Hast Du Dich schon einmal mit dem Thema Bildrauschen durch Sensorerwärmung und den damit verbundenen Auswirkungen auf die resultierenden Fotos befasst? Was viele nicht wissen, ist, dass das Bildrauschen nicht nur durch höhere ISO-Werte und die damit höhere Signalverstärkung bzw. Lichtempfindlichkeit ansteigt, sondern auch durch die Erwärmung des Kamerasensors im Laufe des Betriebs verursacht wird.
Das spielt im Alltag vermutlich so gut wie nie eine Rolle, aber insbesondere bei der Astrofotografie wird wegen der Langzeitbelichtungen so ziemlich jede Kamera bzw. jeder Kamerasensor an seine Grenzen gebracht. Gerade beim Stacking macht man in der Regel Serienaufnahmen mit einer Vielzahl an Einzelaufnahmen. Das wiederum geschieht überwiegend im warmen Sommer, da in dieser Phase das Galaktische Zentrum am Höchsten am Himmel steht und am besten fotografiert werden kann. Zwangsläufig wird man in der folglich mit dem Thema Wärmeentwicklung und Sensorrauschen konfrontiert.
Wie stark sich die Erwärmung auf einzelne Fotos tatsächlich auswirkt und welche Möglichkeiten man mit Stacking mit Sequator hat, diesem Bildrauschen entgegenzuwirken, werde ich in diesem Beitrag genauer versuchen anhand von Beispielaufnahmen meiner Sony RX100IV herauszufinden.
Vorab sei soviel verraten: Die Auswirkungen durch Wärmeentwicklung sind größer, als man zunächst denken würde. Tatsächlich habe ich mich im vergangenen Sommer bei einigen gestackten Astrofotos gewundert, weshalb sich im Vordergrund so viele Hotpixels fanden und will diesem Problem im folgenden Beitrag auf den Grund gehen.
Inhalt:
Lightframes und Darkframes
Für das bessere Verständnis der nachfolgenden Ausführungen kommen hier vorab noch einige wichtige Begriffe Verbindung mit dem Stackingprozess:
- Als Lightframes werden in der Astrofotografie diejenigen Fotos bezeichnet, die die „richtigen“ Bildinformationen enthalten – also konkret Deine Fotos, die Du bspw. von der Milchstraße machst.
- Darkframes dagegen sind Fotos, die mit verschlossenem oder abgehängtem aufgenommen werden, sodass kein Licht auf den Sensor einfällt und auf dem resultierenden, schwarzen Bild nur das Dunkelrauschen, Hot-, Cold- und Darkpixels zu sehen sind.
- Hotpixels sind rote Pixel, während Coldpixels blaue Pixel im Bild darstellen, die einerseits durch Fertigungstoleranzen und andererseits durch die Erwärmung sowie durch die Verstärkung des eingefangenen Lichtsignals auf dem Kamerasensor entstehen.
Wozu braucht man das nun alles? Die Darkframes können zur Qualitätssteigerung der Lightframes verwendet werden, indem das Rauschen und die Hot- bzw. Coldpixels basierend auf den Darkframes aus den Lightframes softwareseitig herausgerechnet werden. Das ist möglich, da diese Bildstörungen idR in beiden Frame-Typen an der gleichen Position auftreten. – Und glücklicherweise geht das unkompliziert mit den Bordmitteln von Sequator.
Um beste Ergebnisse zu erzielen, müsssen dazu allerdings sowohl Light- als auch Darkframes unter gleichen Bedingungen aufgenommen werden: Neben der gleichen ISO-Empfindlichkeit sollte auch die Umgebungstemperatur identisch sein, da ansonsten die Menge und Qualität des Bildrauschens zwischen Light- und Darkframes abweicht und eine Korrektur konsequenterweise weniger effektiv ist. Genau aus diesem Grund ist es wichtig, die Aufnahmen immer zeitnah zueinander vorzunehmen bzw. darauf zu achten, dass Umgebungs- bzw. Sensortemperatur in beiden Fällen nahezu identisch sind.
Wenn Du bspw. Deine Lightframes bei einer Temperatur von 7°C aufgenommen hast, kannst Du – rein theoretisch – Deine Kamera auch in den Kühlschrank stellen und eine Reihe Darkframes aufnehmen. Der Zeitpunkt spielt dabei keine rolle, sondern ausschließlich die Umgebungstemperatur. Dass ein solches Vorgehen ziemlich unpraktisch ist, brauche ich nicht extra erwähnen. 😉
Nice to know: Deine Kamera macht prinzipiell bei aktivierter Funktion „Langzeit Rauschminderung“ nichts anderes, als einen Darkframe direkt im Anschluss an die eigentliche, langzeitbelichtete Aufnahme zu erstellen. Zur Bildoptimierung verrechnet die Kamera anschließend die im Darkframe vorhandenen Hotpixels und das Bildrauschen mit dem vorangegangenen und optimiert hierdurch das endgültige Bild. Die Verarbeitung erfolgt also in diesem Fall kameraintern.
Die schlechte Nachricht: Aus Zeitgründen ist diese Funktion normalerweise bei der Astrofotografie deaktiviert. – Insbesondere dann, wenn Du planst, Serienaufnahmen zu machen und diese später zu stacken. Folglich findet keine kamerainterne Rauschreduzierung statt. Du musst, sofern Du dem Bildrauschen entgegenwirken willst, die Darkframes selbst erzeugen.
Die gute Nachricht: Die Erstellung ist nicht allzu schwierig und es gibt verschiedene Vorgehensweisen mit jeweils spezifischen Vor- und Nachteilen:
- Darkframes kontinuierlich während einer Lightframe-Aufnahmereihe erstellen (Bspw. 5 Lightframes gefolgt von 2 Darkframes, danach 5 Lightframes wiederum gefolgt von 2 Darkframes usw.): Wie Du Dir sicher denken kannst, erfordert diese Methodik einiges an Koordination, da mehrfach während einer Serie jeweils das Objektiv verschlossen und wieder geöffnet sowie permanent zwischen Light- und Darkframes gewechselt werden muss. Insbesondere im Dunkeln dürfte das schwierig sein. Zudem besteht die Gefahr, dass beim Abdecken des Objektivs die bewegt und die gesamte Aufnahmeserie unbrauchtbar wird.
- Darkframes am Ende der Aufnahmereihe erstellen: Diese Methode ist schon einfacher. Du erstellst hierzu einfach am Ende Deiner Lightframe-Aufnahmen einige Darkframes. So muss das Objektiv nur einmalig verschlossen werden. Außerdem ist es zu diesem Zeitpunkt egal, ob sich die Kamera dabei versehentlich bewegt, da die eigentlichen Aufnahmen schon im Kasten sind.
- Darkframe-Bibliothek anlegen: Darkframes können auch „gesammelt“ werden. Dazu kannst Du bspw. Darkframes, die Du bei verschiedenen Witterungsbedingungen bzw. Temperaturen aufgenommen hast (siehe u.a. das Kühlschrank-Beispiel oben), auf Deinem Computer abspeichern und wiederverwenden. Das spart Zeit vor Ort, da Du immer weniger Darkframes anfertigen musst, je größer die Bibliothek wird. Natürlich gilt das nur mit der Einschränkung, dass die Bibliothek kameraspezifisch ist. Neue Kamera heißt auch neue Bibliothek. Insgesamt also ebenfalls eine ganze Menge Aufwand.
Ich persönlich halte die zweite Methode in Kombination mit der dritten für praktikabel: D.h. Anfertigung von Darkframes beim Shooting und Archivierung der Fotos mit entsprechenden Metainformationen (Temperatur!), damit diese später wiederverwendet werden können. Ich habe hierzu bspw. ein Verzeichnis mit Darkframes angelegt, das im Namen die Umgebungstemperatur enthält, die bei deren Aufnahme vorherrschte. Für diesen Artikel konnte ich bspw. schnell auf die Bilbiothek zurückgreifen und die Aufnahmebedingungen der Astrofotos, die die Grundlage im weiteren Verlauf bilden, nachstellen.
Du fragst Dich jetzt noch, wieviele Darkframes Du eigentlich erstellen sollst? Nun, auch dafür gibt es leider keine Patentlösung. Ich selbst bin gewöhnlich mit 5 bis 10 Aufnahmen gut gefahren, andere wiederum fertigen ebensoviele Dark- wie Lightframes an. Letztendlich ist das aber auch eine Zeit- und Geduldsprobe. Wie vieles andere auch in der Astrofotografie musst Du das am besten für Dich selbst ausprobieren und die goldende Mitte finden.
Ob Du überhaupt den Aufwand treiben möchtest, Darkframes zu erstellen oder nur mit Lightframes arbeitest, bleibt Dir natürlich selbst überlassen. Sicher ist das auch abhängig vom Rauschverhalten Deiner Kamera bzw. deren Sensor.
Im weiteren Verlauf des Artikels kannst Du Dir jedenfalls gleich selbst ein Bild darüber machen, welchen Einfluss Darkframes bei der Reduzierung des Bildrauschens haben und ob Dir das diesen Mehraufwand wert ist.
Darkframes: Bildserie und Sensorrauschen bei 24°C
Der nachfolgende Vergleich resultiert aus einer Serie von Darkframes, die ich mit meiner im Sommer bei einer Umgebungstemperatur von 24°C aufgenommen habe. Auslöser für diesen Versuch war, wie eingangs kurz erwähnt, dass ich mich bei einigen Astrofotos mit ISO 3200 bereits an den deutlich sichtbaren Hotpixels bzw. am Bildrauschen gestört habe und diese auch im Zuge der Nachbearbeitung nicht richtig korrigiert werden konnten.
Ich wollte der Ursache auf den Grund gehen und habe habe daher versuchsweise bei abgedecktem Objektiv (die hat ja leider keinen Objektivdeckel) 44 Aufnahmen mit ISO 3200 bei einer Umgebungstemperatur von ca. 24°C gemacht.
Sowohl Anzahl der Fotos als auch Temperatur waren vergleichbar mit den Bedingungen, unter denen die eigentlichen Astrofotos entstanden, bei denen mich die vielen Hotpixels störten.
Nachdem ich die Aufnahmereihe gemacht hatte, war ich doch ziemlich überrascht vom Ergebnis. Im linken Teil des nachfolgenden Beispiels ist das erste Foto und im rechten Teil das letzte Foto der Serie zu sehen:
links: Erstes Foto der Serie, rechts: 44stes Foto der Serie
Ich glaube, das Ergebnis bedarf keiner ausschweifenden Erklärungen und spricht für sich.
Festzuhalten bleibt: Das Sensorrauschen stieg im Laufe der Aufnahmefolge kontinuierlich an. Als ich die Ergebnisse das erste Mal sah, konnte ich kaum glauben, wie stark das Rauschen in Form von Hotpixels sichtbar wurde. Die Kamera hatte sich zudem während den Aufnahmen spürbar erwärmt.
Die Frage, die ich mir nun stellte, war: Inwiefern manifestiert sich dieses Darkframe-Rauschen, insbesondere die Hotpixels, bei den Lightframes und gibt es überhaupt Möglichkeiten, dieses Rauschen zu reduzieren?
Lightframes: Vergleich des ersten und letzten Fotos einer Serie
Während im vorangegangen Abschnitt das erste und letzte Foto einer Serie von Darkframes gegenübergestellt wurden, möchte ich das nun jeweils mit dem ersten und letzten Lightframe der „Problemserie“ tun, die mich überhaupt erst veranlasste, die Darkframes aufzunehmen, um die Ursache zu finden:
links: Erstes Foto der Serie, rechts: 56stes Foto der Serie
Der Unterschied ist auch hier eklatant und hat mich im direkten Vergleich ebenfalls ziemlich überracht: Das letzte Foto (rechte Bildhälfte) ist im Vergleich extrem verrauscht und grobkörnig. Das wiederum deckt sich mit der Gegenüberstellung der Darkframes im vorangegangenen Abschnitt.
Zwischenfazit: Das Sensorrauschen durch Hitzeentwicklung im Laufe von langzeitbelichteten Serienaufnahmen ist ein erheblicher und vor allem sichtbarer Störfaktor sowohl in Light- als auch in Darkframes. – Zumindest bei der .
Hier stellt sich bereits auch die Frage nach dem Sweet Spot, also der Anzahl an Aufnahmen, die der Bildqualität beim Stacking überhaupt noch zuträglich sind. Dies werde ich im weiteren Verlauf ebenfalls versuchen zu beleuchten, da ich mir nicht vorstellen konnte, dass das in Sequator finalisierte Foto tatsächlich noch von einem so stark verrauschten Bild, wie es oben in der rechten Hälfte zu sehen ist, profitieren kann.
Rauschreduzierung in Sequator mit Dark Frames am Beispiel einer Einzelaufnahme
Wir wissen nun aus den vorangegangenen Anbschnitten, dass sowohl Dark- als auch Lightframes sichtbar unter der Sensorerwärmung leiden.
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Hinweis: Alle mit Sequator verarbeiteten Fotos wurden mit Standard-Einstellungen vorgenommen.
Im nachfolgenden Beispiel habe ich daher zunächst drei Einzelfotos gegenübergestellt um eine bessere Vergleichbarkeit hinsichtlich des Bildrauschens zum ersten Foto der Serie zu ermöglichen:
oben: Erstes Foto der Serie, links unten: 56stes Foto der Serie, rechts unten: 56stes Foto und Rauschen durch Noise-Images entfernt
- Oben ist das erste Foto der Serie zu sehen.
- Links unten befindet sich das letzte Foto.
- Recht unten ist das letzte Foto dargestellt, jedoch wurde es in Sequator mittels den 44 Darkframes „rauschreduziert“.
Klar: Sequator ist nicht für das Entrauschen von Darkframes mit Einzelfotos gedacht. Aber der Vergleich stellt sehr deutlich die Unterschiede der verschiedenen Aufnahmen sowie den Einfluss des Darkframe-Entrauschprozesses dar.
Zwischenfazit: Das erste, obere Foto hat auch im Vergleich zum rauschreduzierten Foto (rechts unten) eine bessere Bildqualität. Außerdem scheint das rauschreduzierte Foto wiederum einen stärkeren Kontrast als das nicht korrigierte Foto (links unten) aufzuweisen. Die Korrektur war folglich nicht schlecht, aber das erste Einzelfoto der Serie ist qualitativ trotzdem deutlich besser.
Rauschreduzierung in Sequator mit Dark Frames auf Basis einer gestackten Aufnahmereihe
Während wir jetzt bereits wissen, dass die Korrektur einzelner Lightframes mit Darkframes sichtbare Auswirkungen hat, diese aber qualitativ noch der ersten Aufnahme unterlegen sind, vergleichen wir nun die Qualität des ersten Fotos der Serie jeweils mit einer gestackten Aufnahme ohne und einer gestackten Aufnahme mit Rauschreduzierung durch Sequator:
1: 56 gestackte Aufnahmen ohne Dark Frames, 2: 56 gestackte Aufnahmen mit Darkframes,
3+4: Erste Aufnahme der Serie im Vergleich
Das Ergebnis kann sich schon sehen lassen: Die rauschreduzierte Variante hat im Vergleich zur Einzel- und zur gestackten, nicht-rauschreduzierten Aufnahme einen deutlich stärkeren Kontrast, mehr Detailreichtum und weniger sichtbare Hotpixels. Darüber hinaus wirken die Farben der rauschreduzierten Aufnahme kräftiger und natürlicher, wohingegen die gestackte, aber nicht entrauschte Aufnahme einen deutlich sichtbaren Rotstich aufweist (aufgrund der vielen Hotpixels, die auch in den Darkframes sichtbar waren). Dennoch sind auch im Randbereich des rauschreduzierten Fotos einige Hotpixels sichtbar, die nicht herausgerechnet werden konnten (rechte, untere Ecke).
Der Rotstich zeigt sich auch direkt im Histogramm in :
Im Vergleich dazu das Histrogramm des entrauschten Fotos:
Zwischenfazit: Die gestackte und entrauschte Aufnahme ist qualitativ der Einzel- und der gestackten Aufnahme ohne Darkframe-Korrektur deutlich überlegen. Im Nachhinein hätte man den Rot-Anteil auch schon im Histogramm erkennen können.
Andere Farbtemperatur mit Rauschreduzierung durch Darkframes
Die unterschiedliche Farbtemperatur zwischen entrauschter und nicht entrauschter Aufnahme, die oben beobachtet wurde, ist auch im Himmel bei der nachfolgenden Gegenüberstellung erkennbar:
links: 56 gestackte Aufnahmen ohne Dark Frames, rechts: 56 gestackte Aufnahmen mit Darkframes
Interessanterweise sind sowohl Detailreichtum als auch Bildrauschen links und rechts identisch. Einzig die Farbtemperatur scheint sich zwischen den Aufnahmen zu unterscheiden.
Während im vorherigen Abschnitt im Vordergrund der nicht entrauschten Variante noch deutlich Hotpixels sichtbar waren, wurden diese von Sequator im Rahmen des Stackingprozesses im Sternenhimmel nahezu vollständig herausgefiltert.
Zwischenfazit: Mit Ausnahme des Farbtons sind die beiden Aufnahmen im Bereich des Himmels annähernd identisch. Vermutlich ermöglicht das rechte Foto aber eine einfachere , da der Farbton natürlicher wirkt und nicht extra korrigiert werden muss.
Sweet Spot: Bessere Qualität mit weniger Aufnahmen?
Kommen wir nochmal zurück zur weiter oben aufgekommenen Frage, ob weniger Aufnahmen beim Stacking wegen der sich verschlechternden Bildqualität aufgrund der Sensorerwärmung im Laufe des Aufnahmeprozesses ggf. zu einem identischen Ergebnis führen und ob man sich den zeitintensiven Mehraufwand zur Anfertigung einer großen Anzahl an Fotos sparen kann.
Im unteren Beispiel ist ein direkter Vergleich eines gestackten und mit Darkframes bereinigten Bildes mit 30 Fotos (links) und mit 55 Fotos (rechts) als 200%-Ausschnitt zu sehen:
Mit etwas Fantasie könnte man sagen, dass der linke Teil einen marginal höheren Anteil an Bildrauschen hat, als der rechte. Allerdings handelt es sich um eine 200%-Vergößerung. Dieser Unterschied wird in der Praxis nicht zu sehen sein, sodass das Ergebnis aus meiner Sicht eindeutig ist: Die geringere Anzahl an Aufnahmen führt beim Stacking nicht zu einer sichtbaren Verschlechterung.
Zwischenfazit: Die reine Masse an Aufnahmen führt beim Stacking nicht zwangsläufig zu besserer Bildqualität. Vielmehr gilt es, jeweils für den verwendeten Kameratyp den Sweet Spot, d.h. den Punkt zu ermitteln, der zu optimalen Ergebnissen bei minimaler Anzahl Aufnahmen führt. Das spart definitiv Zeit vor Ort und erlaubt Dir, Dich anderen Motiven zu widmen.
Fazit und Implikationen
Kommen wir also zu den Schlussfolgerungen bzw. Implikationen und meinem persönlichen Fazit, das sich aus den vorangegangenen Zeilen ergibt. Ich muss zugeben, dass ich beim Erstellen dieses Artikel selbst einige Aha-Erlebnisse hatte:
- Tatsächlich nimmt das Bildrauschen durch die Erwärmung des Sensors sichtbar mit steigender Aufnahmedauer zu. Dies ist sowohl auf Dark- als auch auf Lightframes eindeutig zu erkennen und resultiert in einer sich deutlich verschlechternden Bildqualität.
- Das Rauschen kann mittels Darkframes softwarebasiert, bspw. mit Sequator, effektiv reduziert werden. Hier war ich von den oben aufgeführten Resultaten sehr positiv überrascht.
- Aus der vorgenannten Bereinigung kann – zumindest im Fall des zugrunde liegenden Beispiels – im Ergebnis ein anderer Grundfarbton des gestackten Fotos resultieren, der neutraler ist und deshalb die Nachbearbeitung erheblich erleichtert.
- Im Wesentlichen wurde in diesem Artikel das Rauschverhalten der RX100 betrachtet. Wie stark andere Sensoren rauschen, kann ich natürlich nicht beurteilen. Prinzipiell kann aber davon ausgegangen werden, dass Bildrauschen ein generelles Problem ist und Darkframes im Zweifelsfall Abhilfe schaffen können. Bei meiner Sony Alpha 6400 ist mir eine solche Erwärmung bisher übrigens noch nicht aufgefallen. Allerdings kam ich auch noch nicht in die Verlegenheit, Serienaufnahmen im Sommer mit ihr zu machen. Was nicht ist, wird aber sicher noch werden. Sofern ich hierzu neue Erkenntnisse gewonnen habe, reiche ich diese natürlich in einem separaten Vergleich nach.
- Zu guter Letzt hat sich erneut bewiesen, dass es sich lohnt, den Sweet Spot in Sequator für die eigene Kamera zu ermitteln. Die schiere Masse an Aufnahmen führt in der Praxis nicht zwangsläufig zu einer besseren Bildqualität.
Mein persönliches Fazit lautet daher: Da mich die Resultate bei Verwendung von Darkframes positiv überrascht und ich einen solchen Effekt nicht erwartet habe, werde ich in Zukunft verstärkt versuchen, Darkframes mit der Sony RX100 aufzunehmen. – Und zwar direkt im Anschluss an meine eigentlichen Astrofotos. Darüber hinaus werde ich mir auf Basis dieser Aufnahmen eine Bibliothek aufbauen, auf die ich immer wieder bei Bedarf zurückgreifen kann.
Bei meiner wird der Sommer zeigen, ob sich bei höheren Temperaturen auch bei dieser Kamera Bildrauschen einstellt.
Erstaunlich fand ich auch, dass das gestackte Foto nach dem Entrauschen einen anderen Farbton aufwies. Eigentlich ist das aber wiederum nicht verwunderlich, wenn man sich die Verfärbung der Darkframes ins Rötliche anschaut, die eingangs in diesem Beitrag gezeigt wurden.
Versuchsweise konnte ich auf dieser Basis schon ein Astrofoto entwickeln. Im Bearbeitungsprozess hat sich die Vermutung bestätigt, dass die Milchstraße wegen der höheren Farbneutralität deutlich einfacher herauszuarbeiten war und der resultierende Farbton natürlicher wirkte, als das bei den vorherigen Fotos ohne Darkframes der Fall gewesen wäre.
Ich sehe die Verwendung von Darkframes daher als neuen Baustein im Rahmen meines etablierten Bearbeitungsprozesses von Astrofotos, der zu deutlich sichtbaren Verbesserungen im Endergebnis führt.
Der nachfolgende Vergleich zeigt die Gegenüberstellung zweier ähnlich entwickelter Fotos jeweils mit (rechts) und ohne (links) Rauschreduzierung durch Darkframes. Darüber hinaus habe ich den Himmel im linken Bild mit einer alternativen Methode um Sterne reduziert, was dem Foto ebenfalls zugute kommt (dazu wird es noch einen separaten Beitrag geben):
[s201_bai id=“8″]
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