Drizzle - genauer betrachtet

Was ist Drizzle?

Drizzling ist eine lineare Rekonstruktion eines Bildes und wurde etwa 1998 durch A.Fruchter und R.Hook entwickelt. Der Anlass war der Umstand, dass die Kameras des Hubble Space Teleskops (HST) dessen optischen Fähigkeiten nicht einmal annähernd ausnutzen konnten.

Die im HST  montierten Kameras hatten alle Sensoren die nicht im Megapixelbereich lagen, sondern darunter - dadurch waren die Aufnahmen sehr stark undersampled - auf Deutsch untergetastet. Das ist der Fall, wenn die informationsdichte, die vorhanden ist, zu weniger als 50% vom Detektor aufgenommen werden kann ( sehr stark vereinfacht). 
Das Bild hier zeigt ein Beispiel - das Signal hat eine Frequenzvariation, die ab einer bestimmten Frequenz vom Detektor nicht mehr erfasst - und daher auch nicht mehr korrekt dargestellt wird.

Um aber die optisch vorhandene Information dennoch darstellen zu können, kann man diese erwähnte lineare Bildrekonstruktion anwenden.

In der "normalen"  Fotografie gibt es im Bereich von High-end Sensoren den Begriff des Pixelshifts. Dabei wird der gesamte Sensor nach einer Aufnahme um einen Bruchteil eines Pixels verschoben - meistens dreimal orthogonal. Dadurch wird bei (nicht oder kaum beweglichen)  Objekten eine Aufnahme viermal gemacht - jedes Mal mit einer minimal anderen Position des Sensors. Rechnerisch werden dann diese vier Bilder zusammengesetzt und so die "verlorenen"  Details - bedingt durch die Pixeldimension und die mechanisch/elektronischen Grenzen wieder hergestellt. Der Rechenaufwand ist signifikant und das resultierende Bild natürlich auch entsprechend umfangreicher, aber man kann so die Auflösungsgrenzen eines Kamerasensors umgehen bzw. eliminieren. 
Bei diesem erwähnten Pixelshift Verfahren spielt ein Umstand, die in der Astrofotografie aber entscheidend ist, normaler weise keine Rolle:  Das Seeing. Wie bereits erwähnt, verändert das Seeing andauernd die Qualität des empfangenen Bildsignals - einmal super, einmal schlecht, dann wieder recht OK - davon mehr weiter unten.

Wie sieht aber - vereinfacht dargestellt - das Drizzle System für Astrofotografie aus - hier im Bild unten ist das Prinzip dargestellt:
Die Darstellung stammt aus der Publikation von Fruchter und Hook, veröffentlicht 1998 in Research Gate als Nr 1840344

Das originale Bild wird also unter Berücksichtigung aller geometrischen Veränderungen auf eine kleinere virtuelle Pixelmatrix projiziert. Bemerkenswert ist, dass bei dieser Transformation der kleinere zentrale Pixel keine Information erhält, die Information wird aber statt auf 4 auf bis zu 16 kleinere Pixel aufgeteilt. 

In der Astrofotografie machte man nicht nur ein oder ein paar Einzelaufnahmen, sondern meistens sehr viele.  Diese vielen Einzelaufnahmen, "Subs" genannt, werden dann zu einem einzigen Bild zusammengerechnet. So kann man das Signal-Rauschverhältnis deutlich verbessern und einen wesentlich besseren Dynamikumfang erreichen. Das allein reicht aber nicht aus, um erfolgreich das "Drizzle anwenden zu können. Die einzelnen Subs müssen aber auch etwas versetzt werden, um Drizzling richtig und effizient anwenden zu können. Dieses Versetzen ist das Dithering, das unbedingt notwendig ist. 
Dithering ist ein gewolltes, programmiertes Verschieben des Aufnahmebereichs um einen sehr geringen Bereich - meistens 2-5 Pixel. Man kann jedes Einzelbild dithern, aber meistens dithert man nach 5-10 Einzelaufnahmen. Die Verschiebung ist entweder in eine bestimmte Richtung der - meistens - zufällig oder in einer rotativen Bewegung. Dadurch wird es vermieden, dass sich wiederholende Störpixel als Muster einprägen können. 

Wenn man nur einige wenige Subs drizzelt, so kann es vorkommen, dass das Ergebnis absolut nicht den Erwartungen entspricht - warum?  Durch die Transformation des originalen Bildinhaltes auf eine kleinpixeligere Matrix wird, wie oben erwähnt, der zentrale Pixelbereich nicht mit Information versehen - wenn nur sehr wenige Subs verwendet werden, entsteht zB von einem einzelnen Stern zwar ein visuell "besseres" Umfangbild, aber der Zentralbereich bleibt "leer". 

Diese Darstellung ist aus den Erklärungsseiten von Astroshop Deutschland übernommen und zeigt sehr gut, was mit "leer" bleiben gemeint ist. Erst durch die Summierung über viele Subs ensteht der gewünschte Effekt der Bildverbesserung - die Mitte ist damit auch gefüllt. 
Wieso ist sie gefüllt - nun durch das Dithern wird ja der Bildinhalt leicht verschoben und so auch die an sich leere Zentralbereich, was durch das Integrieren vieler Subs dann zu dem gefüllten Zentralbereich mit der deutlich besser wieder gegebenen Sternform führt.

Natürlich ist der gleiche Effekt auch bei allen anderen Details einer Astrofotografie vorhanden - Nebelbereiche werde klarer abgegrenzt, Details in Galaxien deutlicher und visuell "schärfer" dargestellt. 
Drizzeln ist also eine Technik die ein Abtasten von Bildinhalten (Informationen) im Submikrometerbereich ermöglicht, eine Technik, die es erlaubt, mit einer Kamera, deren Pixel im Verhältnis zur Auflösung der Optik zu groß sind um die optimale Bildinformation aufzeichnen zu können, deutlich höher aufgelöste und besser durchzeichnete Bilder zu erhalten. 

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