Deep Sky Fotografie - Rauschprobleme - Dr. Christian Pinter - Fototipps

Die Entstehung des Rauschens ließe sich vermindern durch

• niedrigere ISO-Einstellungen
• kürzere Belichtungszeiten
• einen kühleren Kamerasensor

Oft lassen sich die beiden ersten Strategien nicht sinnvoll anwenden.

Bleibt die Kameratemperatur. Sie hängt unter anderem, aber nicht nur, von der Umgebungstemperatur ab. Im Sommer erwärmt sich die Cam somit rascher als im Winter.

CCD-Astrokameras besitzten eine eingebaute Peltierkühlung und einen Ventilator, der die erwärmte Luft abführt. Dafür ist eine extra Stromversorgung nötig. Bei DSLRs ist die Temperaturregelung nicht möglich. Man kann höchstens Wärmeexzesse vermeiden, speziell in Sommernächten. Die Sensortemperatur steigt, falls

Abhilfe:

Der Erfolg lässt sich mit einem Blick in die EXIF-Daten der Fotos prüfen, z.B. mit der Software ExifToolGUI (Download von Heise). In diesen Meta-Daten ist auch die Kameratemperatur während der Aufnahme des Fotos versteckt. Bei Steuerung mittels APT wird die Temperatur auf Wunsch in den Dateinamen geschrieben und damit sofort am PC-Monitor sichtbar.

Rauschen besteht aus mehreren Komponenten, die man unterteilen kann in:

Dagegen gibt es mehrere Strategien:

• Dunkelbilder sofort über Rauschreduktion der Kamera abziehen
• Dunkelbilder als Set von Darkframes erstellen, später abziehen
• Dithering während der Aufnahmen durchführen

Etliche Kameras bieten eine Rauschreduktion an. Dabei wird kameraseitig nach jeder Aufnahme (also nach jedem Lightframe) ein gleichartiges, lichtloses Dunkelbild (Darkframe) geschossen, mit selber Temperatur, Belichtungszeit und ISO-Einstellung. Es wird von der Kamera automatisch in Abzug gebracht. Nachteil: Der Aufnahmevorgang dauert doppelt so lange.

Man kann aber auch ein Set von Dunkelbildern (Darkframes genannt) in einem Rutsch erstellen - eine Strategie, die fast immer bevorzugt wird. Dazwischen freilich darf man die ISO-Einstellung und die Belichtungszeit relativ zu den Lightframes nicht ändern. Die kaum mögliche Kontrolle der Kameratemperatur sorgt bei einer DSLR für Unsicherheiten.

Dithering bedeutet eine Verschiebung des eingefangenen Bildfelds von wenigen Pixeln zwischen den einzelnen Lightframe-Aufnahmen. Auch dieser Vorgang minimiert regelmäßige Rauschmuster - sofern beim späteren Stacking eine Sigma-Clipping-Methode gewählt wird. Je nach Fernrohrmontierung können sich aber Nachführprobleme einschleichen.

In jedem Fall bleibt ein zufälliges, stochastisches Rauschen übrig. Es steigt ebenfalls mit höherer ISO-Einstellung, längerer Belichtung und erhöhter Kameratemperatur. Der Zufall erzeugt auf jedem einzelnen Lightframe, jedem Darkframe, jedem Bias-Frame und jedem Flatframe auch ganz individuelle Rauschstrukturen! Dagegen hilft, was wir auch im Alltag bei streuenden Werten tun: Wir bilden einen Mittelwert.

(Wir ignorieren hier zunächst die Tatsache, dass es verschiedene Arten von "Mittelwert" gibt - z.B. Durchschnitt, Median, häufigster Wert, Mittelwert nach Aussortieren von Extremwerten, usw.)

Um stochastisches Rauschen zu mindern, fertigen wir nicht bloß 1 Lightframe, 1 Darkframe, 1 Bias-Frame und 1 Flatframe an - sondern von jedem gleich mehrere Dutzend Exemplare!

Später wird bei jeder dieser Gruppen eine Mittelwertbildung erfolgen: So erhalten wir ein "gemitteltes" Masterdark, ein "gemitteltes" Masterflat und ein "gemitteltes" Master-Bias. So weit ist es eigentlich ganz einfach!

Bei den Lightframes wird es aber kompliziert. Hier müssen vor der Mittelwertbildung die Sterne passgenau übereinander gelegt werden. Jedes Foto ist gegenüber den anderen nämlich ein klein wenig verschoben und verdreht - und das auch ganz ohne absichtliches Dithering. Diese Abweichungen (ebenfalls Offsets genannt) werden beim sogenannten Registrieren ermittelt.

Stellen Sie sich die Lightframes vor wie große, gestapelte Glasplatten: Nach erfolgter Registrierung weiß die Software, wie man diese sterngenau übereinander legt. Dann jagt sie quasi Licht durch diesen Stapel hindurch, um so auch das Zufallsrauschen wegzumitteln. Dieser Vorgang heißt Stacking (stack, engl. Stapel, Stoß).

Astronomische Stacking-Programme ermöglichen ihn. Sie nehmen uns auch die anderen genannten Mittelwertbildungen sowie das Registrieren der Lightframes ab.

Je mehr Lights vorhanden sind, desto geringer fällt das Rauschen im Summenbild aus. Allerdings ist der Zusammenhang nicht linear. Um das Rauschen zu halbieren, muss man viermal so viele Lights anfertigen. Der Aufwand steigt quadratisch, lohnt sich aber.

Stacking-Programme bieten auch einen Spezialfall der Mittelwertbildung an: Beim Sigma-Clipping werden Ausreißer eliminiert und mit dem Mittelwert bzw. Median der anderen Lightframes ersetzt. Das hilft z.B., um Satelliten- oder Flugzeugspuren loszuwerden. Beim oben erwähnten Dithering ist diese Stackingmethode sogar unerlässlich.

Fotos werden in der astronomischen Bildbearbeitung meist ordentlich gestreckt. Das erhöht den Kontrast. Der Vorgang steigert logischerweise auch das Rauschen. Der schwarze Hintergrund ist davon augenscheinlich kaum betroffen. Wo aber Nebelstrukturen sichtbar werden, grieselt es ordentlich - vor allem in deren lichtschwachen Randzonen.

Deshalb versucht man, das Rauschen möglichst noch vor dem Strecken (englisch Stretching) halbwegs los zu werden.

GraXpert bietet diese Funktion (engl. Denoise genannt) an, sowohl in der Standalone-Version, als auch als Python-Script in Siril. Die Rechenarbeit wird hier an die GPU delegiert: Bei schwacher Grafikkarte wählt man den Punkt Hardware-Beschleunigung besser ab.

Auch das Programm CosmicClarity offeriert Entrauschen - als eigenständige Software wie als Script (letzteres heißt in Siril CosmicClarity_Denoise.py).

Schließlich kann man dem Rauschen auch noch nach dem Strecken mit den üblichen Fotoprogrammen zu Leibe rücken. Getestet habe ich hier vor allem Denoise Projects oder Adobe Lightroom. Diese Apps greifen auf Wunsch sehr stark ins fertige Foto ein. Allerdings gerät es in Folge zunehmend artifiziell, wie "mit Wasserfarben gemalt" oder gar "matschig". Zurückhaltung empfiehlt sich.

Die beste Antirausch-Strategie dürfte nach wie vor das Anfertigen gut durchbelichteter oder, bei lichtverschmutztem Himmel, zumindest zahlreicher Lightframes sein.