Die Theorie
oder wie kann ich bessere Bilder erstellen

Warum kombinieren?
Wieviele Aufnahmen?
Kalibrierung: wozu braucht man Dark, Flat und Biasframes?
Welche ISO-Einstellung?

Nachfolgend habe ich ein paar einfache Informationen für Sie zusammengestellt, die aber niemals Ihre eigenen Erfahrungen ersetzen können.
Einige Experten haben beschlossen ein freies Astrofotografie-Web-Magazin zu schaffen, das mit umfangreichem, oft schwer verdientem Wissen aufwartet.

In einigen vergangenen Themen wurde sehr viel über "Bilder-Rauschen, Drizzle Diskussion, Nachführbilder" und einiges mehr berichtet.

Hinweis: Ich bin in keiner Weise an diesem Magazin beteiligt oder an einer Anzeige, die sie in dem Magazin finden.
Ich platziere hier nur deren Banner der aktuellen Ausgabe, weil es eine wirklich gute Sache ist, voller nützlicher Informationen und, was ganz wichtig ist - absolut kostenlos! (Sprache ist allerdings Englisch)

Warum kombinieren?
Die Antwort ist ganz einfach: Es dient lediglich der Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR =Signal to Noise Ratio)
Wird das fertige Bild dadurch heller und leuchtender? Nein.
Wird das fertige Bild dadurch farbiger? Nein.

Das Ziel der Kombination vieler Bilder (Stacken = Stapeln =übereinander legen) ist wirklich nur die Erhöhung des SNR. Das fertige Bild ist dabei weder leuchtender oder farbiger, aber es enthält viel weniger Rauschen als einzelne Aufnahmen. Sie können das Histogramm eines kombinierten Bildes einem größeren Stretching unterziehen und haben damit viel mehr Möglichkeiten Details und Farben herauszukitzeln.

Wie viele Aufnahmen?
Je mehr, desto besser. Aber oberhalb eines Schwellenwertes ist es weniger effizient.
Das Signal-Rausch-Verhältnis vergrößert sich mit der Quadratwurzel aus der Anzahl der kombinierten Aufnahmen, unabhängig davon, wie lange die einzelnen Bilder belichtet wurden.
Dies gilt für alle Kombinations-Methoden (Durchschnitt, Median, Kappa-Sigma Clipping, Auto-Adaptive weighted average, ...) außer Entropy-Weighted-Average, da diese eine auf Entropie basierende Gewichtung jedes Pixel vornimmt und dies zu einer Erhöhung des Rauschens führt, welches wiederum zu großer Entropie beiträgt...

Dies bedeutet bei einem Basis SNR von 1, dass der SNR bei einer Kombination von 10 Bildern auf 3,16 ansteigt (3,16 ist die Quadratwurzel aus 10). Bei 30 Bildern beträgt er 5,47, für 50 Bilder 7,07, für 100 Bilder 10, für 300 Bilder 17,32 .....

Wie Sie sehen können, brauchen Sie für einen SNR von 7 ca 50 Bilder. Um einen SNR von 14 zu erreichen, benötigen Sie schon 200 Aufnahmen.

Führen 100 x 1 Minute und 10x10 Minuten zu dem gleichen Resultat?
Ja, wenn man nur den SNR Wert zugrundelegt, aber definitiv nein, wenn man das Endresultat betrachtet.
Der Unterschied zwischen einer 10 Minuten Aufnahme und einer 1 Minuten Aufnahme ist der, dass der SNR in den 10 Minuten Aufnahmen 3,16 höher ist als in der 1 Minuten Aufnahme.

Sie erhalten zwar den gleichen SNR, wenn Sie 10 Lightframes von 10 Minuten, oder 100 Lightframes von 1 Minute kombinieren, allerdings werden Sie nicht das gleiche Signal des Objektes einfangen (den eigentlich interessanten Teil). Einfach ausgedrückt: Es wird nur dann ein ausreichendes Signal eingefangen, wenn die Belichtung lange genug dauert, um soviele Photonen des Objekts einzufangen, dass diese nicht im Rauschen untergehen.

Zum Beispiel bekommen Sie bei einem lichtschwachen Nebel vielleicht alle 10 Minuten ein paar Photonen auf den Chip. Wenn Sie nun mit 10 Minuten Aufnahmen arbeiten, haben Sie auf jedem gerade gemachten Lightframe Photonen gesammelt. Wenn Sie nun diese Aufnahmen kombinieren wird das schwache Signal von jeder Aufnahme sehr verstärkt werden.
Wenn Sie allerdings mit 1 Minuten Aufnahmen arbeiten, werden nicht auf allen Lightframes Photonen des Nebels vorhanden sein. Wenn Sie nun diese Aufnahmen später kombinieren, wird das eigentliche Signal des Nebels als Rauschen interpretiert, da es ja nicht auf allen Lightframes vorhanden ist.

Kann ich zwei (oder mehr) fertige Bilder kombinieren?
Natürlich, da auch hier die Quadratwurzel-Regel gilt. Das Bild erhält dadurch einen minimalen Anstieg des SNR.

Wenn Sie 2 Bilder kombinieren, wird sich der SNR um 1,414 erhöhen (Quadratwurzel aus 2).
Wenn beide Bilder den gleichen SNR haben, so ist dies so, als würden sie einen einzigen Stack machen. Das bedeutet nicht, dass das Bild durch die Kombination das gleiche bleibt, aber es wird den gleichen SNR haben.

Wann immer Sie einen Stack verwenden, der aus mehr Lightframes besteht als der andere, wird der SNR von beiden unterschiedlich sein. Wenn Sie das fertige Bild aus beiden Stacks nun kombinieren, wird der SNR schwächer ausfallen, als bei einem Stack der alle Lightframes enthält.

Das bedeutet, dass bei der Kombination aus dem fertigen Bild eines 10x1 Minute Stack mit einem einzelnen 1 Minuten Frame der SNR in etwa der gleiche sein wird, als bei einer Kombination von 2 Lightframes. Das ist einfach auf die Tatsache zurückzuführen, dass das Rauschen beider Bilder addiert wird und das beste Bild dadurch von dem schlechteren regelrecht ruiniert wird.

Kalibrierung: Mit Hilfe von Dark-, Flat- und Biasframes
Unter der Kalibrierung versteht man den Prozess, Bias- und Dark-Signale zu subtrahieren und durch das Flat-Signal zu dividieren.
Ich möchte Ihnen hier nicht erklären, wie man zu brauchbaren Dark-, Bias- und Flatframes kommt (siehe dazu hier), aber ich möchte, dass Sie besser verstehen wie man sie einsetzt, um zu den bestmöglichen Bildern zu kommen.

Eine gute Idee
Jeder sagt Ihnen, dass sie unbedingt Dark-, Bias- und Flatframes machen müssen um hervoragende Bilder zu erstellen. Aber, wenn Sie es auf die falsche Weise tun, können sie Ihr schönes Lightframe dadurch beschädigen und sind von dem Endergebnis sehr enttäuscht.

Die gute Nachricht: Es ist wirklich sehr einfach gute Resultate zu erlangen. Hier nun also das Warum und Wie.

Ein häufiges Missverständnis
Es ist leider ein sehr verbreiteter Irrtum, dass sich die Anzahl der Dark-, Bias- und Flatframes in irgendeiner Weise an der Anzahl der Lightframes orientieren soll.
Viele Astrofotografen verwenden nur sehr wenige (im Extremfall nur ein einziges) Dark-, Bias- und Flatframes, wobei sie wesentlich bessere Ergebnisse mit einer höheren Anzahl dieser Frames mit der gleichen Lightframe-Serie erziehlen könnten.

Nach der Quadratwurzel-Regel wird man "saubere" Master-Frames (Dark-, Bias- Flatframes) nur mit einer großen Menge an Frames erreichen können. Denken Sie daran, dass Sie bei der Kalibrierung nur versuchen das Bias- und Dark-Signal zu entfernen und nicht das in den Lightframes vorhandene Rauschen.

Im Gegenteil:
Wenn sie zum Beispiel ein Master-Dark von jedem Lightframe abziehen, addieren Sie das Rauschen des Master-Dark zu dem Rauschen des Lightframes hinzu. Je geringer nun das Rauschen des Master-Darks ist, umso geringer ist auch das Ansteigen des Rauschens im Lightframe.Dies gilt natürlich auch für das Master-Bias und Master-Flatframe.

In der Tat können Sie, wenn Sie nur eine geringe Anzahl an Frames zur Erstellung der Masters verwenden, sehr leicht das Rauschen im kalibrierten Lightframe verdreifachen (Bias-, Dark-Subtraktion und Flat-Division), im Vergleich zum Rauschen des Lightframes vor der Kalibrierung.

Stellen Sie sich vor, Sie müssten nun, um dieses Missverhältnis auszugleichen, 9 x mehr (3x3 Quadrierung als Gegenpart zur Quadratwurzel) Lightframes verwenden, um auf den gleichen Rauschpegel zu kommen, als wenn Sie rauschfreie Masters verwendet hätten.

Dies ist der Grund, warum Sie immer so viele Dark/Bias/Flatframes wie möglich machen sollten. Auf der praktischen Seite würde ich versuchen wenigstens 20 Frames von jeder Sorte zur Erstellung der Masters zu verwenden, wenn Sie das Rauschen im fertigen Bild nicht zu sehr anheben wollen. Eine Verwendung von 50 bis 100 beschert Ihnen allerdings wirklich gute und (meistens) rauschfreie Masters..

Ein kleiner Hinweis über die Hoot-Pixel
Hot-Pixel sind Pixel, die sich nicht normal verhalten. Sie zeigen immer ein hohes Signal, welches in jedem Dark- oder Lightframe sichtbar ist.

Wenn Sie allerdings ein einzelnes Darkframe von einem Lightframe abziehen, entfernen Sie damit die Hot-Pixel wobei Ihnen dadurch der falsche Eindruck vermittelt wird, dass das Darkframe seine Arbeit getan hat.
Sie verdoppeln jedoch, gleichzeitig mit dem Subtrahieren des Darkframes das Rauschen des Lightframes und ruinieren es damit gründlich.

Welchen ISO Wert?
Diese Frage wird sehr oft gestellt und die Antwort ist sehr einfach: Es ist egal...eigentlich.

In der Tat ist der ISO-Wert nur eine Einstellung in der DSLR, der CMOS oder CCD Chip aber immer noch der gleiche (Sie tauschen ihn wohl kaum aus, wenn Sie die ISO Einstellung veändern, oder?), also ist das Ergebnis immer das selbe.
Mit einem höheren ISO-Wert fangen Sie ja nicht mehr Photonen ein, sondern erhöhen nur deren Verstärkung (natürlich auch das Rauschen).

Das heißt, dass Sie nicht den ISO-Wert erhöhen müssen, um schwächere Signale einzufangen, sondern einfach versuchen sollten länger zu belichten. Genau darin liegt oft das eigentliche Problem. Es ist nicht mit jedem Setup möglich, sehr lange und präzise nachzuführen. So wird man immer einen Kompromiss aus möglichst langer Belichtung und immer noch genauer Nachführung suchen. Der gewählte ISO-Wert wird also eher davon abhängen.

Natürlich ist die ganze Sache etwas komplizierter, als es auf den ersten Blick erscheint, denn jede DSLR hat ihr eigenes Profil und ihre spezifische ISO-Einstellung, bei der optimale Ergebnise zu erwarten sind.
Es hängt von den einzelnen, charakteristischen Merkmalen jedes Sensor-Chips ab (Ausleserauschen und elektronisches Rauschen) und ist nicht so einfach zu berechnen.
Christian Buil hat sich einmal die Mühe gemacht und die Werte für einige DSLR's ermittelt.