Bildverarbeitung

Typischerweise verbringt man mehr Zeit mit der Bildverarbeitung als mit der eigentlichen Beobachtung. Um diese Zeit zu reduzieren, ist es wichtig möglichst gute Daten vom Teleskop zu erhalten.

Reduktion

Unter „Reduktion“ versteht man die Beseitigung von instrumentell oder atmosphärisch bedingten Verfälschungen der Daten. Nach der Reduktion sollten die Daten möglichst nicht verschlechtert sein (Signal- zu Rauschverhältnis unverändert). Bilder zu addieren (stacken) kann auch Teil der Reduktion sein.

Zusätzlich zu den normalen Bildern (=Light), macht man häufig auch sogenannte Bias, Dark und Flatt Bilder (jeweils mit der gleichen ISO-Zahl). Bias Bilder entstehen mit der minimalen Belichtungsdauer der Kamera und geschlossenem Deckel (ohne Lichteinfall). Auch Darks entstehen so, nur haben sie eine Belichtungsdauer gleich der Rohbilder oder länger. Die Software kann unterschiedliche Belichtungsdauern korrigieren. Flats entstehen durch Fotografie einer gleichmässig beleuchteten Fläche oder dem Dämmerungshimmel. Es sollten jeweils mehrere Bilder (mind. 3, besser 10 und mehr) gemacht werden. Die BIAS, DARK und FLAT Bilder werden für die Reduktion benötigt.

Das gratis erhältliche Java Programm Regim läuft auf jedem System und kann die wichtigsten Reduktionen vornehmen. Weit verbreitet und sehr flexibel ist Maxim DL (nur Windows) und PixInsight (Linux, OS X, Windows). Etwas universeller geht es mit dem von Wissenschaftlern entwickelten THELI, welches aber nur für Linux erhältlich ist und in der Anwendung nicht ganz einfach.

Da sich später unerwartete Verbesserungen in der Reduktion ergeben können, sollte man niemals die Rohdaten sondern nur die Zwischenergebnisse wegwerfen. Keinesfalls sollte man JPEG, GIF oder PNG Bilder mit der Kamera aufnehmen bzw. verarbeiten. Diese Formate komprimieren die Informationen indem sie Informationen weglassen und die Farbtiefe einschränken. Für Astronomische Bilder sollte man immer FITS oder RAW Format verwenden.

Am Ende der „Reduktion“ erhält man Bilder die man noch immer nicht direkt anschauen kann. Jeder Pixel enthält einen Wert der direkt proportional zum Lichteinfall sein soll. Man spricht von linearen Bildern. Sie enthalten nur noch das Signal wie es beim Teleskop ankommt. Effekte wie Himmelshintergrund (Lichtverschmutzung) und Reflexionen im Teleskop sind immer noch enthalten. Reduzierte lineare Bilder können erneut mit weiteren Aufnahmen addiert werden.

Daten verarbeiten

Der wissenschaftlich interessierte  beginnt an dieser Stelle mit der Auswertung der linearen Bilder. Beispielsweise kann Helligkeit und Farbe der Sterne bestimmt, Positionen vermessen und Strukturdetails bestimmt werden. Wie hell war der Himmelshintergrund und welche Sterne ändern ihre Position oder Helligkeit mit der Zeit?

Verschönerung

Um möglichst ansprechende Aufnahmen zu erhalten, kann man mit Photoshop oder GIMP die Helligkeit, den Kontrast und die Farben anpassen. Genau genommen ist dieser Schritt auch für die Reduktion und Verarbeitung der Daten wichtig, jedoch wird dort nur die Darstellung am Bildschirm angepasst ohne die Daten in den Bildern zu verändern. Mit Photoshop/GIMP jedoch, werden die Daten im Bild verfälscht und jeder weitere Verarbeitungsschritt verfälscht die Daten noch mehr mit dem Ziel ein möglichst ansprechendes Bild zu erzeugen.

Auch ist es möglich die Bilder nachzuschärfen. Die aktuellen Versionen von Photoshop und GIMP können Bilder im FITS Format lesen. GIMP soll in der nächsten Version durchgängig mit bis zu 32-bit Tiefe arbeiten können – die aktuelle Version ist zum grossen Teil noch auf 8-bit beschränkt. Daher ist Photoshop (noch) das optimale Tool für diese Aufgabe.

Einen anderen Ansatz verfolgen Programme wie PixInsight. Auch hier werden Helligkeit, Kontrast und Farbe angepasst. Jedoch ist der Fokus auf astronomische Bilder und die Korrektur der dort typischen Bildfehler. Beispielsweise ist es möglich den Hintergrund (zwischen den Sternen und ausserhalb von ausgedehnten Objekten) getrennt zu analysieren und unterschiedliche Lichtverschmutzung / Verfärbung zu korrigieren. Wer kein Photoshop besitzt, sollte sich also eher ein auf astronomische Bildverarbeitung spezialisiertes Programm besorgen.

Farben

Irgendwo habe ich gelesen „Farben sind eine geniale Erfindung unseres Gehirns“, und dieser Satz kommt mir immer in den Sinn wenn jemand fragt, welche richtige Farbe ein Objekt hat. Physikalisch ausgedrückt: Licht hat ein Spektrum und Farben sind eine spezielle Reduktion der im Spektrum enthaltenen Information auf nur drei Zahlen die zudem noch vom Empfänger und (bei nicht selbst leuchtenden Objekten) der Lichtquelle abhängen.

Generell sollte man sich daran orientieren was man erreichen will. Sieht das Objekt so wie im Teleskop aus oder wie man es von anderen Bildern her kennt? Möchte man bestimmte Strukturen im Bild deutlich sehen oder lieber die enormen Helligkeitskontraste im Bild erfahrbar machen? Ich denke eine definitive Antwort gibt es nicht. Bestes Beispiel sind die Hubble Bilder. Um möglichst spektakuläre Aufnahmen zu zeigen, werden  bei machen Aufnahmen die Grundfarben vertauscht und Smallbandaufnahmen mit Breitbandaufnahmen gemischt (siehe Link, grob gesagt: Roter Kanal = blaue SII-Linie, Grüner Kanal = rote H-alpha Linie, Blauer Kanal = grüne OIII Linie). Unser Auge sieht dann mit seinen eigenen Breitbandfiltern etwas ganz anderes als beim Blick durchs Teleskop! Erlaubt ist eben was gefällt.