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Webcams und verwandte Kamerasysteme (Spezialkameras der Teleskopsysteme, teilweise auch Überwachungskameras, die auf der Webcam-Technik basieren) haben seit einigen Jahren die Fotografie von Sonne, Mond und Planeten revolutioniert. Sie liefern bei den genannten Objekten eine Bildqualität, die mit der von wesentlich teureren CCD-Kameras vergleichbar ist. Man kann mit diesen Kameras mit Amateurteleskopen Aufnahmen gewinnen, die noch vor 20 Jahren Großobservatorien vorbehalten waren. Dieser Artikel kann nur eine Einführung in die Astrofotografie mit Webcams geben, über diese Thematik kann man ganze Bücher und Websites verfassen. In diesem Artikel wird nur von Webcams gesprochen, die beschriebenen Techniken gelten ebenso für die anderen oben erwähnten Kamerasysteme.
Webcams gelten als die „Adaptive Optik“ der Amateurastronomen. Hierbei wird natürlich nicht wie bei Großteleskopen die Form der Optik an die momentanen Luftturbulenzen angepasst. Dieser Vergleich bezieht sich darauf, dass mit der Videotechnik (Webcams sind letztendlich Videokameras) die Luftunruhe weitestgehend ausgeschaltet werden kann. Das geschieht, indem in einer Videosequenz eine große Anzahl von Einzelbildern aufgenommen wird. Einige Fotos dieser Videosequenz sind immer von nahezu perfekter Qualität. Diese Bilder werden dann im Laufe des weiteren Verarbeitungsprozesses aufaddiert und zu einem Summenbild gemittelt.
Webcams kommen zum Einsatz, wenn es um die Erfassung feinster Strukturen auf der Sonne, dem Mond und den Planeten geht. Sie ermöglichen eine Auflösung, die sonst nur von wesentlich teureren CCD-Kameras erreicht wird. Webcams haben ebenfalls einen CCD-Sensor, dieser wird jedoch nicht wie bei CCD-Kameras gekühlt. Diese Einschränkung macht sie für lange Belichtungszeiten nur bedingt brauchbar (siehe weiter unten).
In der herkömmlichen Fotografie wird jeweils nur ein Bild aufgenommen. Die Luftunruhe (das „Seeing“) verursacht ein ständiges Wabern des Bildes. Auch wenn man in einem Leitfernrohr einen ruhigen Moment abwartet, weiss man nicht, wie sich das Seeing im Moment der Aufnahme verhält (die verwendeten Belichtungszeiten sind zu lang, um die Seeingunschärfen zu unterdrücken). Die Qualität eines Einzelbildes ist also immer ein wenig vom Glück abhängig.
Webcams nehmen hingegen wie bereits erwähnt eine Videosequenz aus mehreren hundert oder gar tausenden Einzelfotos des Objektes auf. Wenn man sich dieses Video auf dem Monitor des PCs anschaut, erkennt man sehr deutlich die Luftturbulenzen. Selbst wenn die Belichtungszeiten der Einzelfotos kurz genug sind, um das Seeing zu unterdrücken, sind die einzelnen Fotos aufgrund der Luftturbulenzen dennoch unterschiedlich scharf.
Jetzt kommt die Bildverarbeitungssoftware ins Spiel. Diese sucht aus dem Film die besten Einzelbilder („Frames“) aus. Diese werden dann addiert und gemittelt. Bei der erwähnten Anzahl der Einzelbilder, aus denen ein solches Video besteht, sind fast immer einige dabei, die dem Optimum sehr nahe kommen oder es sogar erreichen.
Erfahrungsgemäß eignen sich bei weitem nicht alle Webcams für astronomische Anwendungen. Eine astro-taugliche Webcam sollte folgende Eigenschaften aufweisen:
Das ist die Grundvoraussetzung für eine sinnvolle Webcam-Astrofotografie. Natürlich kann man analog zur afokalen Astrofotografie mit Digicams die Webcam samt Objektiv ans Okular des Teleskopes montieren und dadurch Aufnahmen machen. Jedoch haben die Objektive von Webcams bis auf einige wenige Aufnahmen nur eine einfache Qualität, so dass bei dieser Methode eine erhebliche Verringerung der Bildqualität zu erwarten ist.
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Einige hochwertigere Webcams ermöglichen es, das Objektiv abzuschrauben. An seine Stelle kann dann eine Steckhülse angeschraubt werden, mit der die Webcam in den Okularauszug gesteckt wird. Solche Adapter werden von Astro-Zubehör-Herstellern für einige gängige Webcam-Modelle angeboten. Achtung: Wie bei allen technischen Geräten unterliegt auch das Angebot an Webcams einem ständigen Wandel. Das betreffende Astro-Zubehör für die Kameras erscheint in der Regel erst einige Zeit nach der Markteinführung einer neuen Webcam im Handel. Bevor man sich für ein bestimmtes Modell entscheidet, sollte man sich also erkundigen, für welche Webcams es entsprechendes Zubehör, insbesondere Adapter, gibt.
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Die Größe eines Sensors variiert von Kamera zu Kamera. Eine Astro-Webcam sollte einen Sensor mit 640*480 Pixeln aufweisen. Diese Sensoren sind zwar verglichen mit denen von digitalen Spiegelreflexkameras winzig klein, dafür sind aber bereits mit relativ kurzen Brennweiten (verglichen mit digitalen Spiegelreflexkameras) Detailaufnahmen von Planeten, Sonnen- und Monddetails möglich. Wenn man mehrere solcher Großaufnahmen des Mondes zu einem Gesamtbild als Mosaik zusammensetzt, wird die Auflösung von Spiegelreflexkameras sogar übertroffen.
Wie eingangs erwähnt wurde, werden die Sensoren von Webcams im Gegensatz zu CCD-Kameras nicht gekühlt. Das Resultat ist ein verglichen mit gekühlten Sensoren relativ starkes Hintergrundrauschen, das von Sensor zu Sensor unterschiedlich stark ausfällt. Das Rauschverhalten kann aus Erfahrungsberichten entnommen werden. Weiter unten wird erklärt, wie man das Rauschen minimieren kann.
Die Belichtungszeiten lassen sich bei Webcams im Rahmen gewisser Grenzen mit Hilfe der Steuerungssoftware einstellen. Das ist allein schon deshalb erforderlich, da Webcams in erster Linie für den Video-Chat konzipiert werden und die Belichtungszeit den Lichtverhältnissen im Zimmer angepasst werden muss.
In diesem Punkt sind alle Webcams für die Sonnen-, Mond- und Planetenfotografie geeignet. Lediglich im Deep-Sky-Berich können Probleme auftreten: Hier müssen viele Aufnahmen mit Belichtungszeiten im Sekundenbereich aufaddiert werden. Die Möglichkeit, im Sekundenbereich zu belichten, bieten nur wenige Webcam-Modelle.
Im bereits oben erwähnten einfachsten Fall wird die Webcam samt Okular an das Okular des Teleskopes gehalten bzw. dort mit einer Halterung befestigt und das auf den Sensor der Kamera projizierte Bild abgefilmt. Das ist die sog. afokale Fotografie, die auch von der Anwendung von Digicams her bekannt ist. Wie oben bereits erklärt wurde, muss man hier meistens Kompromisse in der Bildqualität eingehen, da die Webcam-Objektive meist nur von geringer Qualität sind, verglichen mit den Optiken von Okularen und Digicams.
Um Fokalfotografie zu betreiben, muss man das Objektiv entfernen und den bereits beschriebenen Adapter ansetzen. Dieser Adapter wird in dann mit der Webcam in den Okularauszug des Teleskopes gesteckt. Die kleinen Abmessungen eines Webcam-Sensors erzeugen bei langbrennweitigen Teleskopen bereits im Primärfokus einen Abbildungsmaßstab, der mit Spiegelreflexkameras nur mit der Okularprojektion erreicht werden kann.
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Diese Vergrößerung im Primärfokus ist für einige Detailaufnahmen des Mondes und der Sonne bereits ausreichend. Für die Aufnahme kleiner Monddetails und der Planeten muss die Brennweite mit der sog. Okularprojektion verlängert werden. Bei der Fotografie mit Webcams findet in der Regel eine Barlow-Linse Verwendung. Es gibt sie mit den Verlängerungsfaktoren zwei, drei und vier.
Die benötigte Brennweite hängt bei Mondaufnahmen von der Größe der aufzunehmenden Formation ab. Bei der Planetenfotografie gilt eine Brennweite von acht Metern als ideal.
Wenn man mit einer Webcam eine Videosequenz aufnimmt, sieht man das aufgenommene Bild live auf dem PC-Monitor. Folglich ist die Fokussierung bei Sonne, Mond und Planeten relativ einfach: Man beobachtet einfach das Monitorbild, während man es am Okularauszug scharf stellt, wobei die Fokussierung am Sonnen- und Mondrand am einfachsten ist. Hierbei benötigt man jedoch Fingerspitzengefühl und eine ruhige Hand, da sich durch die hohen Vergrößerungen am Monitor, die durch das kleine Gesichtsfeld des Sensors entstehen, selbst kleinste Erschütterungen durch sehr starkes Zittern bemerkbar machen.
Die Fokussierung von Deep-Sky-Objekten ist mit Webcams kniffeliger. Man erkennt sie auf dem Monitor während einer Video-Aufnahme nur schwach angedeutet oder überhaupt nicht. Eine Möglichkeit besteht darin, auf einen in der Nähe befindlichen Stern oder Planeten zu fokussieren und danach auf das gewünschte Objekt zurückzuschwenken.
Zunächst werden die Geräte aufgebaut und die Webcam per USB an den PC angeschlossen und aktiviert. Sobald man das Live-Bild der Webcam auf dem Monitor sieht, kann die Optik fokussiert werden.
Nach erfolgreicher Fokussierung wird die benötigte Belichtungszeit eingestellt. Man kann anhand der Veränderung des Live-Bildes während der Belichtungszeit-Einstellungen die Auswirkungen sofort erkennen. Die eigentliche Aufnahme kann gestartet werden, wenn der Software mitgeteilt wurde, wie viele Frames pro Sekunde aufgenommen werden sollen und wie lange die Videosequenz dauern soll.
Hierbei ist keine 100%-ig exakte Nachführung erforderlich. Die Aufnahmen werden später im Rahmen der Nachbearbeitung und Erstellung des Summenbildes von astronomischer Videobearbeitungssoftware automatisch pixelgenau überlagert. Bei der Sonnen-, Mond- und Planetenfotografie sind daher Detailaufnahmen sogar mit Dobsons möglich. Es muss lediglich darauf geachtet werden, dass das Zielobjekt im Gesichtsfeld des Sensors bleibt. Bei azimutal aufgestellten Teleskopen darf die Videosequenz nicht länger als fünf Minuten dauern, da sich ansonsten die Bildfeldrotation störend bemerkbar macht: Das Bild dreht sich dann um seinen Mittelpunkt, und feine Details werden folglich verschmiert.
Im ersten Schritt wird das Video mit der Verarbeitungssoftware in seine Einzelbilder zerlegt. Anschließend wird dem Programm mitgeteilt, wie viele Fotos bzw. wieviel Prozent der vorhandenen Frames zu einem Summenbild aufaddiert und gemittelt werden sollen.
Hierbei geht die Software vom technisch besten Bild aus und zieht die darauf folgend schlechteren Bilder heran, bis die vorgegebene Anzahl erreicht ist. Das Qualitätskriterium ist hierbei die Dateigröße: Je größer die Datei ist, umso besser ist die Bildqualität, da schärfere Fotos mehr Details zeigen, die dann mehr Speicherplatz beanspruchen.
Bei diesem Verfahren ergibt sich jedoch ein Dilemma: Da ausgehend vom besten Frame die nächsten schlechteren mit in das Summenbild einbezogen werden, ergibt sich zwangsläufig als Konsequenz, dass das gemittelte Rohbild von etwas schlechterer Auflösung und Schärfe ist als der beste Einzelframe. Andererseits kann das Hintergrundrauschen nicht sehr gut elimminiert werden, wenn nur wenige Frames gemittelt werden. Der Grund hierfür wird unten besprochen. Hier muss man einen Mittelweg zwischen beiden Lösungen finden.
Um die Frames bei der Addierung pixelgenau zu überlagern, muss der Software bei einem Bild ein deutliches, unverwechselbares Merkmal vorgegeben werden, das auf allen aufzuaddierenden Frames deutlich zu erkennen ist. Die Software sucht sich dieses Detail auf den Frames und überlagert sie. Je nach Software kann man diesem Prozess zusehen und sieht den Markierungsrahmen zwischen den Bildern springen.
Nachdem die Bilder aufaddiert und gemittelt wurden, ist das Rohbild fertig und kann mit gewöhnlicher Bildverarbeitungssoftware nachbearbeitet werden. Das Rohbild wird idealerweise im TIFF-Format gespeichert, da dieses die Originaldaten speichert. Im JPG-Format gehen Details verloren, da das Bild komprimiert wird.
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Da durch die Addition und Mittelung verschiedener Frames ein geringfügiger Verlust an Schärfe und Auflösung auftritt, drängt sich die Frage auf, wozu man diese Bearbeitungen überhaupt vornimmt und nicht einfach den besten Einzelframe aussucht.
Der Grund ist das Hintergrundrauschen einer Webcam, auch thermisches Rauschen genannt. Es handelt sich um ein Hintergrundsignal, das durch eine geringfügige Erwärmung des Sensors entsteht. Es kann durch eine Kühlung des Sensors, die bei Webcams, im Gegensatz zu CCD-Kameras, nicht vorhanden ist, auf ein Minimum reduziert werden.
Dieses relativ starke Rauschen stellt ein ernstes Problem in der Astrofotografie dar: Es macht sich in Form eines schmutzig braun-grauen, körnigen Hintergrundes bemerkbar. Es werden auch lichtschwache Bereiche innerhalb eines Motives, zum Beispiel Mondlandschaften in unmittelbarer Terminatornähe, verrauscht. Dieses Rauschen verschlechtert das Bild, indem es unansehnlich wird. Ausserdem werden feine und dunklere Strukturen durch das Rauschen geschluckt.
Das Rauschen besteht aus über den Sensor zufällig verteilten Helligkeits- und Farbinformationen, es ist also eine statistische Erscheinung. Folglich hat jeder Frame ein anderes Rauschmuster. Im Gegensatz dazu sind echte, lichtschwache Mond- und Planetendetails immer an der gleichen Stelle.
Helligkeits- und Farbinformationen, die an einer bestimmten Position auf dem Sensor nur in einem oder wenigen Frames erscheinen, sind also höchstwahrscheinlich Hintergrundrauschen und können bei der Bildaddition herausgerechnet werden ("mitteln"). Je mehr Frames man zur Verfügung hat, umso besser funktioniert dieses "Entrauschen". Das Ergebnis ist ein nahezu rauschfreies Bild, das heller ist als jeder einzelne Frame.
Die Deep-Sky-Fotografie erfordert in den allermeisten Fällen Belichtungszeiten im Bereich von einigen Minuten bis Stunden. Diese Möglichkeit bietet keine Webcam. Ihre maximalen Belichtungszeiten liegen bei etwa zehn Sekunden. Man kann jedoch mit einem Trick auch mit Webcams länger belichtete Deep-Sky-Fotos anfertigen:
Zunächst fertigt man zahlreiche Aufnahmen des Objektes mit der maximal möglichen Belichtungszeit der Webcam an. Diese werden aufaddiert und gemittelt. So erhält man eine Aufnahme, die einer einzelnen langbelichteten Aufnahme entspricht. Bei sehr hellen Objekten erhält man gute bis sehr gute Ergebnisse. Voraussetzung ist allerdings, dass das Objekt hell genug ist, um bei der längstmöglichen Belichtungszeit überhaupt ein schwaches Signal auf dem Sensor hinterlassen zu können. Webcams eignen sich daher nur für die hellsten Deep-Sky-Objekte. Wegen der kleinen Sensorfläche bedarf es in der Regel extrem kurze Brennweiten.
Wegen der längeren Belichtungszeiten wird eine exakte Nachführung auf das Objekt benötigt.
In der Deep-Sky-Fotografie sind die „echten“ CCD-Kameras und digitalen Spiegelreflexkameras den Webcams überlegen.
Bei der Fotografie von Sonne und Mond ist es im Normalfall nicht möglich, das Objekt komplett auf dem kleinen Sensor abzubilden. Das geht nur mit sehr kurzen Brennweiten. Da der Mond dann aber nur maximal 640 Pixel Durchmesser (der Vollmond maximal nur 480 Pixel) hat, ist die Auflösung extrem gering. Deshalb wendet man bei der Webcam-Fotografie häufig die Mosaiktechnik an, wenn man großflächige Details oder den gesamten Himmelskörper abbilden möchte.
Für ein Mosaik wird beispielsweise vom Mond eine Reihe von Aufnahmen angefertigt, bis er bzw. die gewünschte Region komplett abgedeckt ist. Diese Einzelvideos werden wie gewohnt aufaddiert und gemittelt, so dass Einzelbilder vorliegen. Diese werden dann mittels Bildverarbeitungssoftware zu einem Mosaik zusammengesetzt.
Man muss bei der Erstellung der einzelnen Frames darauf achten, dass stets eine Überlappung vorliegt. Ansonsten ist eine lückenlose Mosaikerstellung nicht möglich. Ausserdem müssen die Helligkeits- und Kontrastwerte der einzelnen Summenbilder annähernd gleich sein. Diese muss nach der Erstellung der Einzelframes mit einem Bildverarbeitungsprogramm angeglichen werden.
Man erzielt durch die Mosaiktechnik eine höhere Auslösung, als wenn man den ganzen Mond mit dem größeren Sensor einer digitalen Spiegelreflexkamera aufnehmen würde. Der Gewinn an Schärfe und Auflösung ist so gewaltig, dass zur Mosaikerstellung die Nominalbrennweite der Optik oft verlängert wird, um mit Detailaufnahmen, die zusammengesetzt werden, eine höhere Schärfe und Auflösung zu erzielen.
Eine Webcam hat im Gegensatz zu Spiegelreflexkameras keinen mechanischen Verschluss, der bei Beginn der Belichtung nach oben klappt. Somit ist eine häufige Ursache für Verwackelungsunschärfen von vornherein ausgeschaltet.
Insbesondere bei langbrennweitigen Teleskopen werden sehr viele Frames benötigt, um die Sonne oder den Mond komplett abzudecken. Ein Gesamtmosaik ist daher sehr zeitaufwendig. In Extremfällen kann es bis zu fünf Stunden dauern, bis der Mond mit hoher Auflösung komplett abgedeckt ist. Da sich in dieser Zeit die Beleuchtungsverhältnisse in Terminatornähe ändern können, sollte diese Region zuerst aufgenommen werden.
Die erwähnten benötigten gleichen Helligkeits- und Kontrastverhältnisse der einzelnen Summenbilder sind nur mit viel Übung und Fingerspitzengefühl zu erreichen. Der Vorgang ist sehr zeitintensiv.
Auf die digitale Bildverarbeitung wird hier nur kurz und allgemein eingegangen. Man kann kaum ein Patentrezept angeben, da jedes Bild anders ist und individuell nach Erfahrung, Gefühl und Geschmack anders bearbeitet werden muss. Bildbearbeitung sollte man grundsätzlich an einem qualitativ hochwertigen Monitor durchführen.
Zuerst sollte man Helligkeit und Kontrast anpassen. Hiermit werden feine Details herausgearbeitet, und das Bild erscheint ausgewogener.
Sehr nützlich ist auch die Schärfungsfunktion, bei der Bilder in Grenzen nachgeschärft werden können. Hier sollte man mit viel Gefühl arbeiten, da eine „Überschärfung“ das Bild unnatürlich wirken lässt.
Es versteht sich von selbst, dass auch die besten und ausgeklügelten Bildverarbeitungsmethoden nur Informationen herausarbeiten können, die auch im Bild vorhanden sind. Man kann also zum Beispiel ein durch schlechtes Seeing hoffnungslos unscharfes und flaues Foto nicht "gut rechnen". Die wichtigste Arbeit ist und bleibt die saubere Vorgehensweise bei der Aufnahme des/der Bilder. Nur bei technisch einwandfreien Fotos bringt die digitale Bildverarbeitung einen Gewinn an Schärfe, Kontrast und Details.
Im Astronomie-Lexikon finden Sie einen Schnelleinstieg in die Software RegiStax. Diese Freeware-Software können Sie verwenden, um eine AVI-Bildsequenz einzulesen und in Einzelbilder zu zerlegen, die besten Bilder auszuwählen und zu stacken. Darüber hinaus bietet RegiStax Werkzeuge für die Bildverarbeitung, d.h. Schärfung, Kontrast- und Helligkeitssteuerung.
Die nächste und letzte Folge dieser Serie behandelt wichtige Aspekte der Astrofotografie in Bezug auf Reisen.
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| Serie-Inhaltsübersicht | |
| Konzept und Ziele der Serie | |
| Grundausrüstung und der richtige Beobachtungsort | |
| ISO–Empfindlichkeiten und Belichtungszeiten | |
| Objektive vom Weitwinkel bis zum Supertele und ihre Anwendungen in der Astrofotografie | |
| Fokussierung von Astrofotos | |
| Erste Astrofotos mit ruhender Kamera: Der Mond | |
| Erste Astrofotos mit ruhender Kamera: Sternenhimmel, Strichspuren und Konstellationen | |
| Das Einsteigerteleskop für die Astrofotografie und Gebrauchtgeräte | |
| Montierungen | |
| Nachführung und Piggyback-Fotografie | |
| Die Sonne | |
| Deep–Sky–Fotografie I | |
| Deep–Sky–Fotografie II | |
| Kometen | |
| Meteore | |
| Einführung in die Fotografie mit Webcams und verwandten Aufnahmesystemen | |
| Astrofotografie und (Fern-)Reisen | |
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