NB Extract – Hα und OIII aus Dualband-Aufnahmen mit PixInsight extrahieren
Einleitung
Dualbandfilter sind bei der Deep-Sky-Fotografie mit Farbkameras eine beliebte Möglichkeit, Emissionsnebel auch unter lichtverschmutztem Himmel aufzunehmen. Filter wie der Optolong L-eXtreme, L-Ultimate oder vergleichbare Modelle lassen vor allem die Emissionslinien von Wasserstoff (Hα) und doppelt ionisiertem Sauerstoff ([OIII]) passieren. Aus einer einzigen OSC-Aufnahme entsteht damit ein Bild, das Informationen aus zwei unterschiedlichen Spektralbereichen enthält.
Bei der anschließenden Bildbearbeitung stellt sich allerdings eine Frage: Wie lassen sich die beiden Emissionslinien möglichst sauber voneinander trennen?
Genau hier setzt das PixInsight-Skript NB Extract an. Es verfolgt einen interessanten Ansatz, der über die übliche Aufteilung der Farbkanäle hinausgeht. Anstatt Hα und OIII anhand festgelegter Farbanteile zu isolieren, versucht das Skript, die tatsächliche spektrale Mischung des verwendeten Kamera- und Filtersystems anhand von Sternen im aufgenommenen Bild zu bestimmen.
Das Skript ist Teil der Lighthouse Suite, einer Sammlung von Erweiterungen für PixInsight.
Das Problem: Zwei Emissionslinien in einer Farbaufnahme
Bei einer typischen Dualbandaufnahme werden Hα und OIII gleichzeitig auf dem Kamerasensor registriert. Die beiden Emissionslinien gelangen dabei nicht ausschließlich auf jeweils einen bestimmten Farbkanal.
Hα liegt im roten Spektralbereich bei rund 656,3 nm. OIII wird üblicherweise bei 500,7 nm aufgenommen und liegt damit im blaugrünen Bereich. Durch die spektrale Empfindlichkeit des Sensors, die Durchlasskurven des Filters und die Bayer-Matrix einer OSC-Kamera verteilt sich das Signal jedoch auf mehrere Farbkanäle.
Eine einfache Extraktion über den Rotkanal für Hα und den Grün- beziehungsweise Blaukanal für OIII liefert deshalb keine vollständig voneinander getrennten Emissionslinien. Beide Signale können sich in den extrahierten Bildern überlagern.
Das ist insbesondere bei Objekten relevant, deren Hα- und OIII-Anteile sehr unterschiedlich ausgeprägt sind. Ein starkes Hα-Signal kann beispielsweise auch in einem vermeintlichen OIII-Bild sichtbar bleiben. Umgekehrt kann eine einfache Kanalaufteilung dazu führen, dass ein Teil des tatsächlich vorhandenen Signals nicht korrekt berücksichtigt wird.
Die Trennung ist deshalb nicht nur eine Frage der Farbgebung. Sie beeinflusst auch, wie unabhängig sich die beiden Emissionslinien später bearbeiten und kombinieren lassen.
Wie arbeitet NB Extract?
Der Ansatz von NB Extract unterscheidet sich von einer einfachen Farbkanalextraktion. Das Skript versucht, die spektrale Überlagerung nicht nur anhand allgemeiner Annahmen über eine Kamera zu modellieren, sondern aus den Sternen in der eigenen Aufnahme abzuleiten.
Dafür nutzt es den Gaia-DR3/SP-Sternkatalog. Die darin verfügbaren spektralen Informationen dienen als Referenz, um die Eigenschaften geeigneter Sterne mit den tatsächlich in der Aufnahme registrierten Signalen zu vergleichen.
Aus diesen Messungen wird eine individuelle Mischmatrix abgeleitet. Sie beschreibt vereinfacht, wie die beiden betrachteten Emissionslinien im jeweiligen Kamera- und Filtersystem miteinander vermischt erfasst werden. NB Extract verwendet diese Information anschließend, um die Signalanteile rechnerisch zu entmischen und getrennte Bilder zu erzeugen.
Der Vorteil dieses Ansatzes liegt darin, dass die Trennung nicht ausschließlich auf einer pauschalen Annahme über die Farbkanäle basiert. Die Kalibrierung berücksichtigt stattdessen die konkrete Aufnahme und die darin erfassten Sterne.
Dabei ist eine wichtige Voraussetzung zu beachten: Das Skript benötigt ein astrometrisch gelöstes Bild, damit die Sterne mit dem Katalog abgeglichen werden können. Eine beliebige, nicht plate-gelöste Aufnahme reicht für diesen Kalibrierungsansatz also nicht aus.
Welche Emissionslinien lassen sich trennen?
Die typische Anwendung ist die Trennung von Hα und OIII aus einer Dualbandaufnahme mit einer One-Shot-Color-Kamera.
Die Möglichkeiten beschränken sich laut Entwickler allerdings nicht auf diese Kombination. Auch andere Linienpaare, beispielsweise SII/OIII oder SII/Hβ, sowie benutzerdefinierte Kombinationen werden unterstützt.
Welche Kombination sinnvoll ist, hängt natürlich davon ab, welche Spektralbereiche der verwendete Filter überhaupt durchlässt. Ein Skript kann keine Emissionslinie rekonstruieren, die bei der Aufnahme nicht ausreichend erfasst wurde.
Gerade bei den üblichen Dualbandfiltern für OSC-Kameras dürfte die Kombination aus Hα und OIII für die meisten Anwender der wichtigste Anwendungsfall sein.
Der praktische Ablauf in PixInsight
NB Extract ist als Skript in PixInsight integriert. Nach der Installation über die Lighthouse Suite lässt es sich über folgenden Menüpfad aufrufen:
Scripts → Lighthouse Suite → NBExtractPI
Der grundlegende Ablauf lässt sich in mehrere Schritte unterteilen.
1. Eine geeignete Aufnahme vorbereiten
Zunächst benötigt man eine geeignete Dualbandaufnahme, in der sowohl Hα als auch OIII erfasst wurden. Für den vorgesehenen Kalibrierungsprozess muss das Bild astrometrisch gelöst sein.
Für reproduzierbare Ergebnisse empfiehlt es sich, mit einem sauber kalibrierten und registrierten Datensatz zu beginnen. Gradienten, Rauschen und andere Bildfehler sollten bei der späteren Beurteilung der extrahierten Kanäle berücksichtigt werden.
2. Filter und Emissionslinien auswählen
Im Skript werden die zu trennenden Emissionslinien und die zugehörigen Einstellungen festgelegt. Für eine typische Dualbandaufnahme sind das Hα und OIII.
Die Auswahl muss zur spektralen Durchlasscharakteristik des verwendeten Filters passen. Die Bezeichnung eines Filters allein ersetzt dabei nicht die Prüfung, welche Emissionslinien tatsächlich aufgenommen wurden.
3. Kalibrierung und Entmischung durchführen
NB Extract wertet die geeigneten Sterne im Bild anhand des Gaia-Katalogs aus und ermittelt daraus die Mischungsverhältnisse. Die resultierende Mischmatrix wird anschließend zur Trennung der Emissionslinien verwendet.
Für die Feinabstimmung bietet das Skript eine automatische Einstellung des Q-Parameters sowie die Möglichkeit zur manuellen Anpassung. Damit kann der Anwender das Ergebnis auf eine möglichst saubere Trennung abstimmen.
4. Die Ergebnisse überprüfen
Nach der Extraktion sollten beide Kanäle einzeln beurteilt werden. Besonders interessant ist dabei, ob Strukturen, die hauptsächlich einer Emissionslinie zuzuordnen sind, im jeweils anderen Kanal noch deutlich sichtbar bleiben.
Allerdings ist nicht jede Struktur, die in beiden Bildern vorkommt, automatisch ein Extraktionsfehler. In vielen Emissionsnebeln sind Hα und OIII tatsächlich räumlich überlagert oder weisen ähnliche Strukturen auf.
Entscheidend ist daher, ob die Ergebnisse plausibel sind und ob sich die beiden Kanäle für die anschließende Bildbearbeitung sinnvoll getrennt verwenden lassen.
Was bringt die Trennung für die weitere Bildbearbeitung?
Der größte praktische Vorteil liegt in der Möglichkeit, Hα und OIII zunächst unabhängig voneinander zu bearbeiten.
Wer mit PixInsight arbeitet, kann die extrahierten Bilder beispielsweise getrennt entrauschen, den Kontrast anpassen oder unterschiedliche Strukturen gezielt herausarbeiten. Auch bei der späteren Farbzuordnung ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten.
Bei einer HOO-Komposition lässt sich beispielsweise Hα dem roten und OIII dem blaugrünen Farbanteil zuordnen. Wenn die beiden Ausgangskanäle weniger stark miteinander vermischt sind, kann die Bearbeitung gezielter erfolgen, ohne dass ein Signalanteil des jeweils anderen Kanals unnötig mitverstärkt wird.
Auch bei der selektiven Bearbeitung von Nebelstrukturen kann eine getrennte Verarbeitung hilfreich sein. Das gilt besonders für Objekte, bei denen die Verteilung von Hα und OIII deutlich voneinander abweicht.
Dabei sollte man allerdings nicht erwarten, dass NB Extract aus einer einzigen OSC-Aufnahme zwei vollständig unabhängige Messungen erzeugt, die einer separaten Aufnahme mit einer Monokamera und jeweils einem schmalbandigen Filter gleichkommen. Die beiden Signale wurden weiterhin mit demselben Sensor, durch denselben Filter und unter denselben Aufnahmebedingungen registriert. Die Entmischung ist eine rechnerische Rekonstruktion auf Basis eines Modells.
Wo liegen die Grenzen?
So interessant der Ansatz ist, einige Einschränkungen sollte man berücksichtigen.
Die Qualität der Kalibrierung ist entscheidend. Das Skript ist auf geeignete Sterne und einen erfolgreichen Abgleich mit dem Gaia-Katalog angewiesen. Wie zuverlässig die ermittelte Mischmatrix ist, hängt unter anderem davon ab, wie gut die verwendeten Sternmessungen für die Kalibrierung geeignet sind.
Die Entmischung kann das ursprüngliche Signal nicht beliebig verbessern. Wenn eine Emissionslinie nur sehr schwach aufgenommen wurde oder im Signal-Rausch-Verhältnis kaum vom Hintergrund zu unterscheiden ist, kann das Skript keine zusätzlichen realen Informationen erzeugen. Eine rechnerische Trennung kann zudem Rauschen und Messunsicherheiten verstärken.
Nicht jede Kombination von Kamera und Filter ist gleich gut geeignet. Sensorcharakteristik, Filterdurchlass und die tatsächlich registrierten Signalanteile beeinflussen, wie gut sich die beiden Linien voneinander unterscheiden lassen. Eine erfolgreiche Trennung bei einer bestimmten Ausrüstung garantiert daher keine identischen Ergebnisse mit einem anderen Setup.
Die extrahierten Kanäle müssen kritisch geprüft werden. Ein optisch ansprechendes Ergebnis ist noch kein Nachweis dafür, dass die Trennung physikalisch korrekt ist. Gerade bei schwachen Strukturen und Objekten mit stark unterschiedlichen Emissionsanteilen lohnt sich der Vergleich mit einer einfachen Kanalextraktion und – sofern vorhanden – mit separat aufgenommenen Schmalbanddaten.
Durch die getrennte Extraktion lassen sich die einzelnen Kanäle in PixInsight gezielt und unabhängig voneinander bearbeiten. Besonders anschaulich zeigt sich dieser Vorteil am Beispiel von WR 134: Mithilfe des Skripts NB Extract konnte ich den OIII-Anteil aus der Dualbandaufnahme extrahieren und anschließend separat bearbeiten.
Fazit
NB Extract ist ein interessanter Ansatz für Astrofotografen, die mit einer OSC-Kamera und einem Dualbandfilter arbeiten und mehr Kontrolle über die anschließende Hα-/OIII-Bearbeitung gewinnen möchten.
Besonders interessant ist die Idee, die spektrale Überlagerung anhand der Sterne in der eigenen Aufnahme zu bestimmen, anstatt sich ausschließlich auf eine feste Kanalaufteilung zu verlassen. Damit geht das Skript einen Schritt über die klassische Extraktion von Farbkanälen hinaus.
Ob sich dadurch im konkreten Fall tatsächlich bessere Ergebnisse erzielen lassen, sollte man anhand eigener Aufnahmen prüfen. Insbesondere bei stark unterschiedlichen Hα- und OIII-Anteilen könnte sich ein Vergleich mit der herkömmlichen Extraktion lohnen.
Für Anwender, die ihre Schmalbanddaten in PixInsight gezielt weiterverarbeiten und dabei Wert auf eine möglichst unabhängige Bearbeitung der Emissionslinien legen, ist NB Extract jedenfalls einen näheren Blick wert.
