Skyris - Planetenfotografie

von Christopher Go mit Ergänzungen von Wolfgang Paech

Diese Webseite ist die Umsetzung eines Powerpointvortrags von Christopher Go auf dem Celestron Perspective Seminar von 2013. Sie können die englischen Folien auch hier herunterladen.

Die Erdatmosphäre, Seeingbedingungen

Wir leben am Boden eines großen Luftozeans und das Licht eines jeden Beobachtungsobjektes durchläuft die Erdatmosphäre bevor es in unser Beobachtungsteleskops eintritt.

Als Seeing bezeichnet man die Qualität der Ersatmosphäre über dem Teleskopstandort. Die Atmosphäre der Erde ist durchmischt von vielen verschiedenen lokalen Schichten, die unterschiedliche Temperaturen haben können (siehe Abbildung links).

Turbulente Luftbewegungen (Wind und Thermik) verursachen zufällige atmosphärische Temperatur und Dichteschwankungen. Daraus ergeben sich kleinräumige Änderungen des Brechungsindex mit dem Resultat dass das beobachtet Bild des Mondes nicht gleichmäßig scharf ist.

Das Seeing besteht aus mehreren Komponenten die weiter unten auf dieser Seite angesprochen werden.

Das Seeing verfälscht und verändert die Abbildung eines Beobachtungsobjektes in vielfältiger Form. Man unterscheidet generell zwischen dem

  • Blurring: die Einzelbilder sind insgesamt unscharf, die Bilder "blähen" sich auf und "schrumpfen" in schnellem Wechsel und den
  • Image motion: die Einzelbilder bleiben scharf fokussiert aber zeigen einen schnellen Ortswechsel im Gesichtsfeld, Detailstrukturen werden verzerrt dargestellt.

Im allgemeinen überlagern sich beide Effekte und das wird als durchschnittliches Seeing bezeichnet.

Die allgemeinen Seeingbedingungen der oberen Atmosphäre sind naturgemäß durch den Beobachter nicht zu beeinflussen. Die Länge des Lichtweges vom Mondlicht durch die Atmoshäre spielt aber durchaus eine Rolle, denn je länger der Lichtweg ist, desto stärker wird das Licht durch das Seeing beeinflusst. Deshalb gilt:

Je höher das Aufnahmeobjekt über dem Horizont, desto geringer die Einflüsse von Seeingeffekten. Zwischen dem Zenit und 30 Grad über dem Horizont legt das Licht einen doppelten Weg durch die Atmosphäre zurück, zwischen 30 und 15 Grad Horizonthöhe verdoppelt sich der Lichtweg erneut.

Tipp: Seeingeffekte sind Wellenlängenabhängig! Im blauen Spektralbereich sind die Seeingeffekte deutlich größer als im roten Wellenlängenbereich.

Der Einsatz von Gelb- und Rotfiltern ist sinnvoll, um das Seeing zu "beruhigen". Die daraus resultierende Verlängerung der Belichtungszeit kann durch eine Erhöhung der elektronischen Bildverstärkung (Gain) kompensiert werden.

Noch besser funktionieren sogenannte IR Bandpassfilter. Hier wird der komplette sichtbare Spektralbereich ausgefiltert und die Einzelbilder werden im nahen Infrarotlicht aufgenommen. Hier kommen als Aufnahmeteleskope allerdings nur noch Spiegelteleskope in Frage.

Preiswerte Refraktorobjektive erzeugen vielfach Bildungschärfen durch die sogenannte Restchromasie. Solche Objektive sind für den grünen Spektralbereich optimiert, weil das menschliche Auge in diesem Spektralbereich am empfindlichsten ist. Hier können Infrarotfilter nicht mehr eingesetzt werden. Obligatorisch sollte jedoch ein UV/IR Sperrfilter in den Strahlengang gesetzt werden. Dieses filtert den ultravioletten- und den infraroten Spektralbereich aus (indem Videokameras durchweg empfindlich sind).

Eine weitere Verbesserung der Abbildungsqualität kann an diesen Teleskopen erreicht werden, wenn statt des UV/IR Sperrfilter ein Linienfilter im grünen Spektralbereich eingesetzt wird. Dieses schneidet aus dem kompletten Spektralbereich denjenigen Bereich heraus, für den diese Objekte optimiert sind, z. B. ein Baader SolarContinuum Filter.

Lucky Imaging

Unter dem Begriff Lucky Imaging - manchmal auch Speckle Fotografie genannt - verbirgt sich eine Aufnahmetechnik, mit der innerhalb einer kurzen Zeitsequenz viele Hunderte von Einzelbilder mit sehr kurzer Belichtungszeit mit einer Videokamera aufzunehmen. In den Momenten sehr guter Seeingbedingungen nimmt die Vodeokamera mehrer Dutzend von Einzelbildern auf, die dem theoretischen Auflösungsvermögen des Aufnahmeteleskops entsprechen.

Nach der Aufnahme solcher Videosequezen übernimmt in der Nachbearbeitung eine entsprechende Software, die eine Qualtitäsanalyse der Einzebilder vornimmt und die besten Einzelbilder zu einem Summenbild aufaddiert. Durch diese Bildaddition wird das Rauschen der Einzelbilder minimiert. Sinnvolle Beobachtungsobjekte für den Amateuastronomen sind hier Sonne, Mond, Planeten und Doppelsterne.

Entwickelt wurde die Lucky Imaging Technik in den 80ger Jahren des letzten Jahrhundert von professionellen Astronomen.

Für den heutigen Einsatz in der Amateurastronomie sorgten u. a. die Entwicklung von

  • preisgünstigen Web- und Videokameras,
  • ständig sinkende Preis für schnelle Computer mit großer Speicherkapazität und
  • die Entwicklung von Steuer- und Auswertesoftware, zugeschnitten für den Amateurbereich

Die richtige Ausrüstung

  • Teleskop
  • Kamera
  • Zubehör

Die Öffnung des Aufnahmeteleskops:

Je größer die Teleskopöffnung, desto höher die resultiernde Bildauflösung

Die folgende Abbildung zeigt Aufnahmen des Planeten Jupiters (von links nach rechts) mit einer Öffnung von 200- 280- und 360mm.

Zur Auswahl der Aufnahmekamera

Webcam, z.B. die Celestron NexImage Mond- und Planetenkamera

  • VORTEIL: preiswert und simple in der Bedienung
  • NACHTEIL: hohes Bildrauschen und nur Farbkameras verfügbar

Hochqualitative Videokamera mit Industriequalität, z.B. die Celestron SkyRis Kamera (wird nicht mehr produziert, ist ersetzt durch NexImage Kameras mit Aptina Chip)

  • VORTEIL: unkomprimierte Aufnahmen mit hoher Bildaufnahmerate möglich (frames per Second) Geringes Bildrauschen
  • NACHTEIL: teuer und ein schneller Rechner zur Bildaufnahme erforderlich

Monochrome oder Farbe ?

Single Shot Farb CCD

  • VORTEIL: einfache Aufnahmetechnik und schnelle Bildverarbeitung
  • NACHTEIL: unempfindlich, da das Licht über Filter über eine Bayer Filtermatrix in die drei Grundfarben zerlegt wird.
    Bei tief über dem Horizont stehende Aufnahmeobjekte Probleme mit der atmosphärischen Dispersion.

Schwarz-Weiß CCD

  • VORTEIL: sehr empfindlich, sehr hohe Bildqualtität. Keine Probleme mit der atmosphärischen Dispersion
  • NACHTEIL: Komplizierte Bildverarbeitung - bei RGB Sequenzen erforderlich. Zum Kamera Interface - Datenübertragung von der Kamera zum Rechner

USB 2.0 hat eine maximale Datenübertragungsrate von 480 Mb pro Sekunde. USB 3.0 erreicht maximal 4. Gb/s. USB 3.0 kann eine externe Spannungsversorgung erforderlich machen. Beide Schnittstellen sind Standard an modernen PCs oder Laptops

Firewire A überträgt maximal 400 Mb/s, FireWire B bis zu 800 Mb/s. Schnittstellen an Standard PCs oder Laptop sind selten. In den meisten Fällen wird ein Adapter und eine externe Spannungsversorgung benötigt.

Ethernet hat eine RJ 45 Schnittstelle. Datenübertragung bis maximal 1 Gb/s. Erfordert spezielle GigE Kabel und eine externe Spannungsversorgung.

Sinnvolles Zubehör

  • Barlowlinsen verlängern die Primärbrennweite des Aufnahmeteleskops, siehe auch hier. Mehr zur Optimierung der Aufnahmebrennweite lesen Sie hier.
  • Filterräder erlauben einen schnellen, vibrationsarmen Wechsel von Filtern bei der Aufnhame (z.B. das Celestron SkyRis Filterrad),
  • RGB Filter erlauben die Farbfotogrfie von Planeten mit monochromen CCD Videokameras
  • UV, IR und Methan Band Filter erlauben die Verstärkung von atmosphärischen Details bei den großen Gasplaneten,
  • Klappspiegel sparen Zeit bei der Zentrierung der Aufnhameobjekte bei sehr langen Aufnahmebrennweiten,
  • Elektrisch angetriebene Fokussiereinheiten erlauben die berührungslose Fokussierung des Teleskops, z.B. der Baader SteelDrive,
  • Anti Vibrationspads zum Aufsetzen des Montierungsstativs reduzieren Schwingungen (unbedingt empfehlenswert für transportable Aufnahmeteleskope).

Aufnahmevorbereitungen

  • Arbeiten Sie transportabel, so suchen Sie sich einen Beobachtungsstandort mit guten Seeingbedingungen. Je besser die allgemeinen Seeingbedingungen desto besser Ihre Bildergebnisse,
  • Lassen Sie Ihr Teleskop austemperieren. Höchste optische Abbildungsqualität lässt sich nur erreichen, wenn ALLE Teleskopkomponenten an die Umgebungstemperatur (Luft) angepasst sind. Dies gilt für ALLE Teleskopsysteme. Große Teleskope benötigen wegen der größeren Optik eine längere Zeit, als kleine Teleskope. Spiegelteleskope reagieren empfindlicher auf Temperatutunterschiede, Refraktorobjektive sind anfällig.
  • Kollimieren Sie Ihre Aufnahmeoptik vor jeder Beobachtung, speziell wenn Sie transportabel arbeiten (müssen). Ein paar Tipps zur Kollimation finden Sie hier. Lesen Sie zur Kollimation auch die Bedienungsanleitung zu ihrem Teleskop,
  • und planen Sie Ihre Planetenaufnahmen. Einen großen Funktionsumfang für Aufnahmen von Jupiter und Saturn bietet Ihnen die kostenlose Software WinJUPOS von Grischa Hahn.

Tipps + Tricks zur Bildaufnahme

ICapture der Celestron SkyRis Kamera

ICapture der Celestron SkyRis Kamera

Normalerweise wird zu jeder Kamera auch eine Software zur Aufnahmesteuerung geliefert. Diese unterscheiden sich naturgemäß.

Wählen Sie einen vernünftigen Kompromiss zwischen Belichtungszeit und Verstärkung (Gain), achten Sie bei Mondaufnahmen, dass helle Kraterränder nicht überbelichtet werden (lassen Sie sich von der Aufnahmesoftware das Histogramm anzeigen). Eine Erklärung des Histogramms finden Sie hier:

  • Eine hohe (elektronische) Verstärkung erlaubt kürzere Belichtungszeiten, aber das Bildrauschen ist hoch. Um wenig verrauschte Summenbilder zu erhalten, müssen deutlich mehr Einzelbilder aufsummiert werden.
    Eine geringe (elektronische) Verstärkung ergibt rauscharme Bilder, die Belichtungszeit muss jedoch erhöht werden. Finden Sie deshalb ihren persönlichen Kompromiss, der natürlich auch von der Nachbearbeitung der Rohavifiles abhängig ist,
  • Machen Sie sich mit Ihrem Equipment vertraut und versuchen Sie eine Standardroutine für die Rohavifiles zu finden (Anzahl der Einzelbilder, Verstärkung, Belichtungszeit, etc),
  • Konfigurieren Sie die Aufnahmesoftware so, dass im Filenamen das Datum und die Uhrzeit in UT abgespeichert werden,
  • Setzen Sie den Gammawert so niedrig wie möglich (zu geringe Kontraste lassen sich später in der Bildverarbeitung anheben. Zu starke Kontraste in den Rohbildern lassen sich nicht korrigieren,
  • Nutzen Sie die höchste Bildaufnahmerate, die bei gegebener Belichtungszeit und Verstärkung möglich ist,
    Begrenzen Sie mit der Funktion ROI (Region of Interest) der Aufnahmesoftware den Bildausschnitt. Je kleiner die Einzelbilder, desto schneller nach Bildverarbeitung,
  • Zur Fokussierung: Nehmen Sie sich die Zeit, das Mondbild optimal zu fokussieren (Bildschärfe). Unscharfe Einzelbilder können auch nachträglich durch die Auswertesoftware nicht scharf gerechnet werden. Mit einiger Erfahrung sehen Sie auch sofort ob schlechte Seeingbedingungen durch die Atmosphäre oder durch eine nicht austemperierte Optik entstehen,
  • Starten der Bildaufnahme: Jede Aufnahmesoftware zeigt Ihnen ein Lifebild der Kamera. Starten Sie ihre Videosequenz während die Seeingkonditionen gut sind. Die Einzelbilder sollten in der möglichst höchsten Bildrate (frames per second) aufgenommen werden.

Merke: Die Qualität des Endergebnisses ist abhängig von der Qualität der Rohbildaufnahmen!

Haben Sie Ihre Steuersoftware zur Bildaufnahme und Ihr Equipment unter Kontrolle, wechseln Sie eventuell zur Aufnahmesoftware FireCapture.

FireCapture ist eine Public Domain Software (frei verfügbar) von Thorsten Edelmann. Zur Zeit (Ende 2013) die wohl anpassungsfähigste Aufnahmesoftware zur Planetenfotografie mit Webcams und Videokameras. Sie

  • unterstützt eine große Vielzahl von Kameras,
  • übernimmt die Kontrolle und Ansteuerung einer großen Anzahl von Filterrädern für RGB Sequenzen,
  • sie hat eine Autoguider Funktion, um die Kameras zur Nachführung für lang belichtete Astroaufnahmen einzusetzen und
  • sie ist kostenlos

Moderne Planetenfotografie - Tipps + Tricks zur Bildbearbeitung

Die Software, die die Bearbeitung der Rohavifiles übernimmt, ist ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil für die erfolgreiche hochaufgelöste Detailfotografie von Mondformationen. Ursprünglich von professionellen Astronomen für das "lucky imaging" entwickelte Software ist seit einigen Jahren auch als Freeware für Amateure zugänglich.

Diese Softwarepakete analysieren die Qualität der Einzelbilder einer Videosequenz, wählen die besten Einzelbilder der Sequenz aus und addieren diese Bilder zu einem Summenbild, welches dann in einer abschließenden Bildverarbeitung zum Endbild verarbeitet werden.

In der Zwischenzeit ist die dritte Generation solcher Softwarepakete verfügbar. Die drei aktuellsten Auswertesoftwaren sind frei im download verfügbar unter:

Die Entwicklung der Softwarepakete im Laufe der Jahre war folgende:

  • 1. Generation: Auswahl und Aufaddieren der besten Einzelbilder (2 Referenzpunkte),
  • 2. Generation: Auswahl, Aufaddieren und Korrektur von Bildverzerrungen durch Seeingeffekte der Einzelbilder (mehrere Referenzpunkte) und
  • 3. Generation: Auswahl der besten Bildsegmente in Einzelbildern, Korrekturen von Bildverzerrungen und Aufaddieren der einzelnen Bildsegmente zu einem Summenbil (z.B. Avistack unterteilt das Einzelbild im default Modus in 64 Bildsegmente und setzt weit über 1.000 Referenzpunkte).

Die Auswertesoftware:

Autostakkert arbeitet mit Multipunkt Ausrichtungspunkten, ist sehr einfach zu bedienen und liefert Superergebnisse. Autostakkart zentriert das endgültige Summenbild in die Bildmitte und erleichtert damit eine RGB Addition. Die Software verfügt über eine Funktion das Rohsummenbild zu vergrößern (1,5x Drizzle Filterung).

RegiStax hat die moderne Planetenfotografie revolutioiert und hat vorzügliche Waveletfilter zur Bildschärfung des Summenbildes. Auch RegiStax verfügt über eine Funktion das Rohsummenbild zu vergrößern (1,5x Mitchell Filterung).

AviStack arbeitet ebenfalls mit Multipunkt Ausrichtungspunkten, hat auch vorzügliche Waveletfilter und verfügt über einen "batch-modus" mit dem viele Rohavifiles vollautomatisch abgearbeitet werden.
ALLE drei Softwarepakete sind Freeware, also kostenlos und haben ausführliche Bedienungsanleitungen in vielen Sprachen. Probieren Sie alle drei und nutzen Sie anschließend die Software, mit der SIE am besten klarkommen.

Die RGB Aufnahmetechnik

Bei der RGB Aufnahmetechnik werden vom Aufnahmeobjekt mit einer monochromen Viedeokamera je drei Rohavisequenzen mit einem Rot (R-), Grün (G)- und Blaufilter aufgenommen. Nach Auswertung der drei files werden diese monochromen Aufnahmesequenzen zu einem Farbbild addiert.

  • Vorteil: Die monochrome Kamera erlaubt wesentlich kürzere Belichtungszeiten als eine Farbkamera ...
  • Nachteil: Es müssen für ein Endbild drei Avifiles verarbeitet werden.

Bei der L-RGB Aufnahmetechnik wird das Luminanzbild (L, monochrome) zur Seeingberuhigung ev. mit einem IR-Passfilter aufgenommen und die Farbinformationen dann über die RGB Kanäle dem L-Kanal überlagert.

Bei beiden Verfahren sollte das Grünbild als Referenzbild benutzt werden und L-R/B zum Grünbild ausgerichtet werden.

Ein großes Problem bei der RGB, bzw. L - RGB Aufnahmetechnik ist das Zeitintervall, in dem die einzelnen Rohavisfiles aufgenommen werden. Durch die kurze Rotationsperioden von Jupiter und Saturn kommt es bei zu langen Zeitintervallen zwischen den Farbauszügen zu Bildunschärfen.

Mit der Software WinJUPOS können Rotationsunterschiede zwischen den RGB Rohfiles praktisch "rückgerechnet" werden. Das Ergebnis sind wesentlich schärfere Endsummenbilder.

Setzen Sie eine Highspeed Videokamera, wie zum Beispiel die Celestron [prodcut sku="825151] Kamera ein, die extrem hohe Bildaufnahmeraten (frames per Second, bis 120 Bilder pro Sekunde) erlaubt, können Sie sich den Verarbeitungsaufwand mit WinJUPOS allerdings auch sparen.

Postprocessing, die Bearbeitung bis zum Endbild

Das resultierende Summenbild wird üblicherweise in einer normalen Bildverarbeitung - zum Beispiel mit Photoshop oder einer ähnlichen Software - zu einem Endbild verarbeitet.

Achten Sie darauf ihre Bilder nicht zu überschärfen. Oft ist weniger besser als zu viel. Mit einiger Erfahrung haben Sie nach einiger Zeit Ihren persönlichen Ablauf der Arbeitsschritte. Das Bild links zeigt das Beispiel eines Bildes mit zu hohen Kontrasten und Überschärfung.

Merke: Perfekte Bildverarbeitung ist eine Kunst, orientieren Sie sich schon an den Ergebnissen anderer Beobachter aber kopieren Sie ihn nicht. Im Laufe der Zeit entwickelt jeder seinen eigenen, persönlichen Stil.

Einige letzte Hinweise...

  • stellen Sie Ihre Bilder immer in der gleichen Orientierung dar (Norden oder Süden oben),
  • Beschriften Sie Ihre Bilder mit einer Bildlegende,
  • geben sie die Aufnahmezeit in Weltzeit an (UT), bei RGB Aufnahmen legen Sie den Grünkanal für die Aufnahmezeit,
  • geben Sie den Zentralmeridian für den Aufnahmezeitpunkt an, bei Aufnagmen von Jupiter und Saturn geben Sie alle drei Meridiane an (die Daten berechnet Ihnen WinJUPOS),
  • bei Bildbearbeitung mit dem Derotationstool geben Sie die Gesamtaufnahmezeit an, Ihren Namen und Beobachtungsort.

Überprüfen Sie Ihre Jupiter- und Saturn Rohavifiles auf möglich Einschläge von Asteroiden mit der Jovia Impact Detection Software ...

Archivieren Sie Ihre Rohdaten, brennen Sie die Rohavis in komptimierter Form auf DVD oder Blue Ray ...

Unter folgender URL können sie z.B. Ihre eigenen Bilder veröffentlichen:

Viele weitere Tipps + Tricks zur modernen Planetenfotografie und Aufnhahmen finden Sie auf der Homepage von Christopher Go.