Sonnenfotografie
Verarbeitungsverfahren einer Videosequenz mit Stapelung und Schärfung


Einleitung

Die Fotografie von flächigenObjekten, wie Mond, Sonne und Planeten, wird heutzutage vorwiegend mit leistungsfähigen, astronomischen Videokameras gemacht. Die Videotechnik ermöglicht hervorragende Unterdrückung von Seeing-Effekten, hervorgerufen durch die turbulente Atmospäre. Speziell die Fotografie der Sonne kämpft mit der Luftunruhe , die am Tage besonders variabel und stark sein kann.
Aus diesem Grund sind für gute Fotoresultate schnelle, empfindliche Kamerasensoren von Vorteil. Man kann dann Belichtungszeiten für die Einzelbilder (Frames)  von bis zu 1/1000 s erreichen, je nach verwendetem optischen System.
Nach der Erzeugung einer Viedeosequenz aus mehreren 100 (oder 1000) Frames , meist im AVI-Format, steht dann die Vearbeitung an, die zu einem optimalen Resultatbild führt. Zunächst kommt ein „Stapelprogramm“ (Stacking-Programm) zu Einsatz, das die Bildfolge in programminternen Schritten übereinanderlegt und ein Resultatbild liefert. Stapelprogramme für Sonne-, Mond- und Planeten- Fotografie müssen  andere Verfahren zur Bildkorrektur verwenden als die „Deep-Sky“ Stapler, die die Sterne als Referenzpunkte zur Korrektur verwenden können. Die Referenzpunkte müssen hier anhand von markanten Bilddetails (Sonnengranulen, kleine Mondkrater usw. ) automatisch oder manuell ausgewählt werden. Bei allen Stackern dienen diese Bildpunkte dann zur Korrektur einer Bilddrift (Nachführfehler) und den Auswirkungen der turbulenten Atmospäre (Bildverformumgen , „Seeing-Fehler). Gute Stapler liefern auch bei schlechterem Seeing erstaunlich aufgelöste Bilder. (Weiter unten werden einige Beispiele für die Sonne gezeigt)

Das für mich beste Programm für Sonnenfotografie ist AVIStack von Michael  Theusner (www.avistack.de). Es ist zunächst etwas gewöhnungsbedürftig durch die Kozeption von separaten Fenstern. Aber man gewöhnt sich schnell daran und der generelle Verarbeitungsablauf ist übersichtlich steuerbar, auch mit einer Möglichkeit viele Bilder  automatisiert abarbeiten zu lassen.


Die unten skizzierten Verarbeitungsschritte sind konfigurierbar und können dann automatisch in einem Schwung durchlaufen werden. Die Grundeinstellungen sind im Allgemeinen ausreichend für ein gutes Ergebnis. Weiter unten wird ein Verarbeitungsablauf für eine Videosequenz gezeigt.


 Verarbeitungsablauf in AVIStack:

1. ) Auswahl von Einzelbildern (Frames) nach Qualität (Schärfe und Helligkeit)

2.) Setzen von 2 Bildpunkten zum Ausrichten der ausgewählten Frames (Korrektur von
     Nachführungsdriften)

3.) Ausrichten der Bilder

4.) Setzen von Referenzpunkten, verteilt über die Bildfläche (generiert von AVIStack,
      manuell veränderbar) Diese Punkte dienen zum Ausgleich einer Bildverformung
     durch Seeingfehler.

5.) Aufteilung der Bilder in Bereiche um die Referenzpunkte. Bestimmung der
      Bildqualität in diesen Bereichen.

6.) Ausrichtung der Referenzpunkte über alle Frames

7.) Auswahl der besten Bereiche jedes Frames

8.) Stapelung  der Frames zum Resultat Rohbild.


Nach Start des Programms erscheinen drei Fenster, links die Steuerung der Eingabedateien, in der Mitte die Liste der Verarbeitungsschritte, jeweils aufklappbar zur Einstellung der betreffenden Parameter. Rechts ein Fenster für die Anzeige der Videoframes.

Nach Auswahl einer AVI-Datei kann im Schritt „Frame selection“  eine wählbare Anzahl von „besten“ Bildern automatisch bestimmt werden. Die Auswahl erfolgt über eine Bestimmung der Bildschärfe durch Kontrastanalyse. Die ausgewählten Frames können dann auch manuell überprüft werden, was aber in der Praxis unnötig ist.
In der Regel ist es sinnvoll, von einer Bildsequenz ungefähr 10% mit bester Qualität für die weitere Verarbeitung zu behalten. Die Wahrscheinlichkeit eine gute Auswahl Frames zu erhalten steigt natürlich mit der Länge der Videosequenz. Bei Kameras mit gößerer Pixelzahl steigt der Speicherbedarf einer AVI-Datei rasch auf einige Gigabyte.
Der Schritt „Frame Selection“ sollte auf „manuell“ gestellt sein, um den Auswahlprozeß evtl. nochmal zu steuen.
Im Fenster „Frame Selection“ wird „Quality Analysis“ gesetzt und mit dem Regler für  „Quality Cutoff“ der Prozentsatz für die Auswahl eingestellt. Ein Druck auf  „Calculate“ startet die Analyse.


  
                 


Nach dem Auswahlprozeß bleiben die grün markierten Frames, links unten, für den weiteren Ablauf übrig. Über „OK“ startet der nächste Schritt, die Ausrichtung der ausgewählten Frames.


Dieser Schritt des „Frame Alignment“ sollte bei einer Einzelverarbeitung auf „manual“ gestellt bleiben, um die Setzung der beiden Justierungspunkte zu kontrollieren. Bei Bildern mit wenig markanten Details kann es nötig sein, die Punkte auf andere Bilddetails zu setzen. Die anderen Schritte können dann mit den Voreinstellungen bis zum Schritt „Frame Stacking“ durchlaufen.


Vor dem endgültigen Stapelprozess kann noch ein „Flat“ gesetzt werden das beim Stapeln angewendet werden soll.
Sinnvoll ist dies einmal zum Unterdrücken von Flecken auf den Bildern, hervorgerufen durch Staubkörnchen auf dem Kamerasensor oder einer optischen Fläche.  Zum anderen zur Unterdrückung von Vignettierung und Interferenzeffekten bei der H-Alpha Fotografie. Kleine Kollimationsfehler im Strahlengang vor dem H-Alphafilter führen zu diesen Bildfehlern.

(Siehe auch den Bericht: 

)

Kleine Kamerasensoren, wie die der DMK21Au618 von TIS ( 4,46 x 3,8 mm) zeigen dies weniger als bei den gößeren Sensoren der Celestron Skyris 445M (6,26 x 5,01 mm). Diese beiden Kameras werden bei mir eingesetzt.
Die Erstellung eines Flats ist bei der H-Alpha Fotografie eigentlich immer sinnvoll und sollte unmittelbar vor der eigentlichen Aufnahme gemacht werden. Zur Flat-Erzeugung kann man einfach eine milchige Folie (z.B. eine Dokumentenhülle) vor die Teleskopöffnung hängen und einige Frames aufnehmen.
In AVIStack wird dann ein Flatfile erzeugt, indem man dies Video lädt und mit einem Rechtsklick die Auswahl „generate flatfile“ benutzt. Die Datei wird mit der Endung „.fits“ im Ergebnisordner gespeichert.
Bei Weißlicht (Kontinuum) Fotos ist dies nur im Notfall einer „verstaubten“ Optik nötig.
Im Unterfenster „Frame Stacking“ kann dann von „no flat frame“ auf ein flat-frame  umgeschaltet werden das über den Dateidialog links ausgewählt wird. „OK“ startet das Stapeln.

Hier ein Bild vom Stapelprozeß. Man erkennt in diesem Schnappschuß eines Fames die für das Stapeln verwendeten, qualitativ besten Bereiche.

Am Ende erscheint ein Teilfenster mit wählbaren Bildeigenschaften und Speicherort


In AVIStack ist in einem letzten Nachbearbeitungsschritt eine Bildschärfung aktivierbar. Es ist ein sogenanntes „wavelet“ Verfahren, das fein abgestimmt werden kann. Ich benutze diesen Schritt nicht mehr, sondern bearbeite die Rohbilder in externen Programmen die unten beschrieben werden


Verbesserung des Rohbildes


Zur Schärfung von Sonnenbildern, aber auch für Mond und Planeten Fotografie, haben sich für mich zwei freie Programme bewährt, die ich als Standard benutze:


ImPPG : ausgezeichnetes Programm zur Bildschärfung  mit den Verfahren der unscharfen Maskierung und  einem Dekonvolutionsverfahren.

FitsWork : Korrektur von Rauschartefakten, Filterungen im Frequenzbereich (FFT)

Schärfung und Tonwertkorrektur mit ImPPG

Das mit AVIStack gewonnene Bild wird nun mit einem Filedialog in imppg geladen.
Links des Bildfensters werden die Parameter des „Dekonvolution/Entfaltungs“ (Lucy-Richardson Dekonvolution) und der „Unscharfen Maskierung“ eingestellt.( Auf die  mathematischen Grundlagen beider Verfahren soll hier nicht eingegangen werden) Beide Schärfungen können einzeln oder kombiniert angewendet werden.

Ein erster Versuch sollte mit der Dekonvolution beginnen, die Resultate werden in einem kleinen  Rechteck des Bildes angezeigt. Es ist immer empfehlenswert das Fenster zur Anpassung der Tonwerte/Gradation des Bildes offen zu haben. Ein Klick auf „Stretch“ begrenzt die Tonwertkurve auf einen optimalen Bereich, die Form der Kurve kann dann noch manuell „verbogen“ werden. Das Bild unten zeigt das Resultat nach einem „Stretch“, das zu dunkle Bild ist gut aufgehellt und leicht geschärft mit den Anfangsparametern.


Allgemeine Regeln zur Einstellung der Parameter sind schwer zu nennen, ein vorsichtiges Erhöhen des Sigma-Werts bis zum Erscheinen von offensichtlichen Bildartefakten hat sich bewährt. (Das Überschärfen zeigt sich immer durch eine „körnige“ Struktur im gesamten Bild.)
 Zusätzlich kann man noch die unscharfe Maske mit höherem Sigma und Schärfungswert („Amount“) anwenden. Probieren ist immer die beste Methode. Oft ist es ausreichend, nur mit der unscharfen Maske zu arbeiten, mit „disable“ wird die Dekonvolution abgeschaltet. Zur richtigen Beurteilung des Schärfens sollte man die Bearbeitung auf das gesamte Bild ausdehnen. Ein Klick auf das 4. Symbol in der Werkzeugleiste schaltet dies ein.

Im nächsten Bild sind die Einstellungen für ein gut geschärftes und tonwertkorrigiertes Bild zu sehen.

 

Zum Vergleich das Ergebnisbild aus der Stapelung mit AVIStack über dem Bild nach der Schärfung und Tonwertanpassung in ImPPG:

 

 

 

AVIStack und imppg kann von folgenden Websites frei runtergeladen werden:

 

www.avistack.de und https://greatattractor.github.io/imppg/