Technik und Anwendungsbeispiele für Pixel-Binning

Mehrere Pixel kombiniert

CCD-Sensoren können unterschiedlich ausgelesen werden, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern.

CCD-Sensoren werden in der Astrofotografie vielseitig eingesetzt. Je nach Zweck können dabei die ausgelösten Ladungen unterschiedlich ausgelesen werden, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) zu verbessern und nebenbei auch den Ausleseprozess zu beschleunigen. Am häufigsten wird dabei das sogenannte Pixel-Binning verwendet.

Pixel-Binning bezeichnet das Kombinieren der Signale mehrerer benachbarter Pixel. Typischerweise werden quadratische Bereiche von 2×2 oder 3×3 Pixeln zusammengelegt, was 2-fach bzw. 3-fach Binning entspricht. Im Gegenzug wird die Auflösung der Aufnahme reduziert. Ob dies zweckdienlich oder gerechtfertigt ist, hängt von der Situation ab.

Das Rauschen in einem CCD-Bild hat mehrere Ursachen. Neben der reinen Photonenstatistik kommt ein Teil des Rauschens von der Kamera selbst. Neben dem thermischen Rauschen entsteht es bei Signalauslese und -verstärkung und betrifft jedes Pixel individuell. Dies wird als Ausleserauschen bezeichnet. Betrachtet man eine Fläche von 2×2 Pixeln, fällt dieses Rauschen ohne CCD-Binning für alle vier Pixel an. Wenn die Werte der vier Pixel nachträglich zusammengefasst werden, summiert sich das Rauschen der Pixel mit der Wurzel der Quadratsumme:

σgesamt=σ12+σ22+σ32+σ42+

Die Größen σ1 bis σ4 bezeichnen die Rausch-Elektronen der einzelnen Pixel und σgesamt das Rauschen des gesamten ungebinnten Bereich. Aus einem Elektron Rauschen pro Pixel werden so also zwei Elektronen nach Addition. Angenommen jedes der vier betrachteten Pixel enthielte ein Elektron Objektsignal, so summiert sich dieses linear zu vier Elektronen. Das SNR ist somit 2:4.

Beim Binning wird der Prozessablauf geändert. Bevor es zur Verstärkung kommt, werden die gesammelten Ladungen der Pixel im Register aufaddiert. Somit fällt das Rauschen nur einmal an, im vorigen Beispiel ein Elektron Rauschen gegenüber vier Elektronen Signal. Das SNR des Ausleserauschens ist mit 1:4 also um den Faktor 2 besser.

Viele Bildverarbeitungsprogramme bieten die Option, ein Binning nachträglich durchzuführen. Dieses Software-Binning verfehlt jedoch einen Teil des gewünschten Effekts. Das SNR verbessert sich, jedoch ohne Optimierung des Ausleserauschens.

Mit Hilfe des CCD-Binnings können Arbeitsschritte bei der Deep-Sky-Fotografie vereinfacht und beschleunigt werden. Dank der kürzeren Auslese- und Downloadzeiten geht die grobe Fokussierung mit 3×3 Binning sehr schnell. Durch das verbesserte SNR werden auch schwache Nebel bereits mit wenigen Sekunden Belichtungszeit sichtbar, was das Einstellen des Bildausschnitts erleichtert. Häufig wird das 2-fach Binning auch bei der Herstellung von LRGB-Kompositen verwendet. Dabei wird ausgenutzt, dass die RGB-Kanäle lediglich dem Einfärben des Bildes dienen und die Schärfe in der Luminanz enthalten ist. Eine geringere Auflösung bei den RGB-Kanälen fällt daher nicht auf, weswegen hier gerne ein 2-fach Binning genutzt wird, um ein besseres SNR zu erhalten und das "Farbrauschen" zu verringern.

Es gibt noch andere Situationen, in denen Binning sinnvoll ist, insbesondere in der messenden Astronomie: Dazu gehört z. B. die Suche nach Kleinplaneten. Diese Disziplin birgt eine besondere Anforderung dadurch, dass die Objekte in relativ kurzer Zeit ihre Position merklich ändern. Schon nach wenigen Minuten kann sich das Objekt bereits so weit bewegt haben, dass es das Pixel gewechselt hat. Eine noch längere Belichtungszeit bringt dann keinen Gewinn. Ist das Objekt sehr schwach, ist es gegebenenfalls im Rauschen unsichtbar. Geht es also darum, sehr schwache Kleinplaneten zu vermessen, stellt das Binning eine mögliche Lösung dar, wobei durch die einhergehende Reduktion der Auflösung die Positionsbestimmung ungenauer wird.

Sehr interessant ist das Binning auch für die Spektroskopie, wenn das Abbild eines Lichtspalts in die Spektralfarben aufgespalten wird. Für eine hohe spektrale Auflösung ist nur eine hohe Abtastrate orthogonal zum Spalt relevant. Somit können Pixel entlang des Spaltbildes ohne Auflösungsverlust gebinnt werden, um das SNR zu verbessern.

In der Grafik sieht man eine schematische Darstellung des normalen Auslesemodus links und mit 2-fach Binning rechts. Zunächst werden 2×2 Pixel gleichmäßig mit einem Stern-Scheibchen belichtet und sammeln je zehn Elektronen. Danach beginnt der Auslesevorgang durch Verschieben der Elektronen zum Ausleseregister (rot). Im dritten Schritt beginnen die Unterschiede. Ohne Binning werden die Ladungen für jedes Pixel einzeln zum Verstärker nach rechts verschoben. Mit Binning wird gleich die nächste Zeile in das Register geschoben und zur ersten addiert. Durch horizontale Verschiebung im Register werden beim Binning schließlich die Ladungen aller vier Pixel im Verstärker gesammelt. Damit ist der Vorgang abgeschlossen, wohingegen das Auslesen der einzelnen Pixel noch zwei Schritte mehr benötigt und somit länger dauert.

Bei Farbsensoren ist echtes Binning nicht möglich, da benachbarte Pixel mit verschiedenen Farbfiltern ausgestattet sind und somit nicht sinnvoll kombiniert werden können. Auch wenn Bildverarbeitungsprogramme dies anbieten, handelt es sich um ein nachträgliches Software-Binning.

Weiterhin eignet sich der CMOS-Chip im Allgemeinen nicht für das echte Binning. Bedingt durch seine grundlegende Struktur werden alle Pixel einzeln ausgelesen und verstärkt, sodass zwangsläufig immer das Ausleserauschen für jedes Pixel anfällt. Das für das Binning notwendige Ausleseverfahren existiert hier nicht. Daher führt Pixel-Binning bei CMOS-Chips nicht zu dem gewünschten Effekt eines reduzierten Ausleserauschens. Hier sind CCD-Chips also klar im Vorteil.

Autor: Mario Weigand / Lizenz: Oculum-Verlag GmbH