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Teil 15 - Kalibrierung: Hellfeld- und Dunkelbilder aufnehmen
28.06.2009 in Astro- und Himmelsfotografie von stefan_seip
- Kategorie: Astro- und Himmelsfotografie
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Schematische Darstellung der Kalibrierung: Das Endergebnis entsteht, nachdem vom Rohbild ein Dunkelbild subtrahiert und durch ein Hellfeldbild dividiert wurde.
Teil 15: Kalibrierung: Hellfeld- und Dunkelbilder aufnehmen
Digital aufgenommene Astrofotos enthalten unbearbeitet nicht nur die Daten, die das fotografierte Himmelsobjekt lieferte, sondern auch eine Reihe von Artefakten, also unerwünschten Erscheinungen. Unter „Kalibrierung“ wird jener Prozess verstanden, der die Rohbilder von diesen Artefakten befreien soll.Ursache der Artefakte
Zunächst wollen wir uns anschauen, welche Komponenten für die Artefaktbildung verantwortlich sind und welche Art von unerwünschten Informationen sie erzeugen:1. Die Kamera
Die Bildsensoren digitaler Kameras sowie deren Ausleseelektronik führen zu einem mehr oder weniger stark ausgeprägten „Bildrauschen“, besonders gut erkennbar durch eine „grieselige“ Struktur der Bilder in gleichmäßig hellen oder dunklen Flächen. Man unterscheidet dabei zwischen dem Helligkeits- bzw. Luminanzrauschen, bei dem die Pixel gleichheller Motivbereiche willkürlich unterschiedliche Helligkeitswerte annehmen, und dem Farbrauschen, bei dem Pixel, die eigentlich ein gleichfarbiges Motiv zeigen, eine leicht unterschiedliche Farbwiedergabe aufweisen. Das elektronische Bildrauschen hat verschiedene Ursachen. Einer der Hauptgründe ist das sogenannte thermische Rauschen, hervorgerufen durch Prozesse auf dem Sensor, die von der Temperatur abhängen und spontan zur Erzeugung von „Ladung“ in den Pixeln führt, die später als Helligkeitsinformation interpretiert wird. Dieser Rauschanteil entsteht also auch dann, wenn der Sensor überhaupt nicht belichtet wird, also während der „Belichtungszeit“ kein Licht den Sensor trifft. Dafür wurde der Begriff „Dunkelstromrauschen“ geprägt.Der Betrag des Rauschens ist maßgeblich von folgenden Faktoren abhängig:
a) Temperatur (stärkeres Rauschen bei höheren Temperaturen)
b) Belichtungszeit (je länger die Belichtungszeit, desto höher das Rauschen)
c) ISO-Wert (stärkeres Rauschen bei steigender ISO-Zahl)
Auch die Art des verwendeten Sensors, die in der Kamera arbeitende Software zur Rauschunterdrückung und das Ausleserauschen, das durch die Elektronik verursacht wird, die die Daten des Sensors nach der Belichtung misst, soll nicht unerwähnt bleiben. Da diese Faktoren jedoch von der Kamera abhängen und vom Fotografen nicht beeinflusst werden können, wollen wir uns nicht näher damit befassen.
Neben dem Rauschen fallen bei digitalen Bildsensoren einzelne Pixel auf, deren Helligkeitswerte sehr stark von denen der Umgebung abweichen. Reagiert ein einzelner Pixel zum Beispiel überhaupt nicht auf einfallendes Licht, bleibt er stets schwarz und wird als „toter Pixel“ (dead pixel oder cold pixel) bezeichnet. Andere Pixel hingegen reagieren viel empfindlicher auf einfallendes Licht als die anderen, nehmen also schnell sehr hohe Helligkeitswerte an oder laufen sogar in die Vollsättigung, dann erscheinen sie weiß.
Ausschnitt eines Dunkelbildes, erstellt mit einer Canon EOS 450D bei ISO 100 (links) und ISO 1600 (rechts). Die Belichtungszeit betrug zehn Minuten. Deutlich ist zu sehen, wie das Gesamtrauschen bei höherem ISO-Wert ansteigt. Beide Bildausschnitte wurden in identischer Weise aufgehellt, um das Rauschen deutlich zu machen.
2. Die Aufnahmeoptik
Kein Fernrohr und kein Objektiv liefert eine perfekte Abbildung. Je weiter man sich von der optischen Achse entfernt, desto stärker werden Abbildungsfehler, die Aberrationen, sichtbar sein. Besonders betroffen sind die Bildecken. Eine Kalibrierung kann diese Abbildungsfehler allerdings nicht beheben. Wir wollen uns daher auf jene Erscheinungen konzentrieren, die durch Kalibrierung bekämpft werden können.Erstens ist es die Vignettierung, also die Abdunklung der Bildecken. Besonders ausgeprägt ist die Vignettierung bei der Verwendung von Fotoobjektiven mit voller Blendenöffnung. Auf der einen Seite kann die Vignettierung durch Abblenden in Grenzen gehalten werden. Doch Abblenden führt auf der anderen Seite auch zur Verlängerung der erforderlichen Belichtungszeit, was bei Astroaufnahmen oft nicht erwünscht ist. Und da auch Fernrohroptiken aus physikalischen Gründen auf der optischen Achse eine höhere Bildhelligkeit als in den Bildecken liefern, gehört die Vignettierung zu den praktisch unvermeidbaren Phänomenen der Astrofotografie. Je größer der Bildsensor der verwendeten Kamera ist, desto größer ist die Gefahr auftretender Vignettierung.
Aufnahme des Sternbildes „Großer Wagen“ mit einem lichtstarken 50-Millimeter-Objektiv und Offenblende. Unübersehbar ist die Vignettierung in Form abgedunkelter Bildecken.
Zweitens werden Schmutzpartikel abgebildet, die sich auf dem Sensor oder einer Linse bzw. Spiegel der Aufnahmeoptik niedergelassen haben. Eine sorgfältige Reinigung von Kamera und Optik kann die Entstehung dunkler Flecken auf dem Foto zwar minimieren, aber niemals vollständig verhindern. Je geringer die Distanz eines Schmutzteilchens zum Sensor ist, desto schärfer wird es auf dem Foto zu sehen sein. Fast gestochen scharf erscheinen daher Partikel, die sich direkt auf dem Schutzglas vor dem Sensor niedergelassen haben.
Staub auf der Frontlinse hingegen ist unkritisch, während eine Verunreinigung der rückwärtigen Linse eines Objektivs durchaus sichtbare Spuren auf dem Foto hinterlassen kann. Bei Verwendung eines Spiegelteleskops kommt es vor, dass Schmutzpartikel in Form dunkler Ringe auf dem Bild in Erscheinung treten, da ihre unscharfe Abbildung die Form der Eintrittspupille annehmen, die bei Spiegelteleskopen durch den Fangspiegel im Strahlengang ringförmig ist.
Bilder zur Kalibrierung aufnehmen
Die besprochenen Artefakte können beseitigt oder zumindest abgemildert werden, wenn eine Bildkalibrierung erfolgt. Dazu müssen zwei Arten von Kalibrierungsaufnahmen erstellt werden:1. Dunkelbilder (Darkframes)
Dunkelbilder werden genau so lange „belichtet“ wie die eigentlichen Himmelsaufnahmen. Allerdings wird dafür Sorge getragen, dass kein Licht den Sensor erreicht, also zum Beispiel durch Aufsetzen des vorderen Objektivdeckels!Das Resultat ist keine vollständig schwarze Aufnahme, denn das Dunkelbild enthält das komplette Dunkelstromrauschen. Dabei geht man von der Annahme aus, dass dieses Dunkelstromrauschen identisch ist mit demjenigen der Himmelsaufnahme. Eine solche Annahme ist gewagt, denn das Rauschen enthält stets auch eine statistische, nicht vorhersagbare Komponente. Diese jedoch ist glücklicherweise vom Betrag her relativ gering, sodass in erster Näherung die erwähnte Annahme durchaus zutreffend ist.
Um „passende“ Dunkelbilder zu produzieren, müssen möglichst alle Rahmenbedingungen, von denen das Dunkelrauschen abhängt, identisch sein mit denen der Himmelsaufnahmen. Das bedeutet, dass nicht nur die Belichtungszeit, sondern auch der ISO-Wert gegenüber den Himmelsaufnahmen nicht verändert werden darf. Ein Problem bereitet die Temperatur des Sensors, die bei den meisten Kameras (etwa bei allen digitalen Spiegelreflexkameras) nicht regulierbar ist. Das bedeutet, dass die Dunkelbilder möglichst zeitnah zu den Himmelsaufnahmen entstehen müssen, also entweder kurz vor- oder unmittelbar nachher. Da sich der Sensor während längerer Belichtungszeiten erwärmt, verbessern mehrere Dunkelbilder, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen worden sind und später gemittelt werden, das Resultat. Beispielsweise könnten Sie ein Dunkelbild vor und ein zweites nach einer Serie mit mehreren Langzeitbelichtungen anfertigen.
Praxis-Beispiel:
Sie möchten den Ringnebel im Sternbild Leier mit einer digitalen Spiegelreflexkamera ablichten. Dazu planen Sie acht Aufnahmen à zehn Minuten Belichtungszeit. Dann schalten Sie zunächst alle im Kameramenü angebotenen Mittel zur Rauschunterdrückung ab! Ausdrücklich gilt das für den Punkt „Rauschverminderung bei Langzeitbelichtungen“, weil ansonsten die Kamera im Anschluss an jede Belichtung automatisch ein Dunkelbild mit der gleichen „Belichtungszeit“ erstellen würde, was wertvolle Beobachtungszeit kostet. Die Hälfte der Beobachtungszeit müssten Sie dann für die automatisch erstellten Dunkelbilder investieren.Nach dem Abschalten dieser Funktion nehmen Sie als Erstes ein Dunkelbild mit allen Einstellungen auf, die Sie auch für die Himmelsaufnahme verwenden wollen. Danach folgt die Aufnahmeserie der acht zehnminütigen Belichtungen, gefolgt von einem weiteren Dunkelbild. Für die Aufnahme der Dunkelbilder setzen Sie den Objektivdeckel auf das Objektiv bzw. das Teleskop. Die beiden vorliegenden Dunkelbilder werden dann später gemittelt und von allen Himmelsaufnahmen subtrahiert. Sowohl die Himmels- als auch die Dunkelbilder müssen im RAW-Format aufgenommen werden, sonst funktioniert die Kalibrierung nicht.
2. Hellfeldbilder (Flatframes)
Hellfeldbilder entstehen, wenn Sie eine gleichmäßig helle Fläche fotografieren. Natürlich muss dieselbe Aufnahmeoptik verwendet werden, mit der auch die Himmelsaufnahmen entstehen.Um ein Hellfeldbild zu gewinnen, können Sie vor die Aufnahmeoptik ein Stück Papier befestigen. Für die Aufnahme wird dieses Papier dann möglichst gleichmäßig beleuchtet, zum Beispiel mit einer Taschenlampe.
Typisches Hellfeldbild. Es enthält die Vignettierung (dunkle Bildecken) und den abgebildeten Schmutz im Strahlengang (Flecken).
Praxis-Beispiel:
Sie haben die im Kapitel „Dunkelbilder“ besprochenen Aufnahmen des Ringnebels und die dazu passenden Dunkelbilder bereits „im Kasten“. Nun möchten Sie auch noch Hellfeldbilder erstellen. Sehr wichtig ist zunächst, dass die Anordnung von Kamera und Optik absolut unverändert bleiben muss! Nehmen Sie also nicht das Objektiv von der Kamera oder die Kamera vom Fernrohr ab und verändern Sie auf keinen Fall den Fokus! Damit die Schmutzpartikel auf der gleichen Stelle des Sensors abgebildet werden wie bei den Himmelsaufnahmen, ist es sogar ratsam, die Kamera nicht einmal anzufassen. Eine Steuerung der Kamera durch einen angeschlossenen Laptop ist auf jeden Fall zu bevorzugen, falls diese Möglichkeit besteht.Besonders kritisch ist es, wenn die Verbindung der Kamera zum Teleskop oder dessen Okularauszug nicht sonderlich stabil sind. Nun ist die Frage, wo Sie des Nachts eine gleichmäßig hell beleuchtete Fläche finden. Eine Möglichkeit wäre, dass Sie ein halbtransparentes Material (z.B. ein Stück Papier) vor der Frontlinse des Objektivs oder Teleskops anbringen, die dann auf der Vorderseite durch eine Lampe beleuchtet wird. Als Beleuchtungsquelle kommt sogar ein Blitzgerät infrage. Um die gewünschten, kurzen Belichtungszeiten zu realisieren, benötigen Sie eine helle Lichtquelle. Wichtig ist trotzdem die korrekte Belichtung des Hellfeldbildes. Es sollte reichlich belichtet werden, ohne jedoch in die Sättigung zu laufen.
Kontrollieren Sie dazu das Histogramm der Hellfeldaufnahme, dessen „Datenberg“ rechts der Mitte angeordnet sein sollte, ohne jedoch den rechten Anschlag zu erreichen. Bei Dauerlicht können Sie dazu die Kamera einfach auf Zeitautomatik („Av“ bzw. „A“) und die manuelle Belichtungskorrektur auf den Wert „+1,5“ stellen. Dann können die Hellfeldbilder sogar mit der Belichtungsautomatik der Kamera entstehen. Wichtig dabei ist, dass Sie bei Objektiven die gleiche Blende einstellen, die auch für die Himmelsaufnahmen benutzt wurde.
Zusammenfassend sei erwähnt, dass die Erstellung sowohl der Dunkel- als auch der Hellfeldbilder mit der größtmöglichen Sorgfalt vorgenommen werden sollte. Auf der einen Seite deshalb, weil sie nach dem Abbau nicht mehr reproduzierbar sind, auf der anderen Seite, weil durch die Verwendung „fehlerhafter“ Kalibrierungsaufnahmen das Resultat nicht verbessert, sondern sogar verschlechtert werden kann.
Kalibrierung durchführen
Letztlich ist die Kalibrierung eine mathematische Operation, bei der für jeden Pixel das Dunkelbild vom Rohbild abgezogen und dann durch das Hellfeldbild geteilt wird. Die Formel lautet also:Formel für die Bildkalibrierung.
Doch keine Sorge, Sie müssen diese Rechenoperation nicht für die vielen Millionen Pixel Ihrer Digitalkamera selbst durchführen; das erledigt eine geeignete Software für Sie.
Die Kalibrierung von Astroaufnahmen durch Dunkel- und Hellfeldbilder kann nicht mit herkömmlichen Bildverarbeitungsprogrammen, wie etwa Adobe Photoshop, vorgenommen werden. Das gilt auch und insbesondere für Fotos, die mit Farbkameras gewonnen wurden, also zum Beispiel einer digitalen Spiegelreflexkamera. Grund dafür ist die Farbsynthese aus dem Rohbild: Die einzelnen Pixel des Aufnahmesensors sind mit unterschiedlichen Farbfilterchen versehen („Bayer-Matrix“), wobei durch das Öffnen der Bilddatei automatisch eine Interpolation der RGB-Farbwerte für jeden Pixel erfolgt. Die Kalibrierung muss aber stattfinden, bevor die Farbsynthese durchgeführt wird!
Ich speichere zunächst meine Himmelsaufnahmen („Lightframes“) zusammen mit den Dunkelbildern („Darkframes“) und Hellfeldbildern („Flatframes“) in einem Ordner. In konkreten Fall handelt es sich um sieben Lightframes und je ein Dark- bzw. Flatframe. Das Motiv ist „Messier 57“, der Ringnebel im Sternbild Leier, den ich mit einer Canon EOS 450D bei ISO 800 sieben Mal zwei Minuten lang belichtete. Am besten lassen sich Verwirrungen vermeiden, wenn schon die Dateinamen aussagen, ob es sich um einen Light-, Dark- oder Flatframe handelt.
Durch „sprechende Dateinamen“ kann bereits zwischen den eigentlichen Himmelsaufnahmen, dem Dunkelbild (Darkframe) und dem Hellfeldbild (Flatframe) unterschieden werden, sodass es nicht zu Verwechslungen kommt.
Software DeepSkyStacker: Bildschirm nach dem Programmstart.
Software DeepSkyStacker: Öffnen der Himmelsaufnahmen („Lightframes“) durch Anwahl des Befehls Lightframes öffnen…
Software DeepSkyStacker: Werden Dateien per „Drag&Drop“ in den DeepSkyStacker importiert, fragt das Programm nach, um welchen Typ von Dateien es sich handelt.
Software DeepSkyStacker: Alle benötigten Dateien wurden importiert. In einer Liste kann kontrolliert werden, ob der richtige Dateityp angegeben wurde (Spalte „Art“, rote Ellipse).
Software DeepSkyStacker: Anzeige eines Einzelbildes aus der Liste (unterer roter Pfeil). Das Verschieben des Graupunktes (oberer roter Pfeil) nach links bewirkt eine hellere Darstellung.
Software DeepSkyStacker: Anzeige des Hellfeldbildes (unterer Pfeil). Es enthält die durch Vignettierung entstandenen, dunklen Bildecken, auf die oberen vier Pfeile hinweisen.
Vor dem Start der Kalibrierungsroutine achte ich darauf, dass alle Dateien durch ein Häkchen in dem Kasten links neben dem Dateinamen ausgewählt sind. Ist das nicht der Fall, klicke ich in der linken Menüspalte auf den Befehl Alle auswählen.
Software DeepSkyStacker: Start der Kalibrierungsroutine durch den Befehl „Ausgewählte Bilder stacken…“, wobei der Begriff „Stacken“ für das Überlagern der Einzelaufnahmen steht.
Software DeepSkyStacker: Dialogfeld zum Start der Kalibrierungs- und Stacking-Prozedur.
Stacking-Parameter der Software DeepSkyStacker, Registerkarte “Ergebnis“. Hier ist der „Standard Modus“ zu wählen.
Software DeepSkyStacker: Die Kalibrierung und das Stacking kann einige Zeit in Anspruch nehmen. Währenddessen wird eine Statusmeldung angezeigt.
Software DeepSkyStacker: Anzeige des Ergebnisbildes nach dem Kalibrieren und Stacken.
Software DeepSkyStacker: Das Dialogfeld „Speichern unter…“ erlaubt die Wahl des Dateiformats, hier einem TIF-Format mit 16 Bit pro Pixel und Farbkanal (roter Pfeil).
Geöffnete 32-Bit-Datei in Adobe Photoshop CS3. Die 32 Bit pro Pixel und Farbkanal werden in der Titelzeile des Bildfensters erwähnt (roter Pfeil).
Die Weiterverarbeitung von 32-Bit-Fotos in Photoshop ist allerdings stark eingeschränkt. Daher wandle ich sie zunächst in ein Format mit 16 Bit um. Ich wähle den Befehl Bild/Modus/16-Bit-Kanal… und bekomme folgendes Dialogfeld angezeigt:
Umwandlung eines Bildes von 32 nach 16 Bit mit Adobe Photoshop CS3.
Was nun folgt, ist sehr stark abhängig vom Ausgangsmaterial und nicht zu verallgemeinern. Bei dem Bild vom Ringnebel habe ich zunächst das Histogramm links beschnitten, um den Himmel dunkler erscheinen zu lassen (Befehl Bild>Anpassungen>Tonwertkorrektur….):
Verschiebung des Schwarzpunktes (markiert mit rotem Pfeil) aus der Nullstellung nach rechts.
Eine s-förmige Verbiegung der Gradationskurve in Photoshop bewirkt eine Kontraststeigerung. Der linke rote Pfeil zeigt die Stelle, an der die Kurve nach unten verbogen, der rechte Pfeil die Stelle, an der sie angehoben wurde.
Fertiges Foto des Ringnebels. Alle Artefakte sind durch die Kalibrierung verschwunden. Mit dem Pfeil markiert ist eine Galaxie im Hintergrund, nämlich IC 1296.
Der Einsatz des DeepSkyStackers hat in Bezug auf die Kalibrierung folgende Vorteile gebracht:
Verminderung des Dunkelrauschens der Einzelbilder durch Subtraktion eines Dunkelbildes
Schauen wir uns einen kleinen Ausschnitt eines Einzelbildes in hoher Vergrößerung an, so sind sowohl die Rauschverminderung als auch die Beseitigung von heißen und toten Pixeln gut zu erkennen. Die Dunkelbild-Kalibrierung für diesen Vergleich habe ich ebenfalls mit dem DeepSkyStacker vorgenommen:Kalibrierung einer Einzelaufnahme (links) durch ein Dunkelbild. Das Ergebnis ist rechts zu sehen: Der Rauschanteil ist verringert und die fehlerhaften Pixel sind verschwunden. Zu sehen ist jeweils nur ein kleiner Ausschnitt des Gesamtbildes.
Beseitigung der Vignettierung und der abgebildeten Schmutzpartikel im Strahlengang
Zunächst werfen wir einen Blick auf das gesamte Bild, um die durch Vignettierung entstandenen, dunklen Bildecken zu beurteilen. Deutlich ist zu sehen, dass der DeepSkyStacker durch Anwendung eines Hellfeldbildes diesen Fehler vollständig beseitigen konnte:Während auf dem Rohbild (links) die Vignettierung in Form dunkler Bildecken zu erkennen ist, wurde durch Anwendung eines Hellfeldbildes dieses Artefakt eliminiert (rechts).
Bei genauem Hinsehen finden sich auf den Einzelaufnahmen kleine dunkle Flecken, verursacht durch Staub auf dem Sensor (ganz links, Ausschnitt eines Rohbildes). Der gleiche Ausschnitt aus dem Hellfeldbild (Mitte) zeigt dieses Staubpartikel ebenfalls. Durch Kalibrierung verschwindet es (rechts).
Noch etwas lässt die obige Abbildung erahnen: Beim Vergleich des einzelnen Rohbildes (links) mit dem Ergebnis der gemittelten sieben Aufnahmen (rechts) ist auffällig, dass durch die Verrechnung mehrerer Einzelaufnahmen eine abermalige Reduktion des Rauschens erreicht wurde. Diese Methode zur Bekämpfung des Bildrauschens wird das Thema des folgenden und zugleich letzten Teils der Tutorialserie „Astro- und Himmelsfotografie“ sein.
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anton610
06.02.2012 - 20:09
Danke!
super Tutorial!
prikkelpitt
02.02.2011 - 21:34
Danke, hat mir sehr geholfen!
Aloha78
14.12.2010 - 14:57
Super Beitrag. Also sind Offsets nicht nötig oder nur bedingt?
SBCriss
05.08.2010 - 18:31
Danke hat mir sehr geholfen, jetzt brächte man nur noch sternenklare Nächte :p
RalfK123
09.07.2009 - 15:47
Wieder ein sehr umfangreicher und informativer Beitrag, Vielen Dank!
steinik
07.07.2009 - 15:40
Danke für sehr ausführliche Arbeit. Gut beschrieben.
Tom321
01.07.2009 - 06:44
interessante Vorgehensweise. Vielen Dank
X_pixel
30.06.2009 - 06:56
respekt, sehr umfangreich und aufwändig; das wichtigste -> sehr interessant!
roman2
29.06.2009 - 16:59
wie immer genial !!!!!!!!!!!!!!!!!!!
Schlawiner
28.06.2009 - 18:34
Hervorragende Arbeit!
User hat PSD-Tutorials.de verlassen
28.06.2009 - 18:21
Klingt schwierig, aber hochinteressant.
Toll beschrieben - viel Mühe investiert.
Clairvoyant
28.06.2009 - 17:31
Wow... Nicht schlecht. Da will man gleich anfangen damit aber ist net so einfach wie man denkt..*gg*
BS1508
28.06.2009 - 12:43
Ein echt spannendes Thema super beschrieben.
Weichzeichner
28.06.2009 - 11:50
Alle Achtung, sehr interessante Methode, ich wette, das Programm lässt sich auch für andere Zwecke zweckentfremden. 5 Sterne!