Fish-eye data reductie - dutch-meteor-society

Het berekenen van fish-eye opnamen

Datareductie aan fish-eye opnamen

Ons vuurbolnetwerk is uitgerust met camera’s met fish-eye lenzen. Die staan op het zenit gericht en bestrijken de gehele hemel van horizon tot horizon.
Het meet- en rekenwerk aan fish-eye opnamen is wezenlijk anders dan aan standaard opnamen, immers er is sprake van grote vertekening van de afbeeldingen.
Een ander wezenlijk verschil is, dat aan de hand van een fish-eye opname direct azimuth en zenitsafstand (en dus hoogte boven de horizon) van een meetpunt bepaald kan worden. Bij standaardopnamen, die willekeurig gericht zijn, worden eerst de X-Y coördinaten omgezet in rechte klimming en declinatie en deze worden, met de geografische positie van de waarnemingspost en het tijdstip, omgerekend naar azimuth en hoogte.
Met fish-eye opnamen wordt dus een aantal stappen overgeslagen, maar dat betekent niet, dat de reductie van fish-eye opnamen eenvoudiger is.
Een fish-eye opname kent eigenlijk maar twee parameters: azimuth (hoekafstand vanaf het noorden) en zenitsafstand (hoekafstand vanaf het zenit). In de opname is het azimuth in principe direct te bepalen. De zenitsafstand is een functie van de afstand r tot het centrum van de opname.

Typische fish-eye opname met een 8 mm Sigma fish-eye lens op full framecamera . De vuurbol verscheen op 5 november 2022 om 2:54:22 UT en is door zeven posten van het EN vastgelegd. De hierna getoonde meetschermen zijn gebaseerd op deze opname.
Foto: Volkssterrenwacht Bussloo.

Veel fish-eye lenzen, veel reductieparameters

De relatie tussen zenitsafstand en afstand r tot het centrum van de opname is niet liniair met andere woorden een fish-eye afbeelding is geen eenvoudige stereografische projectie.
De functie die de relatie tussen afstand r (in mm) en z (in graden) beschrijft is niet alleen een ingewikkelde, maar is ook per fish-eye lens anders. Niet alleen per merk of type, maar zelfs tussen individuele lenzen van hetzelfde merk en type.
Vóórdat we nauwkeurige metingen kunnen doen aan vuurbollen, opgenomen met fish-eye lenzen, moeten de calibratieparameters van de lens bepaald worden. Dat gebeurt door het uitmeten van een zo groot mogelijk aantal sterren (liefst zo’n 600 á 1000). Zo’n testopname maken we bij een zeer transparante hemel zodat ook heel laag aan de horizon sterren kunnen worden gemeten. Uiteindelijk willen we ook vuurbollen laag aan de horizon met hoge nauwkeurigheid kunnen meten. Naar de horizon toe wordt de afbeeldingsmaatstaf steeds ingewikkelder en zijn steeds meer parameters nodig om de afbeelding goed te beschrijven. Voor een complete beschrijving van de afbeelding zijn 12 parameters nodig.

download

A new positional astrometric method for all-sky cameras
J. Borovicka, P. Spurný and J. Keclíková
Astron. & Astropys. Suppl. series 112, 173-178 (1995)

Een goede fish-eye opname op een full frame camera, mits goed gefocusseerd, toont vele honderden sterren in het meetscherm. Deze worden automatisch gemeten.

De meeste vuurbollen verschijnen laag tot zeer laag aan de horizon. In die richting wordt immers het grootste volume aan atmosfeer bestreken door de camera. Het is dan ook heel belangrijk, dat de uitmeetnauwkeurigheid naar de horizon toe niet afneemt. In dit uitmeetscherm kun je zien, dat ook tot op enkele graden hoogte, de sterren tot precies in het vastgestelde patroon van de reductieparameters passen. Deze zijn voor elke individuele lens verschillend.

Het uitmeten van fish-eye opnamen

Het spreekt voor zich, dat de nauwkeurigheid waarmee meteoorsporen kunnen worden bepaald beter is bij grotere beeldsensoren. Niet alleen is de afbeeldingsmaatstaf gunstiger, maar ook speelt een rol dat de calibratieparameters van lensjes met een piepkleine brandpuntsafstand nauwelijks te bepalen zijn. Naar de horizon toe zijn steeds meer parameters nodig om de afbeelding goed te beschrijven.
Het door de Tsjechische Academie van Wetenschappen ontwikkelde programma fish-scan werkt op deze methodiek waarbij de calibratieparameters als startwaarden dienen voor een iteratief proces. De praktijk leert, dat op deze wijze zeer nauwkeurig gewerkt kan worden. Een vuurbol op slechts enkele graden boven de horizon kan op een full frame afbeelding met een nauwkeurigheid van 0.01 graad bepaald worden. Op een afstand van 600 kilometer komt dat neer op een nauwkeurigheid van 100 meter voor het traject. Omdat we veel meetpunten bepalen, worden met onze apparatuur en de gebruikte software meteoortrajecten met een nauwkeurigheid van enkele tientallen meters vastgelegd. Deze nauwkeurigheid is nodig om in het veld succesvol op zoek te gaan naar mogelijk neergekomen meteorieten.

Een goede gefocusseerde scherpe opname is niet alleen een lust voor het oog, maar staat ook garant voor zeer nauwkeurige resultaten.

Het meteoorspoor wordt in drie stappen gemeten: begin- en eindpunt, vervolgens een aantal (maximaal 50) zeer scherpe wel bepaalde punten voor de trajectbepaling en als laatste de breaks voor de snelheidsbepaling.

De Sigma 8 mm lens: werkpaard van het EN

Ons netwerk maakt voornamelijk gebruik van de f/3.5-8 mm Sigma fish-eye lens op full frame camera’s, de Canon 6D. Het merk of type camera dat gebruikt wordt in een vuurbolcamera is minder belangrijk; het full frame formaat wel. Kleinere formaten leveren ook nog wel leuke resultaten, maar we zien de nauwkeurigheid zeer snel teruglopen bij kleinere beeldsensoren.

De 8 mm Sigma fish-eye lens op full framecamera vormt het werkpaard van het EN. De behuizing is een standaardontwerp. Foto: Marco Verstraaten.

Verwerking: het betere handwerk

Er zijn ook vuurbolnetwerken die gebruik maken van video camera’s met een zeer kleine beeldsensor, in combinatie met zogenaamde pipeline reductie. Dit berekent dat een computer de meting en de complete datareductie overneemt en uiteindelijk een resultaat produceert zonder dat iemand de beelden daadwerkelijk ziet en beoordeelt.
De macht van de aantallen, het is immers weinig werk, werkt wellicht in het voordeel van de netwerkbeheerders, maar de praktijk laat zien dat het met de nauwkeurigheid van dit soort systemen flink tegenvalt. In plaats van over tientallen meters hebben deze systemen een nauwkeurigheid van -soms vele- honderden meters. Wij bekijken elke opname met het menselijk oog, verwijderen foutieve meetpunten (bv. valse sterren door hotpixels) en beoordelen de kwaliteit van de opnamen op wolken en andere storende factoren in de opnamen. Een computer kan dat niet.
Op een goed heldere, maanlichtloze nacht toont een fish-eye opname meer dan 1000 sterren tot de 6^e grootte. Het programma fish-scan kan tot 1000 sterren verwerken. Na het instellen van de reductieparameters en -eventueel- het meten van een tiental referentiesterren, worden de overige sterren op de opname automatisch berekend en gemeten.
Na handmatig verwijderen van foutbepalingen, rest in de meeste gevallen een eindnauwkeurigheid van 0.01 tot 0.015 graden van horizon tot horizon!

De positie van een vuurbol op een fish-eye opname kan tot op 0,01 graad nauwkeurig worden bepaald, zelfs nabij de horizon.

Hans Betlem

Coördinator EN West Europa

Baan, traject en fotometrie: FIRBAL 8.0

Begin 2023 werkt de Dutch Meteor Society met versie 8.0 van het FIRBAL programma. Hierin is fotometrie inbegrepen.
In het ‘Small camera network’ was fotometrie geen standaardprocedure. De Jena Astrorecord beschikte niet over een fotometer: het apparaat was bedoeld voor astrometrie. Ook het Astrorecord programma na 1994 voorzag niet in fotometrie. De negatieven werden 8 bits gedigitaliseerd: onvoldoende voor fotometrie aan vuurbollen.
Fishscan beschikt wél over een fotometrie module.
Zeer heldere vuurbollen, zogenaamde superbolides, kunnen wel magnitude -18 tot -20 halen. Om fotometrie over de hele helderheidsrange toe te kunnen passen, is 16 bits dynamisch bereik nodig. De operators van onze all-sky stations leveren dan ook standaard RAW opnamen aan, die dit dynamisch bereik bieden. JPEG is maar 8 bits; ongeveer 8 magnituden. Dat betekent dat een vuurbol vanaf magnitude -8 verzadigd is in de opname. Voor superbolides die een mogelijke dropping van een meteoriet inleiden, is het van belang de hele magnitudenreeks te kunnen fotometreren.
Uit fotometrische gegevens kunnen de fotometrische massa en de dynamische massa, zowel aan het begin als aan het einde, van een meteoroïde bepaald worden.

Fragmentatie

Méér nog dat helderheid en traject, is het fragmentatieproces van een stuk materie in de dampkring van belang of en waar er iets overblijft dat de aarde kan bereiken. Een enkel stuk meteoriet van 5 kg zal andere zoekgebieden verlangen dan wanneer dit fragmenteert in bij voorbeeld twee maal 2 kg en één maal 1 kg. Dat kan honderden meters tot kilometers schelen. Omdat de zoekteams te velde meestal klein zijn, maakt dat het verschil tussen wel of niet succes bij een zoekoperatie.
Fragmentatie wordt bepaald met hoge frequentie (5000 samples per seconde) metingen met gevoelige fotomultipliërs. De fotometrisch bepaalde lichtkromme van de fish-eye opname wordt daarbij gebruikt om de lichtcurve van de vuurbol te calibreren.

Tegelijk met het meten worden ook de fotometrische helderheden van de sterren vastgelegd en de densiteit (=zwarting) gemeten. De fotometrische magnitude uitgezet tegen de densiteit moet in principe een rechte lijn opleveren, de zogenaamde karakteristieke curve. De metingen zijn gecorrigeerd voor extinctie. Afwijkingen kunnen ontstaan wanneer er bewolking op de opname aanwezig is of bij minder schone plekjes het het glas van het afdekvenster.

De breaks worden gescand en het densiteitsprofiel wordt vastgelegd. Bij een goed scherpe opname zijn die profielen zeer steil. Er wordt gecorrigeerd voor het verschil in snelheid tussen afbeeldingen van de sterren en het vuurbolspoor. Fotometrie aan opnamen die zonder shutter zijn gemaakt is dan ook niet mogelijk.
RAW opnamen hebben een dynamisch bereik van ongeveer 15 magnituden.

Hoge resolutie fotometrie van een vuurbol op 2 oktober 2022, opgenomen vanuit het EN station in het Duitse Tautenburg. Opname van de Tsjechische Academie van Wetenschappen.

Meedoen in het netwerk?

Het vastleggen van de gegevens van zeer heldere vuurbollen is één van de meest boeiende facetten van het meteooronderzoek, waarin een amateur kan deelnemen. Een full frame all-sky station met 8 mm Sigma, een tweedehands Canon 6D, LCD shutter, behuizing en computersturing zal zo’n 2000 a 2500 euro aan eenmalige kosten met zich meebrengen. In tegenstelling tot het analoge tijdperk, toen er voor 500 á 600 gulden aan films en ontwikkelaar per jaar doorgingen, zijn er nauwelijks lopende kosten. Wel moet rekening gehouden met het vervangen van een sluiter in een DSLR camera (ca. 300 euro) want vanaf zo’n 300.000 clicks kan het zomaar gedaan zijn. Met een all-sky station dat elke nacht actief is en bij belichtingstijden van één minuut, is dat aantal in een paar jaar bereikt.
Interesse in het meedoen in het Europees Netwerk? Laat het ons weten. Onze camera operators hebben nauw contact in een app-groep en wisselen opnamen en gegevens razendsnel uit. Vaak is een heldere vuurbol dezelfde dag al berekend en weten we of er restanten zijn. Snelheid én hoge nauwkeurigheid kunnen wel degelijks samen gaan!
En… voor wie geen goede condities of uitzicht heeft of gewoon geen mogelijkheid om een all-sky op te stellen: er zijn talloze mogelijkheden om je toestel ‘remote’ te installeren en comfortabel van huis uit te bedienen. Zo worden onze stations op Terschelling en Humain in de Belgische Ardennen op afstand bediend. De Dutch Meteor Society helpt je graag verder.

Dit soort mooie opnamen zelf maken? Welkom bij het vuurbolnetwerk van de Dutch Meteor Society. Foto: Koen Miskotte, Ermelo.