AstroWorks

4.1 Hintergrund-Synthese

Die Hintergrund-Synthese ist die Hauptfunktion von AstroWorks und fordert sowohl dem Rechner, als auch dem Bediener einiges ab. Hier zunächst die Theorie:

Die Hintergrund-Synthese erzeugt - mit den richtigen Parametern versehen - eine Art künstliches Flatfield, mit dessen Hilfe störende Einflüsse aus dem Bild entfernt werden. Es geht jedoch weniger um die Entfernung von Schatten, die z.B. durch Staubpartikel auf dem Chip hervorgerufen werden (dazu dient eine andere Funktion). Im Gegensatz zu einem typischen Flatfield können hiermit viele Arten von Hintergrundstörungen entfernt werden. Z.B. Vignettierung durch mangelnde Ausleuchtung oder Abschattungen durch Klappspiegel oder Off-Axis-Guider, aber auch Hintergrund-Verläufe die z.B. durch Störlicht entstanden sind.

Zu diesem Zweck wird zunächst der Teil des Bildes festgelegt, der als Hintergrund betrachtet werden soll. Das geschieht über die Definition einer Vorder- und einer Hintergrundfarbe, zwischen denen sich der Hintergrund befinden sollte. Das eigentliche Objekt, der Nebel oder die Galaxie, die gezeigt werden soll, darf sich nicht in diesem Teil befinden. Die Bereiche, die außerhalb dieses Hintergrundes liegen, werden dann aus dem Hintergrund interpoliert. Das bedeutet, für jedes Pixel werden die nächstgelegenen Pixel des Hintergrundes gesucht und im Verhältnis ihres Abstandes gemittelt. Daraus wird dann der künstliche Hintergrund für dieses Pixel erzeugt.

Mit diesem künstlich erzeugten  Hintergrund kann man dann das Originalbild bearbeiten, um Ungleichmäßigkeiten des Hintergrundes zu entfernen. Wie das geht, lernen wir im praktischen Teil:

 

4.1.1 Bedienung & Controls

Zunächst zur Erklärung der 4 Fenster:

a) Das Fenster links oben zeigt eine verkleinerte Version des Originalbildes

b) Das Fenster links unten zeigt die Teile des Hintergrundes, die unverändert aus dem Originalbild extrahiert wurden

c) Das Fenster rechts unten zeigt das künstliche Flatfield, das aus dem extrahierten Hintergrund und den künstlich interpolieren Bereichen besteht

d) Das Fenster rechts oben zeigt die Vorschau des Endergebnisses

Das komplette Fenster für die Hintergrundsynthese kann vergrößert werden, wobei die einzelnen Vorschaufenster ebenfalls vergrößert werden. Sie bekommen dadurch aber keine größere Auflösung, um den Vorschauprozess nicht unnötig zu bremsen.

Die 4 Checkboxen (Hintergrund extrahieren, Lücken interpolieren, etc.) geben vor, welche Schritte, vom Originalbild bis zum Ergebnis, beim Verändern der Parameter vollzogen werden sollen. Aus Gründen der Geschwindigkeit macht es Sinn, diese nach und nach dazuzuschalten.

Nun zu den einzelnen Einstellungen:

4.1.1.1 Helligkeit der Vorschaubilder

Zwischen den Vorschaubildern befindet sich ein vertikaler Schieberegler, der die Helligkeit für alle Vorschaufenster ändert. Das hat keine Auswirkung auf das Endergebnis, sondern dient nur der Kontrolle der Parameter

4.1.1.2 Vorder- und Hintergrund-Toleranz

Welcher Teil des Originalbildes als Hintergrund extrahiert wird, hängt von den Einstellungen der Vorder- und Hintergrundfarbe ab. Jedes Pixel, das dunkler als die eingestellte Vordergrundfarbe und heller als die eingestellte Hintergrundfarbe ist, wird als Hintergrund identifiziert. Um den Hintergrundbereich variieren zu können ohne allzu lange an der Vorder- und Hintergrundfarbe spielen zu müssen, kann mit den Toleranzreglern ein Bereich festgelegt werden, der über diese Grenzen hinausgeht. Zusammen mit den Farbreglern und den Toleranzreglern soll ein Hintergrund festgelegt werden, der möglichst bis zum Rand geht, möglichst kleine weiße (undefinierte) Bereiche übrig lässt, aber auch genügend Abstand zum eigentlichen Objekt lässt. Wir werden das später an einem Beispiel verdeutlichen.

4.1.1.3 Hintergrund-Anhebung

Über die Hintergrund-Anhebung in den drei Farbkanälen kann ein Betrag eingestellt werden, um den das Endergebnis aufgehellt (bei Flatfield-Subtraktion) bzw. abgedunkelt (bei Flatfield-Addition) werden soll. Bei der Flatfield-Subtraktion wird sonst der Hintergrund auf 0/0/0 gezogen, was im Allgemeinen nicht das Ziel ist. Deshalb wird jedesmal, wenn die Checkbox "Flatfield subtrahieren" aktiviert wird, ein Standardwert von 10/10/14 gesetzt. Der Standartwert für "Flatfield addieren" ist 0/0/0. Dieser Wert sollte auf jeden Fall anhand der Ergebnis-Vorschau gesetzt werden, bevor das eigentliche Flatfield erzeugt wird.

4.1.1.4 Weichzeichner-Stärke

Das künstliche Flatfield muss vor der Kombination mit dem Originalbild weichgezeichnet werden. Dafür gibt es zwei Gründe:

a) Der interpolierte Teil des Flatfields ist systembedingt etwas "streifig". Ohne Weichzeichner würde das für Störungen im Endergebnis führen.

b) Der extrahierte Teil des Flatfields ist eine genaue Kopie des Hintergrundes in dem jew. Bereich und enthält auch das natürliche Hintergrundrauschen. Ohne Weichzeichner würde bei der Kombination des Flatfields mit dem Originalbild das komplette Hintergrundrauschen entfernt, was zu einem sehr unnatürlichen Ergebnis führen würde.

Leider vermindert dieser Weichzeichner auch die Möglichkeit, Störungen wie z.B. Staubpartikel auf dem Chip durch das künstliche Flatfield zu entfernen. Das muss dann später auf andere Art geschehen (siehe 4.2 Staub entfernen). 

Der Weichzeichner, bzw. die hier eingestellte Stärke des Weichzeichners hat nur Auswirkungen auf die Vorschau und auf das Endergebnis in AstroWorks. Zwischenschritte, die über die automatische Zwischenspeicherung abgelegt werden (siehe 3. Einstellungen), werden nicht weichgezeichnet.

4.1.1.5 Parameter speichern/laden

Der komplette Parametersatz für eine Hintergrund-Synthese, bestehend aus:

a) Vorder- und Hintergrundfarbe

b) Vorder- und Hintergrundtoleranz

c) Hintergrund-Anhebung bzw. -Absenkung

d) Weichzeichner-Stärke

kann in einer Datei gespeichert werden und später wieder verwendet werden.

4.1.1.6 Flatfield erstellen

Mit einem Klick auf diesen Button wird der komplette Prozess mit dem Originalbild in Gang gesetzt. Dabei werden die in der Vorschau ermittelten Parameter benutzt. Dieser Prozess kann, abhängig von der Größe des Bildes, sehr lange dauern und sollte erst angestoßen werden, wenn die Parameter laut Vorschau genau passen.

4.1.1.7 Pause-Button

Während des Echtlaufes der Hintergrund-Synthese ist der Rechner stark belastet. Falls in dieser Zeit der Rechner für andere Aufgaben gebraucht wird, kann die Synthese über diesen Button unterbrochen und später weitergeführt werden.

 

4.1.2 Eine komplette Hintergrund-Synthese als Beispiel

So - jetzt wird es ernst. Am Beispiel des bekannten Bildes von M1 laufen wir jetzt einmal durch den ganzen Prozess inkl. der Verwendung der Maske im Photoshop. Ich werde mich bemühen, zu jedem Schritt sämtliche Hintergrund-Informationen zu liefern - selbst auf die Gefahr hin, dass ich mich wiederhole...

1. Schritt - Vorder- und Hintergrundfarbe wählen

Das Wählen der Farbgrenzen für Vorder- und Hintergrund kann in einem beliebigen Fenster geschehen. Am besten macht man es jedoch im Hauptfenster, weil man hier die volle Auflösung des Bildes in der Bildschirmlupe hat. Es geht um folgendes: Als Vordergrundfarbe soll der hellste Punkt der Hintergrund-Vignettierung gewählt werden, die es zu entfernen gilt. Als Hintergrundfarbe ein Punkt am Rand, der den dunkelsten Teil des Hintergrundes darstellt. Dabei sollte auf der Bildschirmlupe überprüft werden, dass keine Sterne im gemittelten Bereich den Durchschnitt verfälschen. In einem ersten Versuch habe ich die grün markierten Bereiche gewählt.

 

2. Schritt - Hintergrund extrahieren

Ich starte jetzt unter "Pixelarithmetik" die Hintergrund-Synthese und bekomme einen nicht ganz optimalen Extrakt des Hintergrundes. 

Zum einen wird klar, dass der Helligkeitsmittelpunkt der Vignettierung nicht dort lag, wo ich ihn vermutet hatte. Zum anderen sind die weißen Bereiche etwas zu groß und der extrahierte Hintergrund reicht nicht bis zum Rand. Ich könnte jetzt Vorder- und Hintergrundfarbe neu wählen, ziehe es aber vor, in beiden etwas Toleranz zu geben, was ungefähr den gleichen Effekt hat.

So sieht der extrahierte Hintergrund schon recht gut aus. Bitte bedenken: Das eigentliche Objekt, in diesem Fall M1, sollte sich mit ausreichend Abstand im weißen Bereich befinden.

 

3. Schritt - Lücken füllen

Wir aktivieren nun die nächste Checkbox und lassen die weißen Lücken aus den Pixeln im Umkreis interpolieren.

Das Ergebnis sollte ein synthetischer Hintergrund sein, auf dem nichts von M1 oder einzelnen Sternen zu sehen ist und der eigentlich nur das darstellt, was auf dem Originalbild überflüssig ist und entfernt werden kann. Bis auf einen Schatten des hellen Sternes links unten ist das eigentlich auch gut gelungen. Diesen Schatten kann man noch minimieren, indem man den Weichzeichner etwas stärker einstellt, das würde aber dazu führen, dass das Flatfield weniger gut zum Originalbild passt. Deshalb lasse ich es mal so.... 

 

4. Schritt - Flatfield subtrahieren oder addieren

Ich wähle zunächst "Flatfield subtrahieren". Um das Ergebnis besser beurteilen zu können, habe ich die Helligkeit der Vorschaufenster etwas erhöht.

Das Ergebnis sieht schon recht gut aus. Der Nebel ist nicht merklich abgeschwächt, der Hintergrund ist aber sehr schön eben. Über die Regler der Hintergrund-Anhebung habe ich den Hintergrund auf 20/20/25 eingestellt. Dennoch benutze ich lieber die Funktion "Flatfield addieren", die ein etwas anderes Ergebnis produziert:

Ich habe den Helligkeits-Regler wieder zurückgedreht und die Hintergrund-Anhebung steht auf 0/0/0. Trotzdem bekomme ich ein ebenes Bild mit hellem Nebel und hellem Hintergrund. Kurz ein Wort zum Unterschied der beiden Funktionen:

a) "Flatfield subtrahieren" ist eigentlich die klassische Methode, um eine Vignettierung zu entfernen. Es entspricht der Ebenen-Funktion "Differenz" im Photoshop. Die erzielte Wirkung ist, dass die hellen Bereiche des Bildes bis auf das Niveau des Hintergrundes abgesenkt werden. Vom eigentlichen Informationsgehalt sollte dabei theoretisch nichts verloren gehen. Um das Bild aber wieder so aufzuhellen, dass das Objekt gut herauskommt, muss jedoch ein künstlicher Wert zum Hintergrund addiert werden und man bekommt ein etwas "gequältes" Histogramm.

b) "Flatfield addieren" geht einen anderen Weg. Das erzeugte künstliche Flatfield wird invertiert und um den Wert der Vordergrundfarbe+Vordergrundtoleranz abgesenkt. Danach hat das Flatfield an der ehemals hellsten Stelle den Wert 0/0/0. Dieses inverse Flatfield wird jetzt zum Ursprungsbild addiert, was im Photoshop der Ebenenfunktion "umgekehrt multiplizieren" entspricht. Dadurch werden die dunklen Ranbereiche angehoben, nicht die Mitte abgesenkt. Der Nebel selbst bleibt also vor seinem ursprünglichen natürlichen Hintergrund.

 

5. Schritt - Flatfield erstellen

Da ich mit der Vorschau soweit zufrieden bin, klicke ich jetzt auf "Flatfield erstellen". Mein Originalbild stammt von einer Canon EOS 20D und hat immerhin 8 Megapixel - das kann also etwas dauern. Außerdem hat mein Originalbild eine Farbtiefe von 12Bit pro Pixel und hat damit eine Dynamik, die ich durch den Zwischenschritt in AstroWorks nicht verlieren möchte. Ich habe AstroWorks deshalb so eingestellt, dass es überhaupt kein neues Bild erstellt, sondern nur die Zwischenschritte per Autosave abspeichert.

 

6. Schritt - Weiterverarbeitung im Photoshop

Nachdem die einzelnen Schritte mit dem Originalbild durchgelaufen sind, kann ich AstroWorks schließen und öffne mein Originalbild und das inverse Flatfield im Photoshop. Das inverse Flatfield wurde automatisch als AS1_InversFlat_M1.tif abgespeichert

Mein Flatfield ist nicht weichgezeichnet und enthält deshalb schwarze Löcher, wo sich im Originalbild Sterne befinden. Keine Sorge - wir rutschen jetzt nicht in die Astrophysik:-)

Im Photoshop CS oder CS2 kann ich das Flatfield jetzt auf 16 Bit Farbtiefe konvertieren. Das bringt zwar zunächst überhaupt nichts - wenn wir jedoch später einen Weichzeichner anwenden, werden von diesem auch die harten 8-Bit-Übergänge in der Farbdynamik geglättet. Zunächst kopieren wir einfach unser Flatfield, kopieren ist in das Originalbild und wählen die Ebenenfunktion "umgekehrt multiplizieren"

Das Ergebnis entspricht dem aus der Vorschau in AstroWorks - mit dem Unterschied, dass die Maske bisher nicht weichgezeichnet ist. Dadurch werden zwar die Hinterlassenschaften von Staubpartikeln perfekt eliminiert, der Hintergrund sieht aber sehr künstlich aus, weil er absolut glatt und ohne jedes natürliche Rauschen ist. Das schauen wir uns jetzt vergrößert am hellen Stern links oben an.

Hier sieht man es ganz deutlich - der Übergang zischen Stern und Hintergrund hört abrupt auf und endet in einem absolut glatten Hintergrund, der irgendwie künstlich aussieht. Um diesen Effekt zu verhindern, müssen wir die Maske weichzeichnen. Das können wir direkt in unserem aktuellen Bild, das aus zwei Ebenen besteht, machen. Der Filter wirkt ja nur auf die angewählte Ebene. Wir benutzen einen gaußschen Weichzeichner und erhöhen den Radius langsam, bis der Hintergrund und die Übergänge wieder natürlich aussehen.

Nach Reduzierung der Ebenen auf eine bekommen wir ein Ergebnis, das noch ein "vernünftiges" Histogramm hat, mit dem wir über die Tonwert-Korrektur und die Gradiations-Kurven zu einem befriedigendem Endergebnis kommen.

Ein kleiner Rest der Vignettierung ist immer noch zu sehen. Die kann man nun mit konventionellen Methode entfernen, oder man fängt in AstroWorks von vorne an....

Unterm Strich ist eines gelungen: Wir haben unser gesamtes Bildfeld nutzbar gemacht. Der Hintergrund ist absolut eben und unserem M1 hat es nicht geschadet!

Zum Schluß noch einige weitere Beispiele dieser Funktion