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CCD: Über das Pixel-Binning

Wer in die CCD-Fotografie einsteigt, begegnet recht bald dem Begriff "Binning". Damit wird das Kombinieren mehrerer Pixel beim Auslesen der Daten bezeichnet, wobei üblicherweise quadratische Pixelgruppen von 2×2 oder 3×3 Pixeln vereint werden (2-fach-, bzw. 3-fach-Binning). Es ist damit möglich, die in den Pixeln eines CCD-Chips gesammelten Ladungen auf verschiedene Arten auszulesen, was Einfluss auf das Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (SNR), also das Verhältnis von Objekt- zu Störsignalen hat. Interessant ist das Binning also für den Nachweis besonders schwacher Objekte, bei denen es auf ein möglichst gutes SNR. Im Gegenzug reduziert sich gleichzeitig jedoch die Auflösung der Aufnahme. Ob dies sinnvoll oder gerechtfertigt ist, hängt von der Situation ab.

Funktionsweise des Pixel-Binnings

Im Folgenden sind die Unterschiede zwischen dem normalen Ausleseverfahren und dem mit Binning schematisch dargestellt; links jeweils ohne, rechts mit 2-fach-Binning.

Zunächst werden in beiden Fällen 2×2 Pixel gleichmäßig mit einem Stern-Scheibchen (heller Fleck) belichtet und sammeln je zehn Elektronen.
Danach beginnt der Auslesevorgang durch verschieben der Elektronen zum hier in Rot dargestellten Ausleseregister. Beim Auslesen werden die Ladungen im Register nach rechts zum Verstärker geschoben.
Im dritten Schritt fangen nun die Unterschiede zwischen beiden Verfahren an.

Ohne Binning werden die Ladungen für jeden 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 die Ladungen der Pixel einzeln und Zeile für Zeile in den Verstärker geschoben, was hier im Beispiel ein paar Schritte mehr benötigt als beim Binning.
Durch horizontale Verschiebung im Register werden beim Binning schließlich die Ladungen aller vier Pixel im Verstärker gesammelt und danach gemeinsam verstärkt.

Die im Beispiel eingesparten Arbeitsschritte machen sich jedoch nicht in der Ablaufgeschwindigkeit bemerkbar. Deutliche Geschwindigkeitsvorteile gebinnter Aufnahmen ergeben sich hingegen aus der kürzeren Download-Zeit aufgrund der geringeren Datenmenge.

CCD-Binning, Rauschquellen und SNR

Nach obiger Darstellung könnte der Gedanke aufkommen, die Aufnahmen bei Bedarf einfach im Nachhinein bei der Bildverarbeitung zu verkleinern und so die Helligkeitswerte mehrerer Pixel zu kombinieren. Doch dies ist leider nicht dasselbe, wie im Folgenden klar werden soll.

Um die Wirkung des Binnings zu verstehen, betrachtete man zunächst die Bestandteile, aus denen die Helligkeitswerte, die die einzelnen Pixel am Ende einer Aufnahme liefern, bestehen. Das störende Rauschen in einem CCD-Bild hat mehrere Ursachen. Zunächst einmal belichten wir natürlich zum Teil viele Stunden, weil wir von den Objekten einfach sehr wenig Licht empfangen. Die Photonen rieseln wie Regen auf den Sensor und bis die Aufnahmen eine "glatte" (= rauscharme) Helligkeitsverteilung zeigen, braucht es einige Zeit.

Neben dieser reinen Photonenstatistik, die sich mit dem Ausleseverfahren natürlich nicht beeinflussen lässt, hat ein Teil des Rauschens jedoch seinen Ursprung in der Elektronik der Kamera selbst. Das offensichtlichste ist das thermische Rauschen, das mithilfe des Kühlsystems so gut es geht reduziert wird.
Weiterhin entsteht Rauschen aber auch bei der Signalauslese und -verstärkung und betrifft jedes Pixel individuell. Diese Komponente wird als Ausleserauschen bezeichnet und ist zufälliger Natur, womit sich das Signal-Rausch-Verhältnis genau wie beim Photonenrauschen mit der Wurzel der Bildanzahl n verbessert.

SNRn
Bei einer Pixelgruppe aus 2×2 Pixeln fällt dieses Rauschen ohne Binning für alle vier beteiligten Pixel an. Wenn die Werte der vier Pixel nachträglich zusammengefasst werden, summiert sich das Rauschen der Pixel mit der Wurzel der Quadratsumme:
σtotal= σ12+ σ22+ σ32+ σ42
Dabei sind σi die Rauschelektronenanzahlen der einzelnen Pixel und σtotal das Rauschen des gesamten Bereichs ohne Binning-Verfahren. In einem Gedanken-Experiment werden aus einem Rauschelektron pro Pixel demnach also zwei Elektronen nach Pixel-Kombination. Angenommen jedes der vier betrachteten Pixel enthielte ein Elektron Objektsignal, so summiert sich dieses linear zu vier Elektronen. Das SNR ist somit 4:2. Das ist eigentlich schon ein Fortschritt gegenüber dem Einzelpixel mit einem SNR von 1:1 in diesem Beispiel. Das Bild wird also – unter Inkaufnahme des Auflösungsverlusts – tatsächlich "glatter". Jedoch geht es noch besser!

Denn der Prozessablauf des Auslesens ändert sich beim Binning: Vor der Signal-Verstärkung werden die gesammelten Ladungen der Pixel im Register aufaddiert. Somit fällt das Rauschen lediglich einmal für die Summe an! Im vorigen Beispielfall bedeutet dies ein Rauschelektron gegenüber vier Elektronen des Objektsignals. Das SNR des Ausleserauschens ist mit 4:1 also um Faktor 2 besser als bei der einfachen Bildverkleinerung!

Anmerkung: Äquivalent dazu ist übrigens die Verwendung einer Kamera mit größeren Pixeln oder einer "schnelleren" Optik. In allen Fällen erhöht sich die Anzahl der Photonen pro Pixel und verbessert sich demnach das Verhältnis von Objektsignal zu Ausleserauschen.

Beispiel
Hier ein Ausschnitt des Nordamerika-Nebels ohne, mit 2-fach- und mit 3-fach-Binning (v.l.n.r.). Beim Binning reduziert sich die Auflösung und verbessert sich im Gegenzug das Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Für eine größere Darstellung auf das Bild klicken!

Ausschnitt des Nordamerika-Nebels
Ausleserauschen spielt nicht immer eine Rolle
Wie Relevanz des Ausleserauschens ist anhand einiger technischer Angaben abschätzbar. Für manche Sensoren wird das Ausleserauschen explizit angegeben uns ist typischerweise in der Größenordnung von 10 Elektronen. Gleichzeitig können Pixel wenige 10.000 Elektronen aufnehmen ("Fullwell Capacity"), bevor die Sättigung erreicht wird. Folglich fällt das Ausleserauschen bei hellen, bzw. gut ausbelichteten Objekten kaum ins Gewicht. Sehr schwache Nebel können aber beispielsweise profitieren.
Software-Binning
Manche Programme zur Astro-Bildverarbeitung bieten die Option eines nachträglichen Binnings. Nun sollte jedoch klar sein, warum dieses Software-Binning nicht gleichwertig ist. Erreicht wird zwar ein besseres Rauschverhalten, jedoch ohne Optimierung des Ausleserauschens.

Anwendungsfälle

Grobfokussierung
Mit Hilfe des CCD-Binnings können Arbeitsschritte am Anfang bei der Deep-Sky-Fotografie vereinfacht und beschleunigt werden. Dank der kürzeren Auslese- und Downloadzeiten geht die grobe Fokussierung mit 3-fach-Binning sehr schnell.
Bildausschnitt bei schwachen Objekten
Durch das verbesserte SNR werden schwache Objekte schon mit wenigen Sekunden Belichtungszeit sichtbar. Dies erleichtert das Einstellen des Bildausschnitts.
LRGB-Verfahren
Manche Fotografen nutzen das 2-fach-Binning auch bei der Herstellung von LRGB-Kompositen. Dabei wird ausgenutzt, dass die RGB-Kanäle lediglich dem Einfärben des Bildes dienen und die Detailschärfe in der Luminanz enthalten ist. Eine geringere Auflösung bei den Farbinformationen wird vom Betrachter nicht wahrgenommen. Dies reduziert das »Farbrauschen«, ohne das Ergebnis negativ zu beeinflussen.

Messende Astronomie: Kleinplaneten
Auch bei der Suche nach Kleinplaneten kann Binning sinnvoll sein. Denn 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 zum nächsten Pixel gewandert sein, wodurch eine noch längere Belichtungszeit keinen Gewinn mehr bringt. 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.

Wann Pixel-Binning nicht genutzt werden kann

Farb-Sensoren
Bei Farb-Sensoren macht Binning keinen Sinn, da benachbarte Pixel mit verschiedenen Farbfiltern ausgestattet sind und somit nicht sinnvoll kombiniert werden können.

Bayer-Matrix
CMOS-Chips
Bei CMOS-Chips ist im Allgemeinen kein echtes Binning. Bedingt durch seine grundlegende Struktur werden alle Pixel einzeln ausgelesen und verstärkt, sodass zwangläufig immer das Ausleserauschen für jeden 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.