Astrofotografie :: Rauschreduktion - Luftunruhe

 
Die durch die Luftunruhe (Seeing) verursachten Verfälschungen der Aufnahme gehören als zufällig auftretene Störungen ebenfalls zu den unsystematischen Fehlern. Reduziert wird dieser Fehler, genau so wie beim Rauschen, durch Aufaddieren von vielen Einzelaufnahmen.

Rauschreduktion - Luftunruhe

Die Ursache der Luftunruhe geht letztlich auf die Tatsache zurück, daß der optische Brechungsindex der Luft temperaturabhängig ist. Dazu kommt, daß die Luft ständig in Bewegung ist, warme Luftmassen steigen auf, kältere sinken im Gegenzug ab, und der Wind verwirbelt das ganze noch hübsch miteinander.

Dieses ständige "Flimmern" und "Wabern" läßt unsere Sterne zwar schön funkeln, stellt den Astrofotografen jedoch vor ein ernstes Problem: Ein stark vergrößertes Himmelsobjekt wird nach der "Behandlung" durch unsere unruhige Atmosphäre ähnlich stark verzerrt wie eine Münze am Grund eines gefüllten Schwimmbeckens.

Es gibt aber sehr kurze, mit dem bloßen Auge kaum wahrnehmbare Momente, in denen sich die Luft vor dem Himmelsobjekt sehr ruhig verhält. Wird eine möglichst kurz belichtete Aufnahme (höchstens 1/10s) zufällig gerade in diesem Moment gemacht, kann man diesen "Schnappschuß" als Einzelbild zur Weiterverarbeitung verwenden. Hat man mehrere solcher "Schnappschüsse" gesammelt, wird man feststellen, daß immer noch - manchmal an dieser, manchmal an jener Stelle - deutliche Verzerrungen auftreten.

Da diese Verzerrungen statistisch, also zufällig, auftreten, lassen sie sich, genau so wie beim Rauschen, durch Aufaddieren möglichst vieler Einzelaufnahmen erheblich reduzieren. Der dadurch entstehende Schärfeverlust kann durch gezieltes Nachschärfen beseitigt werden.

Die Praxis:

In diesem etwas ungewöhnlichen Praxisbeispiel wird das Gipfelkreuz des Brauneck (1.555m) von Bad Tölz aus mit folgenden Gerät aufgenommen und bearbeitet:

Entfernung:    10,1 Km
Öffnung:         60 mm
Brennweite:     750 mm
Kamera:         Philips ToUcam PCVC840K
Belichtung:     1/500 s, fokal, keine Nachverstärkung
V (Bildschirm):  78 × - 1 Pixel = 1,55" = 75,9mm in natura
Sicht:          Mäßig

Alle Aufnahmen können durch Anklicken in der Originalgröße dargestellt werden. Nur so werden alle Details sichtbar.
 
Einzelaufnahme
 
  Dies ist eine der besseren Einzelaufnahmen aus den insgesamt 256 Aufnahmen des Gipfelkreuzes. Die kurze Belichtungszeit "friert" die Luftunruhe ein, was hier schon zu einer Schärfe führt, von der der Betrachter durch das Okular nicht einmal zu träumen wagt.

Allerdings sind die Verzerrungen, die die Luftunruhe hinterläßt, ebenfalls eingefroren und können in ihrer ganzen "Pracht" bewundert werden.
 
Kombination aus 25 Einzelbildern
 
Nun werden im Giotto aus den 256 Einzelaufnahmen die besten 25 herausgepickt und aufaddiert.

Wie man schön erkennen kann, verschwindet das Farbrauschen des Kamerachips fast vollständig. Auch die Verzerrungen durch die Luftunruhe werden so weitgehend ausgemittelt. Nur die Wanderer, die sich ja ständig bewegen, werden sehr unscharf. Dies sollte den Astrofotografen jedoch nicht weiter stören, denn auf den anderen Himmelskörpern kommen Wanderer eher selten vor ;=}
 
Histogrammkorrektur Nun wird das Histogramm im GIMP korrigiert. Bei kontrastarmen Bildern wie diesem, gibt es Helligkeitsbereiche, die im Bild nicht vorkommen. Diese werden im Histogramm einfach ausgeblendet und der Rest entsprechend aufgedehnt, was zu einer enormen Kontrastverbesserung führt, ohne daß dem Bild irgendwelche Informationen verloren gehen. Aber nicht übertreiben!

Tip: Gleich das FITS-Format, das Giotto liefert, in den GIMP laden und das Histogramm automatisch stretchen lassen. Da das FITS-Format mit 16 Bit / Farbkanal auflöst, bleibt so auch nach dem Stretchen die volle Farbauflösung von 8 Bit erhalten und damit das Quantisierungsrauschen gering.
 
Farb- und Kontrastkorrektur
 
Um dem Bild ein natürliches Aussehen zu verleihen, werden die Helligkeitskurven für jeden Farbkanal einzeln eingestellt. Dunkle Bereiche sollten grundsätzlich etwas aufgehellt werden, da Details darin sonst zu schwer zu erkennen sind.
Finales Entrauschen und Schärfen
 
Mit Neat Image wird das leichte Restrauschen entfernt und die Konturen vorsichtig nachgeschärft. Auch hier sollte man nicht zuviel "Gas geben", denn sonst leidet die Natürlichkeit der Aufnahme darunter.
Brauneck in der Morgensonne
 
Selbstverständlich ergeben sich stets die besseren Resultate, wenn die Bedingungen optimal sind. Das Licht der frühen Morgensonne kann (und sollte) auch die beste Bildbearbeitung nicht herzaubern.
Brauneckhaus
 
Zum Schluß noch ein anderes Beispiel. Auf dem Bild links ist das Brauneckhaus mit der Gipfelstation in (fast) allen Einzelheiten zu erkennen.

Hierbei darf nicht vergessen werden, daß diese Aufnahme rund 10Km davon entfernt entstanden ist.
 

Faszinierend: Im Okular betrachtet, zeigt sich das Gipfelkreuz bei gleicher Vergrößerung relativ unscharf und von der ständigen wabernden Luftunruhe völlig verzerrt. Einzelheiten am Nordhang unterhalb des Gipfels sind nur mit äußerster Mühe zu erkennen.

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