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Bilder stacken - Wie und warum?
 

Rohbilder, welche direkt aus der Astrokamera oder einer DSLR kommen, können in der Regel nicht sofort verwendet werden. Die Bilder müssen konvertiert, korrigiert und abgeglichen werden. Einer dieser Schritte, das Korrigieren, enthält den Arbeitsvorgang des "stackens". Dabei werden mehrere Bilder vom selben Objekt aufeinander ausgerichtet und übereinander gelegt. Doch wozu dieses Aufwendige Prozedere und wie überhaupt? In diesem kleinen Bericht soll Klarheit verschaffen werden, wieso astronomische Bilder manchmal aus mehreren hunderten von Einzelbildern bestehen.
 

Das Bild links zeigt den Orionnebel Messier 42. Das Foto wurde geschossen mit einer Canon EOS 300D bei einer Einstellung von ISO 3200 und einer Minute Belichtungszeit. Als Teleskop diente der TS90/500mm Frauenhofer Refraktor. Das Foto ist ein Rohbild. Keine Korrekturen noch Manipulationen wurden vorgenommen. Lediglich die Bildgrösse wurde verkleinert. Nun, was können wir aus diesem Bild herauslesen?

Das Foto ist nicht geeignet um es zu publizieren, da es stark verrauscht ist. Doch wie macht sich rauschen bemerkbar? Je höher die ISO Empfindlichkeit und je länger die Belichtungszeit, desto grösser das Kamerarauschen. Neben dem Rauschen, das man im Bild links, links unten sehen kann, gibt es noch ein Verstärkerglühen am Rand der Bilder und Hotpixels, die über das ganze Bilde verteilt sind. Aber auf die möchte ich hier nicht näher eingehen.

Um das Bild bearbeiten zu können müssen zunächst Dunkelbilder (Darks) und Offsets (Bias) vom Original subtrahiert werden. Doch was ist ein Bias und ein Dark? Darks erstellt man, indem man den Deckel der Kamera schliesst und dann so lange belichtet wie das Originalbild belichtet wurde. Dabei müsste im Idealfall die Differenz der Umgebungstemperatur zwischen den beiden Bildern gleich null sein. Denn: Wärmere Chiptemperatur der Kamera = mehr Rauschen, niedrige Temperatur = weniger Rauschen. Deshalb sind auch manche CCD-Astrokameras mit
aufwendigen Peltierkühlelementen ausgestattet, welche den Chip bis auf 40°C unter der Umgebungstemperatur runterkühlen. Dies bewirkt ein sehr gutes Signal-/Rauschverhältnis was dann nach weniger Bilder zum Übereinanderlagern verlangt. Da aber meine Astrokamera keine Kühlung besitzt bin ich an die Regel gehalten: "Je mehr Einzelbilder, desto besser!". Es gibt Nächte da belichte ich über 30 Fotos vom selben Objekt. Das ist zwar sehr zeitaufwändig, ich kann aber in der Regel am Schluss von einem besseren Ergebnis ausgehen.

Kommen wir aber nun zu den Beispielen:


1 Rohbild mit Darkabzug


Stack aus 4 Bildern & Darkabzug


Stack aus 16 Bildern & Darkabzug


RGB Stack aus 16 Bildern & Dark

Die Bilder verdeutlichen wie das Rauschen der Kamera im Bild abnimmt, jemehr Bilder man stackt. Theoretisch nimmt das Rauschen mit dem Kehrwert der Wurzel aus der Anzahl der Bilder ab. Um das Rauschen also auf die Hälfte zu reduzieren muss man viermal so viele Bilder stacken. Gleichzeitig nimmt der nutzbare Dynamikumfang zu. Vervierfacht man die Anzahl Bilder, gewinnt man 1 Bit mehr Dynamik. Dieser Effekt ist oben bei den Beispielen auch gut zu beobachten. Im ersten Bild, dem Rohbild gehen viele feine Nebelstrukturen verloren, das zweite Bild mit 4 Stacks zeigt nur noch halb soviel Rauschen und das dritte mit 16 Stacks nur noch 1/4 des Rauschens gegenüber dem Rohbild. Das letzte, vierte Bild ist dann ein farbiges 16-Bild Stack der EOS Kamera. Doch wie stackt man nun seine eigene Bilder?

Es gibt viele Wege dies zu tun. Bei dem oben genannten Beispiel wurde das Programm MaxDSLR verwendet. Es subtrahiert Dunkelbilder, richtet die Bilder automatisch aus und lagert sie dann übereinander. Alternativprogramme wären CCDStack, DeepSkyStacker und viele mehr. Ich werde nun zeigen, wie man Bilder in Adobe Photoshop stackt. Geeignet dafür sind alle Photoshop Versionen. Hier mit CS2:
 

Man öffne die bereits ausgerichteten Bilder in Photoshop CS2. Dann kopiert man alle Bilder auf ein Bild. Dies geschieht über die Tastenkürzel Ctrl + A zum Auswählen des Bildes, Ctrl + C zum Kopieren und Ctrl + V zum Einfügen über das andere. Wenn alle gewünschten Bilder aufeinander kopiert worden sind muss man noch für jedes Bild ausser dem ersten bei "Opacity" oder auf Deutsch die "Deckkraft" auf 100%/n-tes Bild einstellen. Also für das erste Bild lässte man 100%, fürs zweite nimmt man 100/2=50%, dann 100/3=33%, 100/4=25% für das vierte Bild und so weiter. Hat man das gemacht kann man das Bild unter Datei > Speichern unter... abspeichern. Als Format sollte man *.tif wählen, da das ein Format ist, welches sogar im komprimierten Zustand keine Qualitätsverluste erleidet. Das neu erzeugte Bild ist ein gemitteltes Foto.
Dies ist die Vorgehensweise bei Bildern, die man nicht mehr aufeinander ausrichten muss. Falls doch empfehle ich das gratis-Programm DeepSkyStacker, das hier heruntergeladen werden kann: DeepSkyStacker Website

Anzumerken ist auch noch, dass Objekte, die auf den Einzelbildern nicht zu sehen sind, auch nach dem Stacken verborgen bleiben. Der Kontrast der Bilder und auch die Detailgenauigkeit wird aber erhöht. Das gleiche Verfahren wird auch beim Erstellen von Planetenfotos verwendet. Da dort aber Belichtungszeiten von wenigen 10tel Sekunden verwendet werden ist das Rauschen nicht das Problem. Es ist die Luftunruhe, auch das Seeing genannt. Die Atmosphäre der Erde ist dauernd in Bewegung und hat grosse Turbulenzen. Ein kleiner Planet oder die Mondoberfläche wird dementsprechend verzerrt. Um diese Verzerrung zu kompensieren, stackt man ein ganzes Video an Bilddateien. So können über mehrere hundert Bilder gestackt werden und das Endergebnis wird dementsprechend detailreich sein.
 



 

 

 Als Beispiel ist hier links Saturn gezeigt. Die Animation zeigt einen kleinen Ausschnitt aus einer Videosequenz. Da die Kamera bis zu 30 Bilder pro Sekunde aufnehmen kann ist die Anzahl Frames schnell erreicht. Um aber Kompressionsartefakte zu vermeiden reduziert man die Framerate (Bild/Sekunde) auf 5. Das sind nach einer Minute Aufnahmezeit immerhin schon 300 Einzelbilder. Diese werden dann in ein Programm geladen, wie z.B. Registax. Die Bilder werden dann ausgerichtet, korrigiert und gestackt. Dann muss nur noch ein Farbabgleich vorgenommen werden und fertig ist das Bild.

Die untere Aufnahme link ist die gestackte Version. Es wurden nur 50 Bilder verwendet. Das ist wenig, denn man könnte mehrere hundert mitteln um ein noch besseres Resultat zu erzielen. Man sieht deutlich einen Informationsgewinn. Die Cassiniteilung ist zu sehen und auch Streifen auf Saturns Oberfläche sind auszumachen.

 

All dies zeigt, dass das Stacken von astronomischen Bildern eine sinvolle Sache ist. Das Verfahren reduziert das Rauschen, erhöht den Dynamikumfang und verbessert den Kontrast sowie die Schärfe des Bildes. Fast alle meine Bilder sind gemittelte Aufnahmen. In der heutigen digitalen Welt lohnt es sich die Zeit zu nehmen, mehrere Bilder zu machen und auch anschliessend aufwändig zu bearbeiten, denn das endgültige Resultat wird Sie bestimmt überzeugen!

Dennis B. Marton, September 2007