Planeten: CCD - Dr. Christian Pinter - Fototipps

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Planetenfotografie
Planetenfotografie
Die Digitalfotografie bietet unglaubliche Möglichkeiten. Sternfreunde machen heute Fotos, wie sie vor einigen Jahrzehnten nur Profis mit äußerst leistungsfähigen Teleskopen möglich waren. Ihre Planetenfotos zeigen wesentlich mehr Einzelheiten, als sie das menschliche Auges am selben Fernrohr erkennt. Und während die Sehkraft  mit zunehmendem Lebensalter abnimmt, werden die digitalen Bildsensoren von Jahr zu Jahr besser.

Eigentlich fotografiert man Planeten gar nicht - man filmt sie. Damit schlägt man der Luftunruhe und dem Rauschen des Kamerasensors ein Schnippchen.
Vorbereitung sinnvoll
Astronomische Objekte fotografiert man nach Möglichkeit zum Zeitpunkt ihrer Kulmination, also ihres Hochststands im Süden. Bei niedrigem Stand wird die Bildqualität nämlich von der dann stärkeren Luftunruhe gemindert. Eine Prognose der Luftunruhe ("Seeing" genannt) liefert die Website Meteoblue, die Ihren Standort zu erkennen versucht. Ein Seeing um 1.0 Bogensekunden (Spalte "arc sec.") wäre ideal.

Den Zeitpunkt der Kulmination nennt unter anderem die ausgezeichnete und vielseitige Astro-Software Guide. Sie verrät Ihnen vieles mehr - etwa die Lage des Mondterminators, die Stellung der Jupiter- und Saturnmonde, die Sichtbarkeit des Großen Roten Flecks oder der Albedostrukturen auf Mars. Planetenfotografen setzen auch auf das kostenlose Programm Winjupos.

Links sehen Sie Fotos des Jupitermonds Ganymed, rechts den Vergleich mit Guide: Die Software macht klar, dass ich hier tatsächlich Oberflächendetails festgehalten habe. Mit dem Auge am Teleskop erkannten nur ganz wenige Beobachter Einzelheiten auf Ganymed.
Aufnahmegeräte

Als Kameras dienen gern preiswertere Webcams wie die z.B. Philips SPC 900NC (rechts) oder die spezialisierte NexImage 5 von Celestron (links). Zur Steuerung gibt es kostenlose Programme.
Solche Cams werden anstatt des Okulars in den Okularauszug des Teleskops gesteckt. In meinem Fall ist das ein LX90 von Meade.
Sperrfilter
Solche Kameras sind oft auch im Ultraviolett und Infrarot empfindlich. Das kann speziell bei Linsenfernrohren zu Problemen führen - aber auch bei Spiegelteleskopen, wenn sich eine brennweitenverlängernde Barlowlinse im Strahlengang befindet. Daher schraubt man ein UV/IR-Sperrfilter vor die Kamera. Es hält, ganz nebenbei, auch Staub vom Sensor fern.
Zentrieren

Diese Kameras besitzen ein recht kleines Bildfeld. Oft landet das Objekt daher zunächst außerhalb desselben. Zum ersten Zentrieren leistet daher ein Fadenkreuzokular gute Dienste.

Fein ist auch ein arretierbarer Ring, der über die Steckhülse des Okulars passt. Einmal geeicht, liefert das Okular damit auch gleich eine grobe Fokussierung. Ein stark defokussiertes Objekt ist auf dem Monitor nämlich kaum zu erkennen.
Fokussieren
Vor der Aufnahme muss man peinlich genau scharfstellen. Man orientiert sich dabei zumeist an kleinen Details, die offenbar nur bei perfekter Scharfstellung sichtbar werden. Beim Saturn wird das z.B. die Cassini-Teilung sein, beim Jupiter sind es Einzelheiten in den Wolkenbändern. Beim Mars ist das Fokussieren gar nicht einfach. Überhaupt fällt es umso schwerer, je größer die Luftunruhe gerade ist.

Mit der Hand geht das Fokussieren schlecht, weil jede Erschütterung das Bild wanken lässt. Ein wackliges Bild kann man auf dem Computermonitor aber nicht auf seine Schärfe hin beurteilen. Ich empfehle daher elektrische Fokussierer.
Der nachträglich gekaufte Meade-Fokussiermotor erfüllt diesen Zweck. Er funktioniert analog und wird von einer speziellen Handbox aus gesteuert. Ein selbstgebauter analog-digital-Wandler erlaubt mir aber sogar den Anschluss ans Notebook. Das ist wichtig, wenn ich das Teleskop beim Fotografieren bzw. Filmen fernsteuern will.
Binning
Beim Binning werden jeweils mehrere benachbarte Pixel zusammengefasst. Das resultierende Bildfeld ist entsprechend größer, das Bild wird heller, aber gleichzeitig sinkt die Auflösung. Ich verwende das 4-fache Binning gern zum Wiederauffinden von Objekten, die aus dem Bildfeld gerutscht sind. Sind sie zentriert, geht es ohne Binning weiter.
Gain
Die Software zur Kamerasteuerung gestattet es meist, das sogenannte Gain einzustellen. Diese elektronische Vorverstärkung dient bei digitalen Spiegelreflexkameras dazu, die Empfindlichkeit (ISO) zu regeln. Ein höheres Gain verstärkt das Bildrauschen, ist aber bei Objekten mit geringer Oberflächenhelligkeit (z.B. Saturn) unumgänglich.
Belichtungszeit
Außerdem wird man eine möglichst kurze Belichtungszeit anstreben, um die Luftturbulenzen während jeder einzelnen Belichtung einzufrieren. Zumindest, wenn man kann:
Bestimmend beim hochauflösenden Fotografieren ist nämlich nicht die Gesamthelligkeit eines Objekts, sondern dessen Helligkeit pro Flächeneinheit: Merkurs Oberfläche ist im Schnitt sechsmal heller als die des Vollmonds, die Venus strahlt 10 mal so hell wie der Mond. Beim Mars muss man von der Hälfte, beim Jupiter schon von einem Sechstel der Mondhelligkeit ausgehen. Beim Saturn ist es gar nur ein Zwanzigstel. Beim Uranus wäre es ein Achtzigstel, beim Neptun ein Zweihundertstel der Mondhelligkeit.

Mit erhöhtem Gain kann man dieses Problem nur zum Teil lösen. Daher wird man bei Planeten mit geringer Helligkeit entsprechend länger belichten müssen, was wiederum den Einfluss der Luftunruhe verschärft.
Frame-Rate
Davon anhängig ist die Frame-Rate, also die Anzahl der Einzelbelichtungen pro Sekunde (FPS). Man strebt hier ebenfalls hohe Werte an. Die Frame-Rate ist aber immer geringer als die Belichtungszeit. Belichtet man 1/50 sec, wird man also kaum mehr als 40 Frames pro Sekunde schaffen (nach jeder Belichtung muss der CCD-Chip ausgelesen und das Ergebnis an den Computer übertragen werden; auch das dauert seine Zeit).
Frame-Anzahl bzw. Filmlänge
Die Bildqualität steigt mit der Anzahl der gewonnenen Frames. Es sollten mehrere tausend pro avi sein. Bei den Planeten kann man meist mehrere Minuten lang filmen. Der Jupiter rotiert aber so schnell um seine Achse, dass die Details nach ein oder zwei Minuten verschmieren. Ähnliches gilt für Saturn - aber nur dann, wenn sich wirklich fleckige Details auf der Planetenkugel zeigen.

Wer eine alt-azimutale Montierung verwendet, muss außerdem eine langsame Drehung des Bildfelds in Kauf nehmen. Man trickst sie am einfachsten aus, wenn man um den Zeitpunkt der sogenannten Kulmination des Objekts (entspricht auch dem Höchststand im Süden) filmt.
ROI - Region of Interest
Um die Dateigrößen einzuschränken und die erzielbare Frame-Rate zu erhöhen, zieht man ums Objekt gern eine sogenannte Region-of-Interest (ROI). Ein Beispiel für die Dateigröße: Saturn mit 408 x 348 Pixeln und 30 Frames pro Sekunde erfordert etwa 1 GB pro Minute Filmlänge. Filmt man für jedes Video 5 Minuten lang, so ist eine 30 GB große Festplattenpartition nach nur 6 avis voll.
Bei nicht optimaler Nachführung droht der Planet aber rasch aus der ROI heraus zu wandern.

Dann hält man die Aufnahme rechtzeitig mit der Pausetaste an, bringt das Objekt mittels der Teleskopsteuerung wieder in die Mitte und setzt das Recording fort.
Alternativ kann man auch ohne Anhalten der Aufnahme korrigieren - möglichst selten und mit sehr langsamer Geschwindigkeit.
Darkframe nötig?
Bei den lichtschwachen Planeten Uranus oder Neptun sind längerere Belichtungszeiten und eine hohe Gain-Einstellung nötig. Da macht sich das Rauschen des Kamera-Sensors besonders stark bemerkbar. Hot Pixels treten auf.

In diesem Fall erstellt man ein zweites Video: Mit absolut gleichen Einstellungen - jetzt aber mit dem Objektivdeckel am Teleskop! Um auch die Temperatur gleich zu halten, sollte man es unmittelbar auf das eigentliche Planetenvideo folgen lassen. Die Länge der Aufnahme ist hier nicht entscheidend.

Dieses Video hält nur das Kamerarauschen, nicht aber das Himmelsobjekt fest. Es liefert uns letztlich ein sogenanntes "Darkframe" voller Artifakte. Zur Verdeutlichung wurde die Helligkeit hier überhöht.
Die nachfolgend vorgestellte Software kann ein solches Darkframe vom eigentlichen Objektfoto ("Lightframe" genannt) abziehen, und so das Rauschen großteils beseitigen. Deep Sky Fotografen sind Darkframes bestens vertraut. Denn sie arbeiten fast immer mit längeren Belichtungszeiten.

Mit Autostakkert geht das so: Man lade das absolut dunkle avi und wähle "Image Calibration", "Create Master Frame". Das Resultat wird als *.tif abgespeichert. Nun nimmt man das eigentliche Objektvideo, und wählt unter "Image Calibration" noch "Use Master Dark".
Zum Testen habe ich das Trapez im Orionnebel mit der Planetenkamera NexImage5 eingefangen - und das bei miserablem Seeing. Links ein Frame des unbehandelten Videos, rechts das Bild nach Abzug des Masterdarks (und mit RGB-Align). Der schwächste klar erkennbare Stern hat 7,5 mag. Andeutungsweise erkennt man sogar noch die Komponente E (11 mag).
Doppelt hält besser
Ein Planeten-avi umfasst häufig 5 bis 10 Gigabyte. Der Platzbedarf steigt mit der Zahl der Frames und der Größe des ROIs. Vor allem auf Notebooks wird er schnell knapp. Dennoch empfehle ich, mindestens zwei avis pro Objekt anzufertigen. So haben Sie eines in Reserve, falls das andere durch ein technisches Problem unbrauchbar werden sollte. So etwas passiert immer wieder. Falls Sie beim Fokussieren unsicher sein sollten, stellen Sie am besten bei jedem Video neu scharf. Das erhöht die Chance auf zumindest 1 optimales Ergebnis.
Stacking
Im folgenden beschreibe ich das Stacking mit der Software AutoStackert. Bei Planetenvideos wählt man hier die Einstellung "Planet". Alternativ mag man die ebenfalls kostenlosen Stacking-Programme Avistack oder Registax versuchen.
Ein Einzelbild aus einem avi ist völlig verrauscht. Stacking-Software wie Autostackert legt die Frames gleichsam übereinander und erstellt so ein rauscharmes Bild.
Zu diesem Zweck muss man auf einem qualitativ möglichst guten Frame zunächst Alignment Points definieren.
Dann wird das avi von der Software analysiert. Sie erkennt, welche Bilder gut sind, und welche von der Luftunruhe deformiert wurden. Man legt anschließend fest, wo die rote Linie gezogen werden soll. Entscheidet man sich z.B. für 33 Prozent, wird nur das beste Drittel aller Frames für das Stacking verwendet.
Nach erfolgtem Stacking liegt ein milchig anmutendes Summenbild vor. Es ist zwar nicht mehr verrauscht, doch dafür mangelt es ihm an Schärfe.

Im folgenden geht es vor allem darum, das Bild zu schärfen.
Weitere Bearbeitung
Jetzt kommt z.B. Registax zum Einsatz. Auch diese kostenlose Software kann Stacken. Wir verwenden hier aber andere Funktionen. Dazu ziehen wir das Summenbild ins geöffnete Programmfenster.
RGB-Align
Unsere Lufthülle bricht das Licht der Himmelskörper ein wenig nach oben. Je tiefer sie über dem Horizont stehen, desto ausgeprägter der Effekt. Dabei ist es wie beim Prisma: Blaues Licht wird stärker gebrochen als rotes. Bei hoher Vergrößerung zeigen die Planeten daher unten einen roten, oben einen blauen Rand. Dieser atmosphärischen Diffusion lässt mit einem speziellen Gerät, dem Atmospheric Diffusion Corrector, schon während der Aufnahme entgegensteuern.

Ist das nicht geschehen, gibt es eine (wohl nicht ganz so wirksame) Korrekturmöglichkeit via Software. Man nennt diese Funktion gern "RGB-Align". Damit bringen wir verschobene Lichtanteile zur Deckung.

Wir ziehen eine grüne Box um das Objekt und wählen dann "Estimate". Eventuell bessern wir nach. In Autostakkert 2.6 lässt sich diese Funktion bereits einstellen. Dann erspart man sich diesen Schritt in Registax, der allerdings viel mehr Einstellmöglichkeiten bietet.
Helligkeit und Kontrast


Meist will man mehr Kontrast, um Details herauszuarbeiten. Dafür wird dann die Helligkeit oft zurückgenommen.

Entstehen helle Flächen ohne interne Strukturen, hat man es allerdings übertrieben.
Schärfen
Das eigentliche Highlight von Registax ist die ausgeklügelte Schärfefunktion. Die Regler schärfen, von oben nach unten, immer größere Details. In dieser Reihenfolge zieht man sie nach rechts.

Dabei entstehen Artifakte, die man durch die Erhöhung des Wertes "Denoise" (Pfeil) wieder reduziert. Oft reicht dazu die Denoise-Box über dem ersten Schärferegler.

Je mehr Frames für das Summenbild ausgewählt wurden, desto stärker wird man in der Regel nachschärfen können.

Ziel ist ein Bild mit vielen klar umrissenen Details - ohne Spuren von Rauschen bzw. "Körnung".
Lästige Zwiebelringe
Speziell beim Jupiter treten im Zuge das Nachschärfens am Rand des Planetenscheibchens häufig konzentrische Ringe auf, die gefürchteten "Zwiebelringe". In diesem Fall ist das avi zu dunkel geraten, auch wenn es auf den ersten Blick korrekt belichtet aussieht! Abhilfe schafft eine Erhöhung des Gain-Werts während der Aufnahme. Das zusätzliche Bildrauschen kann durch eine höhere Zahl von Frames teilweise kompensiert werden.
Weitere Funktionen
Registax bietet einige weitere interessante Funktionen. So lässt sich das Bild drehen oder bis zum Faktor 2 vergrößern (hier 1,5 x) . Außerdem kann man die Kolorierung anpassen.

Zum Vergleich sehen Sie hier nochmals das verrauschte Einzelbild - und das fertige Endprodukt. Der Unterschied lohnt den Arbeitsaufwand - oder?
Doch lieber schwarzweiß?
Wir haben hier die grundlegende Strategie zur Planetenfotografie mit Hilfe von Farbkameras besprochen. Eingefleischte Fotografen ziehen oft die empfindlicheren Schwarzweißkameras vor. Diese Kameras können letztlich sogar Farbbilder liefern. Dazu wird das Objekt mehrfach gefilmt - jedes Mal durch einen anderen RGB-Filter. Die fertigen Bilder werden dann entsprechend eingefärbt und schlussendlich von der Software zu einem Farbfoto kombiniert.
 
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