ist auch bei 600 Sekunden Belichtungszeit der Einzelaufnahmen vernachlässigbar (siehe zum Beispiel hier). Gegenüber Aufnahmen mit einem Binningfaktor von 1 reduziert sich das Ausleserauschen, wie theoretisch erwartet, um den Faktor 2 (Quadratwurzel aus der Anzahl der gebinnten Pixel - bei einem Binning von 2x2 also vier Pixel). Verstärkerglühen oder andere Inhomogenitäten im Bild habe ich nicht beobachtet.
3. Der verwendete Duo-Schmalband-Filter von Optolong blendet Störlichtquellen in der Stadt effektiv aus und bei der Abbildung von HII-Regionen wird der Kontrast deutlich erhöht. Die Bildbearbeitung kann „ganz normal“, wie bei Aufnahmen mit Bayer-Matrix ohne Filter, durchgeführt werden. Der Durchlass bei H-alpha bedient dabei den Rot-Kanal, der Durchlass bei H-beta und O-III sowohl den Grün- als auch den Blau-Kanal.
Teil III: Astrofotografie mit der ASI6200MC Pro bei langer Brennweite
400 mm Brennweite für Übersichtsaufnahme, 1200 mm Brennweite für größere Objekte, 3600 mm Brennweite für kleine Objekte – so hatte ich mir mein Equipment immer vorgestellt. Und das nach Möglichkeit alles mit einer Kamera…
Übersichtsaufnahmen und Fotos von größere Objekte beschreibe ich in Teil I und Teil II dieses Berichtes. Doch wie soll das mit 3600 mm Brennweite für kleine Objekte überhaupt gehen? Schon allein mangels einer Optik mit derartig langer Brennweite?
Nach längerem Überlegen fiel mir ein, dass ich aus meiner Zeit der visuellen Beobachtungen noch eine Barlow-Linse in meinem Ausrüstungskoffer hatte - eine TeleVue BigBarlow-Linse. Ermutigt durch eine Produktinformation dazu auf der Homepage von Intercon-Spacetec, habe ich diese Barlow-Linse am Vixen VC200L mit der ASI6200MC Pro eingesetzt. Die Barlow-Linse wird mittels passender Adapter sowohl am Okuarauszug, als auch an der Kamera angeschraubt. Ich kann für diese Kombination eine überraschend gute Abbildungsqualität bestätigen. Ein Vollformat-Chip wird damit ohne nennenswerte Vignettierung ausgeleuchtet. Auf den Einsatz des oben genannten Duo-Schmalband-Filters habe ich hier wegen der geringen Lichtstärke und den damit zu erwartenden langen Belichtungszeiten verzichtet.
Detail des Equipments für formatfüllende Aufnahmen kleiner Objekte
Optik: Vixen VC200L mit TeleVue BigBarlow-Linse
Kamera: ASI6200MC Pro
Durch die BigBarlow-Linse wird die Kamera in großem Abstand vom M60-Anschlußgewinde des Teleskops montiert und der Okularauszug muss recht weit herausgedreht werden, damit die Fokuslage erreicht wird. Dadurch entstehen vergleichsweise große Biegekräfte. Aber der Okularauszug des Vixen VC200L ist sehr stabil und trägt die ASI6200MC Pro auch in dieser Kombination ohne erkennbare Durchbiegung. Die Brennweite dieser Kombination aus Vixen VC200L und TeleVue BigBarlow betrug laut "All Sky Plate Solver" etwa 4160 mm. Im Folgenden zwei Astrofotos, die mit dieser Kombination und dem Binningfaktor 4 gewonnen wurden:
Die Galaxie M 51 (NGC 5194/95) wird auch Whirlpool-oder Strudelgalaxie genannt und liegt im Sternbild Jagdhunde. Die große Spiralgalaxie NGC 5194 hat eine kleinere, wechselwirkende Begleitgalaxie NGC 5195. Mit einer Winkelausdehung von rund 7' x 11' erscheinen die Galaxien aufgrund ihrer großen Entfernung von rund 25 Millionen Lichtjahren (Hubbledistanz laut Wikipedia) recht klein.
Aufnahmedatum: 26.04.2020
Aufnahmeort: Melle
Optik: Vixem VC200L + TeleVue BigBarlow
Kamera: ASI6200MC Pro (Binningfaktor 4)
Belichtung: 11 x 600 s
Bildbearbeitung: Theli, StarTools
Die Galaxie M 104 (NGC 4594) hört auch auf den Namen "Sombrerogalaxie" und liegt im Sternbild Jungfrau. Mit einer Deklination von -11° befindet sich M 104 am Standort meiner Sternwarte leider immer recht nah am Horizont. Dunst, Turbulenzen und die zunehmende Aufhellung des Himmels durch künstliche Beleuchtung machen es am Standort Melle schwer, dieses wunderbare, nur etwa 9' x 4' große Objekt mit hoher Auflösung zu fotografieren. Aber in der Zeit des Corona-Lockdowns waren die Aufnahmebedingungen vergleichsweise günstg...
Aufnahmedatum: 26.04.2020
Aufnahmeort: Melle
Optik: Vixem VC200L + TeleVue BigBarlow
Kamera: ASI6200MC Pro (Binningfaktor 4)
Belichtung: 13 x 600 s
Bildbearbeitung: Theli, StarTools
Bei diesem dritten Teil meiner Corona-Astro-Episoden habe ich bezüglich der verwendeten Kamera-Optik-Kombination folgenden Erfahrungen gesammelt:
1. Bei einem Binningfaktor von 4 reduziert sich die Auflösung des gewonnenen Bildes (natürlich) erheblich. Aber mit etwa 2400 x 1600 Pixeln liegt man gut im Bereich hochauflösender QHD-Bildschirme. Zur Darstellung am Monitor muss das gewonnene Bild also nicht nachträglich verkleinert werden.
2. Gegenüber Aufnahmen mit einem Binningfaktor von 1 reduziert sich das Ausleserauschen, wie theoretisch erwartet, um den Faktor 4 (Quadratwurzel aus der Anzahl der gebinnten Pixel - bei einem Binning von 4x4 also sechzehn Pixel). Auch hier habe ich kein Verstärkerglühen oder andere Inhomogenitäten im Bild beobachtet.
3. Bei einem Binningfaktor von 4 vergrößert sich durch die Zusammenschaltung von jeweils 16 Pixeln (bei CMOS-Chips per Software nach dem Auslesen) entsprechend die effektive Pixelfläche. Dadurch sind selbst bei sehr geringen Lichtstärken der Optik (hier: F/21) schon während der Aufnahmesitzung schwache Objekte am Monitor sichtbar. Bei der hier beschriebenen Kamera-Optik-Kombination konnte mit einer Beichtungszeit der Einzelaufnahmen von 600 Sekunden gute Ergebnisse erzielt werden.
4. Die Dateigröße reduziert sich von 120 MB ohne Binning (Binningfaktor 1) über 30 MB bei Binningfaktor 2 nochmals auf 7,5 MB bei Binningfaktor 4.
Zusammenfassung
In Zeiten der Corona-Pandemie konnte ich die Vollformatkamera ASI6200MC Pro ausgiebig an verschiedenen Standorten, Optiken und unterschiedlichen Himmelsobjekten testen. Mit einer Pixelgröße von 3,76 x 3,76 Quadratmikrometern ist der verbaute Sensor IMX455 von Sony ideal für Optikbrennweiten von etwa 400 - 1000 mm (ermittelt mit der wunderbaren Seite "astronomy.tools/calculators/ccd_suitability"). Jenseits dieses Bereiches ist unter guten norddeutschen Seeing-Bedingungen von 2" - 4" Halbwertsbreite der Sternabbildungen (FWHM) die Abtastung des Bildes nicht mehr optimal. Als optimal wird hier gemeinhin ein Bereich von etwa 0,7"/px - 2,0"/px angegeben. Darunter liegt der Bereich der "Überabtastung" (Oversampling), darüber der Bereich der "Unterabtastung" (Undersampling).
Es zeigte sich, dass sich die ASI6200MC Pro im Brennweitenbereich von 400 mm bis 4200 mm bei der Wahl des geeigneten Binningfaktors 1, 2 oder 4 optimal eingesetzt werden kann.
Die größten Vorteile des Binnings sind also zunächst die kürzeren Belichtungszeiten der Einzelaufnahmen und das Verbesserte Signal-/Rauschverhältnis. Ganz praktisch gesehen erleichtert dies die Beurteilung der Aufnahmequalität der Einzelaufnahmen bei der nächtlichen Sitzung. Nicht zu vernachlässigen ist aber auch die erheblich geringere Größe der Aufnahmedateien mit entsprechend geringerer Bearbeitungszeit bis zum fertigen Bild. Natürlich kann man auch bei langen Brennweiten der verwendeten Optik alle Einzelaufnahmen ohne Binning anfertigen und das Oversampling bei der Bildbearbeitung korrigieren. Das Programm "StarTools" bietet dafür zum Beispiel eine eigene Routine. Ich kann jedoch keinen Vorteil darin erkennen, sich bei Brennweiten über 1000 mm mit dem Stacking von Dateien mit 120 MB abzumühen.
Alle Ergebnisse sind in der abschließenden Tabelle zusammengefasst. Die Ermittlung des Ausleserauschens bei den verschiedenen Binningfaktoren ist hier beschrieben.
Osnabrück, im Mai 2022
Gerd Althoff
Parametertabelle für die ASI6200MC Pro
bei verschiedenen Brennweiten und Binningfaktoren
