Fototechnik: "Sternenspuren"

Seit mehren Jahren beschäftigen wir uns mit der Aufnahme von Startrails oder Sternenspuren, also der vermeintlichen Bewegung der Sterne auf konzentischen Kreisbahnen um den Polarstern herum. Gäbe es keine technischen Einschränkungen bei handelsüblichen Kameras, so könnte man diese Sternenbewegung mit einer mehrstündigen Langzeitbelichtung einfangen und erhielte als Ergebnis eine Aufnahme, die eben Segmente dieser Kreise mit dem Polarstern im Mittelpunkt zeigte. In der Praxis funktioniert dies leider nicht  - Kamera-/Sensorfehler, Wolken, Flugzeuge etc. würden bei dieser Vorgehensweise dafür sorgen, dass nach einigen Stunden Belichtung als Ergebnis eine völlig überbelichtete Aufnahme erscheint.

Daher ist die Vorgehensweise bei der Startrailfotografie eine völlig andere. Hier werden viele Einzelaufnahmen in Serie erstellt, die später in einem geeigneten Programm zusammengesetzt werden. Der folgende Beitrag beschreibt den gesamten Prozess von den Voraussetzungen bis zum entwickelten Startrailbild.

Wo und wann können Startrails fotografiert werden?

Um Startrails aufzeichnen zu können, muss man Sterne sehen können - diese eher trivial erscheinende Bedingung ist nahezu die größte Herausforderung für erfolgreiche Startrailprojekte, denn ihre Umsetzung ist vielerorts schwierig. Zunächst muss die Lichtverschmutzung am Aufnahmeort gering sein. Zur Prüfung, ob der Ort, den man für Nachtaufnahmen in Erwägung zieht, diese Bedingung erfüllt, lohnt zunächst dessen Überprüfung anhand der Lightpollutionmap. Hier zeigt sich bereits, dass z.B. städtische Bereiche völlig ungeeignet sind. In Deutschland ist dagegen die Eifel eine Gegend, die auf Grund der geringen Lichtverschmutzung für astronomische Nachtaufnahmen gut geeignet ist. Des Weiteren spielen für die Startrailfotografie die Mondphasen eine Rolle. Ideale Aufnahmebedingungen findet man nur kurz vor bzw. nach dem Neumond, wenn also die Mondsichel noch etwas Licht abgibt, um ein möglicherweise ausgewähltes Motivobjekt im Vordergrund der Aufnahmeszenerie zu beleuchten.  Der volle Mond ist dagegen viel zu hell und überstrahlt die eher schwachen Sterne.

Ein gesamter Mondphasenzyklus von einem Neumond zum folgenden Neumond (Lunation) dauert im Mittel etwa 29,5 Tage, das bedeutet, dass lediglich 12 mal eine Chance pro Jahr besteht, in einem Zeitraum von vielleicht drei Tagen um den Neumond herum eine geeignete Nacht für  Startrailaufnahmen zu finden. Als sei dies nicht schon schwierig genug zu realisieren, muss in der Aufnahmenacht der Himmel sternenklar also wolkenfrei sein, es darf nicht regnen oder nebelig sein etc. Schon diese  Umweltbedingungen machen Startrailprojekte zu einem sehr aufwändigen und schwierigen Unterfangen - doch auch die notwendige Technik - Aufnahme und Entwicklung - ist nicht ohne, will man beeindruckende Startrailbilder erzeugen, die ohne offensichtliche Retusche die Betrachter in ihren Bann zu ziehen vermögen.

Was soll fotografiert werden?

Startrailaufnahmen wirken vor allem in Kombination mit geeigneten Motivobjekten. So ist die Auswahl der aufzunehmenden Szenerie der nächste Schritt, um zu beeindruckenden Startrailaufnahmen zu gelangen. Das spannend dargestellte Zusammenspiel zwischen Motivobjekt mit dem nun mit konzentrischen Ringen umgebenen Polarstern spielt dabei die Hauptrolle. Polarstern links oben, Motivobjekt rechts unten, alles mittig da schön symmetrisch u.ä. Überlegungen führen zur Bestimmung des optimalen Standortes der Kamera. Dabei ist die Aufnahmerichtung Norden sicher der wichstigste Parameter, aber in welcher Höhe mit welcher Sichtbarkeit zu welcher Zeit der Polarstern zu erwarten sein wird, wenn man die Szenarie im Tageslicht auswählt, dürfte nicht ohne Hilfsmittel zu bestimmen sein. Wenn man bedenkt, wie wenige Chancen es pro Jahr für so eine Aufnahme gibt, sollte man hier schon mit Sorgfalt vorgehen. Eine Software wie Photopills, die es als App für Smartphones gibt, hilft hier z.B. exakt die räumlichen Gegebenheiten und Konstellationen zu ermitteln, um die Startrailaufnahme gut planen zu können.

Hat man nun den optimalen Standort für die Kameraposition gefunden, muss überprüft werden, ob dort auch ein stabiles Stativ für einen Zeitraum von mindestens 3 Stunden äußerst stabil und bewegungsfrei aufgestellt werden kann. Das stellt Anforderungen an den Untergrund (Sumpfgebiete scheiden aus;-)) aber auch an die Windanfälligkeit etc.

Als nächstes ist die Jahreszeit zu bedenken. Am wenigsten störenden Dunst hat man in kalten Nächten, dann ist aber auch das eingesetzte Objektiv kalt und wenn man z.B. in der Nähe von Feuchtgebieten die Kamera aufgestellt hat, dann kann das Objektiv beschlagen. Die so erstellten Aufnahmen wären dann unbrauchbar. Eine Gegenmaßnahme wäre, das Objektiv zu temperieren. Hierzu gibt es elektrisch betriebene Objektivwärmer z.B. von Coowoo (mit denen ich allerdings noch keine Erfahrungen gesammelt habe). Generell empfiehlt es sich, die Kamera-Objektiv-Kombination auf die Einsatztemperatur zu bringen, bevor der eigentliche Aufnahmezyklus gestartet wird, um mögliche thermische Effekte durch eine rapide Temperaturänderung von Zimmer- auf Außentemperatur der Kombi zu vermeiden. Dazu bringt man schon einige Zeit vor der Aufnahmeserie die Kamera nebst Objektiv ins Freie, um sie runterzukühlen.

Wie soll man Startrails fotografieren?

Die Beispielfotos dieses Beitrages sind mit den Kameras: Nikon D810 bzw. Nikon D850 in Kombination mit dem Objektiv Nikkor 20mm f/1.8 erstellt worden. Der Vollformatsensor der beiden Kameras wirkt sich günstig auf das Rauschen aus, die mit f/1.8 verhältnismäßig große Offenblende sorgt für eine gute Lichtausbeute.

Bevor es nun losgeht, muss man sich entscheiden, wie man die Fotoserie von mehr als 200 Aufnahmen realisieren will. Zum einen bieten sich Fernauslöser an, bei denen man Intervalle und Aufnahmedauer nebst Aufnahmenanzahl direkt einstellen kann. Bei den Nikons kann man dies allerdings auch direkt in der Kamera einstellen, so dass sie in Serie z.B. 300 Aufnahmen mit z.B. jeweils 30 Sekunden Aufnahmedauer schießt. Die  Nikon D850 habe ich im sogenannten Live-View-Modus betrieben, in dem die Kamera zwischen den einzelnen Aufnahmen den Spiegel hochgeklappt hält. Das vermeidet Erschütterungen und schont den mechanischen Verschluss. Insbesondere bei kalten Nächten empfiehlt sich hier der Einsatz eines Handgriffs mit zusätzlichem Akku, da ein Akkuwechsel während der Aufnahmeserie natürlich suboptimal ist.

Die richtige Entfernungseinstellung ist die erste Hürde. Zur Fokussierung auf unendlich (Sterne) wird auf dem Objektiv zwar der Schärfentiefebereich für Blende 16 angezeigt, was leider wenig nutzt, da man  Startrailaufnahmen mit offener Blende (hier also f/1.8) realisiert. Will ich mein ausgewähltes Motivobjekt genauso wie den Sternenhimmel (∞)  auch scharf abbilden, benötige ich also die Range z.B. von 10 m (Motivobjekt) bis  ∞ , die scharf abgebildet werden soll. Hier kann man (muss man) Testaufnahmen machen, bis man die richtige Scharfstellungen gefunden hat aber man kann sich auch wieder des Programms Photopills bedienen, das für viele Kamera/Objektiv/Blendenkombinationen die Schärfe-Range direkt angibt, von der man dann bei seinen Tests ausgehen kann.

Nun ist übrigens ein guter Zeitpunkt, um den Einstellring zur Entfernungseinstellung am Objektiv zu fixieren, z.B. mit einem Klebeband. Für Nachtaufnahmen hat man zwangsläufig nicht die Routinen verfügbar, die einem bei Tageslichtaufnahmen helfen und so hat schon manche Fotoserie bei Nacht ein unglückliches Ende erlebt, weil man beim Tasten im Dunkeln an den verflixten Einstellring für die Entfernungseinstellung geraten ist, was dann später auf dem Monitor zu hübschen Lichtflecken statt der scharf strahlenden Sterne geführt hat.

Spätestens jetzt müssen alle Automatiken ausgestellt werden (Autofokus, Stabilisator (Kamera/Objektiv, ISO-Automatik). Falls vorhanden ist auch der Modus für Langzeitbelichtung der Kamera auszuschalten, der im Nachgang zu einer Aufnahme ein Darkframe (s.u.) mit den identischen Aufnahmeeinstellungen erzeugt - also nochmals 30s Aufnahme bei geschlossenem Verschluss für jede Aufnahme!

Welche Blende, welche Belichtungszeit?

Die Blende ist offen, nun muss man die optimale Einstellung für die Parameter ISO und Belichtungszeit finden, die für die gesamte Serie konstant eingestellt bleiben. In den verschiedenen Tutorials im Internet werden gelegentlich ideale Kombinationen angegeben, die aber nur dann Sinn machen, wenn auch die og. Voraussetzungen zu den vorgeschlagenen Werten passen:  also, gleiche Kamera, Objektiv, Jahreszeit, Ort etc.? Bei den Beispielaufnahmen habe ich die dort getroffenen Einstellungen zur Orientierung angegeben, da bei einem derart aufwändigen Projekt die optimale Kombination vom Verhältnis ISO/Rauschen der Kamera, des Wertes der Offenblende des Objektives etc. abhängen und über Testaufnahmen vorort ermittelt werden sollten.

Die Aufnahmen sind im Kasten - und jetzt?

Es liegen nun einige 100 Aufnahmen, sogenannte Lightframes vor, auf denen jeweils bis zu 30 Sekunden Sternenbewegungen aufgenommen wurden. Diese Aufnahmen muss man jetzt zu einem Gesamtbild  verrechnen, was auch Stacking genannt wird. Zuvor muss man die Aufnahmen auf Qualität prüfen und ggf. diejenigen aussortieren, auf denen Flugzeuge, Satelliten, Sternschnuppen, Wolken unerwünschte Spuren hinerlassen haben. Hier muss man bedenken, dass viele Aufnahmen einer Teilserie, die man aussortiert, zu entsprechenden Lücken in der Startrailaufnahme führen, die man im nächsten Schritt erzeugt.

Eine Startrailaufnahme kann nun z.B. mit  Adobe Photoshop erzeugt werden, indem im ersten Schritt alle Lightframes in Photoshop direkt als Ebenen importiert (geht von Adobe Lightroom aus problemlos). Diese werden dann übereinander gelegt, so dass sich im resultierenden Gesamtbild die kleinen Kreisbögen der Einzelaufnahmen nahtlos zu dem geplanten größeren Kreissegment zusammenfügen. Hat man das ausgesuchte Motivobjekt zuvor bei besserer Beleuchtung oder mit Lightning-Methoden separat und passgenau abgelichtet, so läßt sich dieses nun in das Photoshopergebnis direkt einfügen und man sieht den ersten Entwurf seiner Kombination Motiv/Startrail in Photoshop für mögliche weitere Bearbeitungsschritte.

Wer nicht über Photoshop verfügt bzw. wer eine auf das Erstellen von Startrails optimierte Software bevorzugt, kann im Internet verschiedene Freewareangebote finden.

Die schnellsten Ergebnisse erzielt man mit den Programmen Starstax von Markus Enzweiler und Startrails von Achim Schaller. Hierzu gibt es passende Tutorials, die den Einstieg erleichtern. Allerdings sei hier zumindest auf den Vorteil dieser speziellen Softwarelösungen hingewiesen, dass diese Programme auch eigenständig die Lücken innerhalb der Startrails füllen können, die durch das Aussortieren von gestörten Aufnahmen (Flugzeuge, Autoscheinwerfer etc.) entstehen. Zusätzlich verbessern die Speziallösungen das Ergebnis, indem sie zusätzlich zu den Lightframes sogenannte Darkframes, Flatframes und Offset/BiasFrames (DeepSkyStacker) berücksichtigen können, um Kamera-/Optik- und Sensorfehler zu reduzieren. Das Programm, das zudem noch mit raw-Dateien umgehen kann, ist DeepSkyStacker. Dieses ist zwar etwas aufwändiger bei der Konfiguration und Einarbeitung, lohnt sich aber generell im Hinblick auf weitere astronomische Fotoprojekte (Milchstraße, Deep Sky etc.). Diese Programme laufen zur Höchstform auf, füttert man sie nicht nur mit Lightframes sondern auch zumindest noch mit Darkframes.

Wie erstellt man Lightframes, Darkframes, Flatframes und Offset/BiasFrames?

Lightframes sind die eigentlichen Aufnahmen. Sie enthalten die Motivinformationen, also Sterne in Kombination mit dem Motivobjekt. Sie werden erstellt wie zuvor beschrieben.

Darkframes sind Aufnahmen, die mit geschlossener Objektivkappe aufgenommen wurden. Sie enthalten zwar keine Motivinformationen, aber Hinweise auf den elektrischen und thermischen Zustand des Bildsensors. Diese Aufnahmen sollten komplett schwarz sein, was allerdings z.B. Effekte wie Dunkelstrom und Hot Pixel verhindern. Sie entstehen durch thermische und elektrische Einflüsse innerhalb der Kamera und führen dazu, dass der Sensor auch bei fehlenden Lichtinformationen schwache Signale aufzeichnet. Diese enthalten zwar keine Lichtinformationen, geben dafür aber Aufschluss über Störeinflüsse, die auf den Kamerasensor wirken.  Dieser Strom fällt für jedes Pixel individuell unterschiedlich aus und steigt mit der Temperatur des Sensors an. Dabei werden die Pixel, die einen überdurchschnittlich hohen Dunkelstrom aufweisen, Hot Pixel genannt. Die Darkframes werden durch die Stackingsoftware von den Lightframes abgezogen, um diese Effekte zu minimieren. Dazu müssen Darkframes mit den gleichen Kameraeinstellungen (ISO, Belichtungszeit) und bei den gleichen Umweltbedingungen (Temperatur) wie die Lightframes aufgenommen werden. Um statistische Effekte zu minimieren, werden die Darkframes ebenfalls von der Software gemittelt und man benötgt daher eine entsprechend hohe Anzahl an Darkframeaufnahmen. Auch wenn wie o.g. die Kamera sowie das Objektiv temperiert an den Start gehen sollten, gelingt dies gelegentlich nicht vollständig. Somit werden die Darkframes besser nach Abschluss der Lightframe-Serie aufgenommen. Die Theorie verlangt die gleiche Anzahl an Darkframes wie Lightframes zu produzieren, was in der Praxis allerdings einen hohen Zeitaufwand bedeutete. Geht man von 300 Lightframes a 30s entsprechend 9.000 Sekunden bzw. 2,5 Stunden aus, so wären weitere 2,5 Stunden für die Erstellung der Darkframes notwendig. Bei meinen Startrailprojekten habe ich jeweils 50 Darkframes am Ende der Serien erzeugt, indem ich die gleichen Einstellungen wie für die Lightframes bei geschlosseneme Objektivdeckel verwendet habe.

Flatframes korrigieren Abbildungsfehler der eingesetzten Objektive wie Vignettierung sowie Bildfehler durch Sensorverunreinigungen. Einerseits erzeugt jede Optik Bildfehler und andererseits reagiern nicht alle Pixel im Sensor gleichermaßen auf einfallendes Licht. Vielmehr variiert der Prozentsatz der Photonen, die ein Elektron freisetzen, sowohl mit der Wellenlänge (Quanteneffizienz: optimal (und nicht erreichbar), wenn ein empfangenes Photon  ein Elektron freisetzt) als auch von Pixel zu Pixel. Flatframes werden aufgenommen, um diese möglichen Inhomogenitäten in der Bildausleuchtung (Vignettierung) und Verschmutzungen des Sensors auszugleichen. Der Kameraufbau sowie alle Einstellungen und Umweltbedingungen sollen mit der geplanten Startrailserie übereinstimmen und manuell eingestellt sein. Ausnahme ist die Belichtungseinstellung die auf AV-Automatik stehen sollte. In dieser Einstellung werden nun rund 30 Flatframes aufgenommen, wobei vor die Kamera eine weiße Pappe gehalten wird oder man wendet den in der Literatur gelegentlich beschriebenen T-Shirt-Modus an (man werfe ein weißes T-Shirt über die Kamera), um dann etwa die notwendigen 30 Aufnahmen zu machen.

Offset/BiasFrames korrigieren Abweichungen des A/D-Wandler der Kamera. Die Biasframes sollen für jedes Pixel alle Abweichungen vom während der Belichtung aufgelaufenen Signal erfassen, die durch den Messvorgang am A/D-Wandler systematisch hervorgerufen werden. Zusätzlich kommt es während der kurzen Auslesezeit des Sensors zu Signalerhöhungen durch den Dunkelstrom (s.o.), dessen statistische Schwankung ebenfalls die für jedes Pixel charakteristische Abweichung überlagert. Um diese zufälligen Abweichungen vom gesuchten idealen Biasframe zu minimieren, sollten rund 50 Biasframes aufgenommen und (median - nicht arithmetisch!) gemittelt werden. Dazu wird eine Aufnahme mit der kürzest möglichen Belichtungszeit bei geschlossenem Verschluss aufgezeichnet, so dass kein Licht den Aufnahmechip trifft. Läßt sich dies mit der Kamera nicht realisieren, kann auch ein Objektivdeckel verwendet werden. Die dann ausgelesene Aufnahme enthält nur die noch durch den Auslesevorgang selbst hervorgerufenen und für jedes einzelne Pixel charakteristische Zahlenwerte.

Noch eine kurze Checkliste für den Start der Aufnahmeserie:

1. Okularverschluss geschlossen?

2. Alle Automatiken (ISO, Langzeitbelichtung, Vibration/Verwackelung, Autofokus ...) ausgeschaltet?

3. Stativ steht stabil und ist ggf. beschwert?

4. Entfernungsring am Objektiv ist fixiert (Klebestreifen)?

5. Akkus sind voll und im Batteriegriff?

6. Testaufnahmen zur Belichtung und Fokussierung sind gemacht?

7. Belichtung steht auf M und Zeit (z.B. 30s) und Blende (z.B. 1,8) und ISO (z.B. 800) ist eingestellt?

8. Flatframes und Biasframes erstellt?

9. Ggf. Rotlichtstirnlampe ist einsatzbereit?

10. Darkframes nicht vergessen!

11. Kaffee bereitgestellt?

Dann viel Erfolg!

Ein interessanter Artikel von Gunther Wegner gibt weiterführende Informationen: Link