Platesolving/astrometrische Lösung

Die astrometrische Lösung ist ein wichtiger Schritt in der astronomischen Bildverarbeitung. Sie ermöglicht es, das Bild mit den Himmelskoordinaten zu verknüpfen und so den Bildausschnitt am Himmel zu platzieren. Viele der Siril-Tools, wie z. B. das Tool zur photometrischen Farbkalibrierung, benötigen die Koordinaten des Bildes mit ausreichender Genauigkeit, um zu funktionieren.

Die Astrometrie in Siril kann mit zwei verschiedenen Werkzeugen durchgeführt werden :

• Das dedizierte Werkzeug, welches nur das tut und über das Menü Hamburger-Menü ‣ Bildinformation ‣ Astrometrische Lösung (Plate Solving) zugänglich ist. Es ist auch möglich, die Tastenkombination Strg + Umschalttaste + A zu verwenden.

Dialog Astrometrische Lösung

• Verwendung des Werkzeugs Photometrische Farbkalibrierung, das auf demselben Werkzeug basiert, aber um die Analyse der Sternfarben und den Vergleich mit den Sternfarben in Katalogen erweitert wurde, um die Farbe des Bildes anzupassen, verfügbar im Menü :menüauswahl:`Bildverarbeitung --> Farbkalibrierung --> Photometrische Farbkalibrierung` oder mit der Tastenkombination Strg + Umschalt + P.

Werkzeug zur photometrischen Farbkalibrierung

• Durch Benutzung des Befehls platesolve, eingeführt in Siril 1.2.

Seit Version 1.2 kann die astrometrische Lösung mit zwei verschiedenen Algorithmen durchgeführt werden. Der erste war bis zu dieser Version der einzige in Siril, er basiert auf dem Sternabgleichsalgorithmus der globalen Registrierung und versucht, Bilder auf ein virtuelles Bild eines Katalogs mit demselben Gesichtsfeld zu registrieren. Das zweite ist neu, es benutzt ein externes Programm namens solve-field aus der Astrometry.net Suite, das lokal installiert wird. Für Windows-Plattformen ist der einfachste Weg, es zu bekommen, ansvr zu benutzen.

Für astrometrische Lösungen müssen einige Parameter ermittelt werden, z. B. die Abtastrate. Das Fenster des Tools hilft bei der Erfassung dieser Parameter. Wir werden nun sehen, wie man sie korrekt ausfüllt.

Bildparameter

Zielkoordinaten

Die Suche nach einer astrometrischen Lösung ist einfacher und schneller, wenn wir ungefähr wissen, wo wir suchen. Sirils Plate-Solver muss, da er einen Katalog mit dem Bild vergleicht, die ungefähre Position des Bildmittelpunkts kennen, um den richtigen Katalogauszug zu erhalten. Astrometry.net hat alle Kataloge, die es braucht lokal gespeichert, so dass sie alle durchsucht werden können, um eine Lösung zu finden, aber es ist natürlich viel schneller, anzugeben anfangen werden soll.

Die Aufnahmesoftware steuert heutzutage oft auch das Teleskop und sollte die ungefähren Koordinaten kennen, an denen das Bild aufgenommen wurde. In diesem Fall werden diese Koordinaten bei Verwendung des FITS-Formats in den Metadaten des Bildes, dem FITS-Header, angegeben. Das ist nicht immer der Fall, und schon gar nicht, wenn RAW-DSLR-Bilder anstelle von FITS erstellt werden.

Beim Öffnen der Fenster "Astrometrische Lösung" oder "Photometrische Farbkalibrierung" werden die Metadaten des aktuellen Bildes geladen und im Fenster angezeigt. Wenn oben keine Koordinaten erscheinen oder RA und Dec gleich Null sind, ist eine Benutzereingabe erforderlich. Wenn Sie überhaupt nicht wissen, um welches Bild es sich handelt, verwenden Sie eine Blindlösung mit astrometry.net. Andernfalls geben Sie äquatoriale J2000-Koordinaten an, die so nahe wie möglich am Zentrum des Bildes liegen, indem Sie entweder die Felder ausfüllen, wenn Sie die Koordinaten bereits kennen, oder indem Sie eine Abfrage mit einem Objektnamen machen (noch nicht über den Befehl möglich).

Das Textfeld oben links im Fenster ist das Suchfeld. Wenn Sie ENTER drücken oder auf die Schaltfläche Suchen klicken, wird eine Web-Anfrage zur Umwandlung des Objektnamens in Koordinaten gestellt. Es können mehrere Ergebnisse mit dem eingegebenen Namen gefunden werden, sie werden in der Liste unten angezeigt. Durch Auswahl eines Ergebnisses werden die Koordinaten im oberen Bereich aktualisiert.

Es ist auch möglich, den Server auszuwählen, auf dem die Abfrage ausgeführt werden soll. Dies ändert die Ergebnisse nicht wesentlich, aber manchmal kann einer der Server offline sein, so dass andere als Backup fungieren. Auswahl zwischen CDS, VizieR und SIMBAD (Standard).

Bemerkung

Wenn das Objekt nicht gefunden wird, ändern Sie bitte den Namen, den Sie eingeben: Sie müssen den Namen verwenden, der im astronomischen Katalog verwendet wird. Zum Beispiel für den Blasennebel/Bubble nebula geben Sie bitte NGC 7635 und nicht Blasennebel oder Bubble nebula ein.

Die Koordinatenfelder werden automatisch ausgefüllt, aber Sie können auch Ihre eigenen Koordinaten eingeben. Vergessen Sie nicht, das Feld "S" anzukreuzen, wenn sich das gesuchte Objekt auf der Südhalbkugel des Himmels befindet (negative Deklinationen).

Abtastrate

Die Abtastrate ist der wichtigste Parameter für die Ermittlung der astrometrischen Lösung. Sie wird in Bogensekunden pro Pixel angegeben und gibt an, wie stark das Bild auf den Himmel gezoomt ist, d. h. wie breit das zu suchende Feld ist.

Sie wird von zwei Parametern abgeleitet: Brennweite und Pixelgröße. Sie sind häufig auch in den Metadaten des Bildes verfügbar. Wenn sie nicht aus der Bilddatei verfügbar sind, werden die in den Einstellungen gespeicherten Werte verwendet. Die Werte der Bilder und der Einstellungen können über den Dialog Information eingestellt werden. Überprüfen Sie in jedem Fall den angezeigten Wert vor der astrometrischen Lösung und korrigieren Sie ihn gegebenenfalls. Wenn eine astrometrische Lösung gefunden wird, werden die Standardwerte für Brennweite und Pixelgröße überschrieben. Dieses Verhalten kann in den Einstellungen deaktiviert werden.

Warnung

Wenn Binning verwendet wurde, sollte es im FITS-Header angegeben sein, aber dies kann auf zwei Arten geschehen: Die Pixelgröße kann gleich bleiben und der Binning-Multiplikator sollte zur Berechnung des Samplings verwendet werden, oder die Pixelgröße wird bereits von der Erfassungssoftware multipliziert. Je nach Fall kann eine der beiden Formen in den Voreinstellungen oder im Fenster Informationen gewählt werden.

Die Pixelgröße ist in den technischen Daten der astronomischen Kameras angegeben und kann im Allgemeinen im Internet für DSLR- oder andere Kameras gefunden werden. Es gibt nur eine begrenzte Anzahl verwendeter Bildsensoren und die Daten der meisten Sensoren sind bekannt.

Die Brennweite hängt vom Hauptinstrument, aber auch vom Backfocus und den verwendeten Korrektur- oder Zoomobjektiven ab. Geben Sie einen Wert an, der Ihrer Meinung nach der effektiven Brennweite am nächsten kommt. Wenn eine astrometrische Lösung gefunden wird, wird die berechnete Brennweite in den Ergebnissen gespeichert, und Sie können diese in Ihrer Aufnahmesoftware und für künftige Verwendungen des Tools wiederverwenden.

Wenn eines der Felder aktualisiert wird, wird die Abtastrate neu berechnet und im Fenster angezeigt (hier "Auflösung" genannt). Achten Sie darauf, dass der Wert so nah wie möglich an der Realität ist.

Andere Parameter

Schließlich gibt es noch drei Schaltflächen am unteren Rand des Dialogs, die Sie umschalten können:

1. Bilder herunterrechnen: Diese Option führt ein Downsampling des Eingabebildes durch, bevor versucht wird, es zu lösen. Dies ist in einigen Fällen für gedrizzelte Bilder nützlich und beschleunigt den Prozess. Die Größe des Ausgangsbildes bleibt dabei unverändert.

2. Wenn das Bild von der astrometrischen Lösung als auf dem Kopf stehend erkannt wird und die Option Bild bei Bedarf spiegeln aktiviert ist, wird es am Ende gespiegelt. Dies kann je nach Aufnahmesoftware nützlich sein, wenn das Bild nicht die richtige Ausrichtung hat, wenn es in Siril angezeigt wird (siehe mehr Erläuterungen).

3. Automatischer Crop (für Weitfeld): Wenn diese Option aktiviert ist, wird nur in der Mitte des Bildes eine eine astrometrische Lösung durchgeführt. Dies macht man nur bei Bildern mit einem großem Bildfeld (größer als 5 Grad), bei denen Verzerrungen außerhalb des Zentrums groß genug sind, um das Werkzeug zu behindern. Wird bei Verwendung des astrometry.net-Solvers ignoriert.

Katalogparameter

Standardmäßig ist dieser Bereich inaktiv, da alles auf automatisch eingestellt ist. Wenn Sie das Kästchen "Automatisch" deaktivieren, können Sie den Online-Katalog auswählen, der für die astrometrische Lösung verwendet wird, was von der Auflösung des Bildes abhängen kann. Die Auswahl erfolgt zwischen:

• TYCHO2, ein Katalog mit Positionen, Eigenbewegungen und zweifarbigen photometrischen Daten für 2.539.913 der hellsten Sterne in der Milchstraße.

• NOMAD, eine einfache Zusammenführung von Daten aus den Katalogen Hipparcos, Tycho-2, UCAC2, Yellow-Blue 6 und USNO-B für Astrometrie und optische Photometrie, ergänzt durch 2MASS Nahinfrarot. Der fast 100 GB große Datensatz enthält astrometrische und photometrische Daten für etwa 1,1 Milliarden Sterne.

• Gaia DR3, veröffentlicht am 13. Juni 2022. Die astrometrische Lösung mit fünf Parametern, Positionen am Himmel (α, δ), Parallaxen und Eigenbewegungen, wird für etwa 1,46 Milliarden Quellen mit einer Grenzgröße von G = 21.

• PPMXL, ein Katalog mit Positionen, Eigenbewegungen, 2MASS- und optischer Photometrie von 900 Millionen Sternen und Galaxien.

• Bright Stars, ein Sternkatalog, der alle Sterne mit einer Sterngröße von 6,5 oder heller auflistet, d. h. ungefähr alle von der Erde aus mit bloßem Auge sichtbaren Sterne. Der Katalog enthält 9.110 Objekte.

Bemerkung

Für die Nutzung dieser Online-Kataloge ist eine Internetverbindung erforderlich.

Die Option Katalog Mag-Limit ist eine Option, mit der Sie die Helligkeit der im Katalog gefundenen Sterne begrenzen können. Der automatische Wert wird anhand der Bildauflösung berechnet.

Lokale Kataloge verwenden

Mit der Version 1.1, die im Juni 2022 erschien, war es möglich, einen lokal installierten Sternkatalog zu verwenden, um den Funktion ohne Internetverbindung und mit größerer Ausfallsicherheit zu gewährleisten. Der Sternkatalog, den wir für unsere Bedürfnisse am besten geeignet fanden, ist der von KStars. Er besteht in der Tat aus vier Katalogen (dokumentiert hier in KStars), von denen zwei nicht direkt in den KStars-Installationsdateien enthalten sind:

• namedstars.dat, die hellsten Sterne, die alle einen Namen haben

• unnamedstars.dat, ebenfalls helle Sterne, aber bis zur Größenklasse 8

• deepstars.dat, schwächere Sterne aus dem Tycho-2-Katalog der 2,5 Millionen hellsten Sterne, bis zur Helligkeit 12,5

• USNO-NOMAD-1e8.dat, ein Auszug aus dem riesigen NOMAD-Katalog, der sich auf photometrische B-V-Informationen und die Eigenbewegung von Sternen in kompakter Form bis zur Helligkeit 18 beschränkt.

Beim Vergleich dieser Kataloge mit dem Online-Katalog NOMAD kann man leicht feststellen, dass viele Sterne fehlen. Wenn nicht genügend Sterne für Ihr enges Sichtfeld gefunden werden, sollten Sie trotzdem die Remoteabfrage verwenden. Wenn die Kataloge installiert sind, kann man mit dem Befehl nomad überprüfen, welche Sterne des Bildes für die PCC verwendet werden, nämlich diejenigen, die mit photometrischen Informationen in den Katalogen verfügbar sind.

Download

Die ersten beiden Dateien sind im KStars-Quelltext verfügbar, der Tycho-2-Katalog aus einem Debian-Paket und der NOMAD-Katalog ebenfalls aus KStars-Dateien, wie in diesem kleinen Artikel zur KStars-Installation dokumentiert. Es gibt mehrere weltweite Spiegel wie in den Artikeln angegeben.

Um es den Siril-Benutzern und möglicherweise auch den KStars-Benutzern leichter zu machen, stellen wir die vier Dateien an einem einzigen Ort und in einem stärker komprimierten Format zur Verfügung. Mit dem LZMA-Algorithmus (verwendet von xz oder 7zip) beträgt die Dateigröße 1,0 GB anstelle der 1,4 GB der ursprünglichen gzip-Datei.

Um es schneller von überall her verfügbar zu machen, wird es mit bittorrent verteilt, indem diese torrent-Datei oder über den folgenden magnet link.

Langsamere direkte Download-Links finden Sie hier <https://free-astro.org/download/kstars-siril-catalogues/>`__ (klicken Sie mit der rechten Maustaste auf jeden Dateinamen auf der linken Seite und speichern Sie die Links).

Installation in Siril

Die Dateien können an beliebiger Stelle abgelegt und ihre Pfade in den Einstellungen von Siril angegeben werden, aber es gibt einen Standardspeicherort für die vier Dateien: ~/.local/share/kstars/ unter Linux. Sie können dort verlinkt werden, um unnötige Kopien zu vermeiden. Die Einstellungen können nun von der Kommandozeile aus geändert werden, indem man den Befehl :ref:`set <set>`verwendet.

Wenn verfügbar und lesbar, verwendet Siril den Webdienst nicht, um astrometrische oder photometrische Daten abzurufen. Überprüfen Sie anhand der Meldungen auf der Registerkarte Protokoll oder auf der Konsole, ob die Katalogdateien wie erwartet verwendet werden.

Nur SIMBAD wird verwendet, um Objektnamen in Koordinaten umzuwandeln, falls dies erforderlich ist. Dies sollte jedoch nur dann notwendig sein, wenn die Aufnahmesoftware die Zielkoordinaten nicht in den FITS-Header aufgenommen hat oder wenn das SER-Dateiformat verwendet wird, das diese Informationen nicht speichern kann.

Benutzung

Mit der neuen Verbindung zwischen Sirils Plate-Solver und dem lokalen Katalog und der neuen Verbindung zwischen Sirils PCC (photometrische Farbkalibrierung) und dem lokalen Katalog wurde ein neuer Befehl nomad erstellt, der anzeigt, welche Sterne in einem astrometrisch gelösten Bild photometrische Informationen (den B-V-Index) enthalten und zur Kalibrierung verwendet werden können.

Dies ist eine gute Möglichkeit, zusätzlich zur Objektbeschriftung (siehe Beschriftungen) zu überprüfen, ob die astrometrische Lösung und das Bild übereinstimmen.

Einstellungen bei lokalen Katalogen

Technische Informationen

Für die Photometrie verwendet Siril nur den B-V-Index, der Informationen über die Sternfarbe liefert. Die drei Bildkanäle werden dann skaliert, um die beste Farbdarstellung für alle Sterne im Bild zu erhalten.

Für weitere Informationen über den KStar-Binärdateityp siehe diese Seite und diese Diskussion über kstars-devel und einige Entwicklungshinweise in Siril hier und hier.

Sha1-Summen für die 4 Katalogdateien:

4642698f4b7b5ea3bd3e9edc7c4df2e6ce9c9f7d  namedstars.dat
53a336a41f0f3949120e9662a465b60160c9d0f7  unnamedstars.dat
d32b78fd1a3f977fa853d829fc44ee0014c2ab53  deepstars.dat
12e663e04cae9e43fc4de62d6eb2c69905ea513f  USNO-NOMAD-1e8.dat

Lizenzen für die 4 Katalogdateien.

Verwendung des lokalen astronomy.net-Solvers

Seit Version 1.2 kann der Solver solve-field aus der astrometry.net Suite von Siril verwendet werden, um Bilder oder Bildsequenzen astrometrisch zu lösen.

Für Windows-Plattformen ist der einfachste Weg, es zu bekommen, ansvr zu verwenden. Wenn Sie das Standard-Installationsverzeichnis, d.h. %LOCALAPPDATA%cygwin_ansvr, nicht verändert haben, wird Siril ohne zusätzliche Einstellungen danach suchen. Wenn Sie cygwin haben und astrometry.net aus den Quellen gebaut haben, müssen Sie den Ort des cygwin root-Verzeichnisses in den Eisntellungen angeben.

Für MacOS folgen Sie bitte dieser Anleitung <http://www2.lowell.edu/users/massey/Macsoftware.html#Astrom>`_. Installieren Sie es mit homebrew und fügen Sie es dem PATH hinzu. Vergewissern Sie sich auch, dass das Programm für die Testbilder funktioniert, wie in der Anleitung angegeben, sowie außerhalb von Siril.

Bei Nicht-Windows-Betriebssystemen wird erwartet, dass die ausführbare Datei im PATH zu finden ist.

Die Verwendung dieses Tools ermöglicht es, Bilder blind zu lösen, ohne a priori zu wissen, welchen Bereich des Himmels sie enthalten. Es ist auch eine bessere Alternative zu Sirils Plate-Solver, weil es ein spezialisiertes und bewährtes Werkzeug ist, welches auch Verzerrungen im Bild berücksichtigen kann.

Die Standardeinstellungen sollten in Ordnung sein, können aber mit dem Befehl set (Die Standardwerte stehen in Klammern) oder in der Registerkarte Astrometrie in den Voreinstellungen geändert werden, wenn Sie das wirklich wollen. Wie groß der Bereich der erlaubten Abtastraten ist (15%), wie groß der Radius der Suche von den Anfangskoordinaten ist (10 Grad), die Polynomordnung für die Feldverzerrung (0, deaktiviert), das Entfernen oder Nicht-Entfernen der temporären Dateien (ja), die Verwendung des Ergebnisses als neue Standardbrennweite und Pixelgrößen (ja).

Indexdateien

Astrometry.net benötigt Indexdateien, um zu funktionieren. Wir empfehlen Ihnen dringend, die neuesten Indexdateien zu verwenden, die auf der Website <http://data.astrometry.net/>`_ verfügbar sind, d.h. die Serien 4100 und 5200. Das Bildfeld jeder Serie ist auf ihrer github page beschrieben. (die offizielle Dokumentation enthält diese Tabelle noch nicht).

Auf Unix-basierten Systemen können Sie einfach den Anweisungen in der Dokumentation folgen.

Unter Windows, wenn Sie ansvr verwenden, werden diese neuen Indexdateien vom Index-Downloader nicht zur Verfügung gestellt. Sie können sie dennoch separat herunterladen und dort speichern, wo die anderen Indexdateien aufbewahrt werden (ich würde empfehlen, die alten Dateien zu entfernen, auch wenn dies den Index-Downloader durcheinander bringen kann).

Wie es funktioniert

Genau wie der interne Löser extrahiert Siril die Sterne aus Ihren Bildern (um von der internen Parallelität zu profitieren) und übermittelt diese Liste von Sternen an das Befehl solve-field von astrometry.net. Wenn Sie dann möchten, dass astrometry.net den Index parallel durchsucht, müssen Sie dies in der Datei astrometry.cfg angeben.

Sternerkennung

Standardmäßig verwendet die Sternsuche den Algorithmus findstar mit den aktuellen Einstellungen. Er funktioniert sehr gut, um viele Sterne zu finden, aber in manchen Fällen möchten wir die Sterne manuell erkennen oder einfach sehen, welche verwendet werden. Ein erster Schritt wäre, das Fenster PSF zu öffnen und die Sternsuche zu starten, dann die Einstellungen anzupassen (siehe die zugehörige Dokumentation Dokumentation).

Eine andere Möglichkeit wäre, die Sterne einzeln auszuwählen, indem man sie mit einem Auswahlrechteck umgibt und dann mit der rechten Maustaste auf Stern auswählen klickt. Je mehr Sterne ausgewählt werden, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Algorithmus erfolgreich ist.

Erweitern Sie dann im Astrometrie-Fenster den Abschnitt "Sternerkennung" und aktivieren Sie die Option Manuelle Erkennung. Anstatt findstar auszuführen, wird nun die aktuelle Liste der Sterne verwendet.

Verstehen der Ergebnisse

Wenn eine astrometrische Lösung gefunden wird, können wir auf der Registerkarte Konsole diese Art von Meldungen sehen:

232 pair matches.
Inliers:         0.996
Resolution:      0.196 arcsec/px
Rotation:     -115.21 deg (flipped)
Focal length: 3959.95 mm
Pixel size:      3.76 µm
Field of view:    31' 15.46" x 20' 51.09"
Saved focal length 3959.95 and pixel size 3.76 as default values
Image center: alpha: 21h32m41s, delta: +57°36'22"
Flipping image and updating astrometry data.

Die astrometrische Lösung gibt uns die J2000-Äquatorialkoordinaten des Bildzentrums, die projizierte horizontale und vertikale Abmessung des Bildes am Himmel, die Brennweite, die dieses Feld für die gegebene Pixelgröße und folglich die tatsächliche Abtastrate ergeben könnte, den Winkel, den das Bild mit der Nordachse bildet, und einige Informationen darüber, wie viele Sterne verwendet werden könnten, um die Lösung zu erreichen.

Wenn die astrometrische Lösung fehlschlägt, überprüfen Sie, ob die Startkoordinaten und die Pixelgröße korrekt sind, und versuchen Sie, die Eingabebrennweite um den Faktor 2 zu ändern; dadurch ändert sich die Anzahl der aus den Katalogen heruntergeladenen Sterne, und vielleicht werden mehr Sterne identifiziert. Wenn Siril's Plate-Solver keine Lösung findet, ist es immer noch möglich, ein externes Tool dafür zu verwenden, die Lösung wird so oder so in den FITS-Header geschrieben.