Чтобы делать качественные астрофотографии, необходимо понимать какие есть источники шума и как нивелировать шум каждого типа. В этот раз поговорим о дробовом шуме и разберемся откуда он берется.
Допустим, у нас есть бесконечно большая темная комната, где свету ничего не мешает распространяться. Поместим в комнату наблюдателя (человека) и источник света.
Когда мы будем отдалять от наблюдателя этот источник, его яркость будет уменьшаться согласно закону обратных квадратов. Это легко понять из приведенного ниже рисунка. Представьте некую сферу с радиусом r и центром в точке с источником света. На поверхности сферы можно выделить единичную площадь, через которую будет проходить определенное количество света (не важно как мы это будем измерять). Если увеличить радиус сферы в два раза, то её площадь увеличится в четыре раза. А значит, через единичную площадь будет проходить в четыре раза меньший поток излучения. Т.е. поток излучения через единичную площадь будет обратно пропорционален квадрату радиуса сферы.
Продолжаем отдалять источник света от наблюдателя. Яркость источника продолжает уменьшаться. Рано или поздно наблюдатель потеряет его из вида. Это расстояние зависит от чувствительности глаз наблюдателя и от абсолютной яркости источника.
Человек в идеальных условиях способен увидеть небольшую свечу с расстояния 3000 метров. На таком расстоянии яркость свечи будет сопоставима с яркостью звезд 6-й звездной величины.
Теперь заменим человека на... лягушку. Почему лягушку? У них очень чувствительные глаза. Значительно чувствительнее, чем у человека - они способны улавливать отдельные фотоны. Начинаем отдалять от лягушки источник света. Сначала она видит ту же картину, что и человек - яркость источника уменьшается. Но на каком-то расстоянии лягушка станет замечать, что источник света начал мерцать. Продолжаем отдалять его. Мерцание стало сильнее. Отдаляем дальше. Лягушка уже видит источник света в виде коротких вспышек, разделенных между собой неравными случайными интервалами. Вспышки - это отдельные фотоны, попадающие в её глаза. Отдаляем дальше. Лягушка продолжает видеть вспышки, но интервалы между ними увеличиваются. Отдаляем дальше и дальше и дальше... Лягушка видит вспышки. Просто с удалением источника света увеличиваются интервалы между ними.
Отсюда следует один интересный и необычный для нашего эмпирического опыта вывод:
Лягушка в идеальных условиях может увидеть источник света с любого расстояния (если у неё будет бесконечно много времени для наблюдения).
Теперь давайте подсадим к нашей лягушке еще одну. Обе они смотрят на один и тот же источник света. Отдалим его настолько, что лягушки будут видеть вспышки вместо постоянного свечения. Попросим посчитать наших земноводных количество вспышек за какой-то интервал времени. Допустим, первая лягушка увидела десять вспышек. Сколько увидит вспышек за то же время вторая лягушка? Десять? Возможно. Но, может быть, что и двенадцать или девять или даже пятнадцать. Из-за квантовой природы света количество фотонов, попадающее в глаза каждой лягушки, будет немного отличаться.
Можно привести другую аналогию. Идет несильный дождь и мы наблюдаем как капли падают в лужу. И считаем их. В один момент их может упасть больше, в другой меньше. Капли - это кванты дождя, как фотоны - кванты света.
Современные фотоматрицы настолько чувствительны, что способны фиксировать отдельные фотоны. Допустим, что мы снимаем какой-то объект с низкой яркостью. Объект протяженный и его яркость равномерна по всей его площади. В идеале, яркость соседних пикселей не должна сильно отличаться. Но из-за квантовой природы света на соседние пиксели будет приходить немного различное количество фотонов, как в случае с двумя лягушками, следящими за одним источником света. Т.е. яркость соседних пикселей будет колебаться вокруг некоторого значения. На получившейся фотографии данный эффект будет восприниматься нами как случайный шум. Это и есть дробовой шум.
Дробовой шум возникает там, где измеряемая величина квантуется (состоит из отдельных порций). Например, в электрических цепях сила тока характеризуется количеством электронов, проходящих через поперечное сечение проводника за единицу времени. И это количество может отличаться от измерения к измерению.
ДРОБОВО́Й ШУМ - беспорядочные изменения (флуктуации) сигнала относительно его среднего значения, вызванные дискретностью измеряемой величины.
Дробовой шум имеет случайный характер. Это белый шум - постоянная составляющая равна нулю. Значит, чтобы его уменьшить, можно сделать усреднение результатов множества фотографий (стекирование).
Амплитуда дробового шума зависит от яркости объекта - чем больше яркость, тем больше амплитуда дробового шума. Представьте, что вы измеряете количество горошин в стакане. Зачерпнули горох стаканом из мешка и посчитали горошины. Зачерпнули второй раз и снова посчитали. Допустим, получилась разница в десять горошин.
А теперь возьмите вместо стакана тару побольше и проделайте то же самое. Считать будете долго, но, наверняка, разница в количестве горошим окажется значительно больше десяти. Т.е. амплитуда флуктуаций возросла. При этом, SNR (Signal Noise Ratio - отношение сигнал/шум) увеличится. Т.е. доля дробового шума относительно полезного сигнала станет меньше.
Этот факт очень важен в астрофото и связан с еще одним источником дробового шума - фоновой засветкой неба. Засветка только кажется равномерной. В действительности, она содержит дробовой шум. И чем ярче засветка, тем больше дробового шума она в себе несет. Т.к. это белый шум, мы можем бороться с ним стекированием. Но для подавления шума при сильной засветке придется сделать гораздо больше кадров, а значит потратить гораздо больше времени на съемку. Насколько больше? Мы выехали под темное небо и сделали один кадр. Он содержит некоторый шум от засветки (в земных условиях она есть всегда). Теперь едем в центр большого города и делаем много кадров, чтобы стекированием добиться того же уровня шума, который получили на одном кадре под темным небом. И может оказаться, что для этого нам потребуются... сотни или даже тысячи кадров. Большая разница.
Отсюда вывод:
Минимальная фоновая засветка - одно из важнейших условий для съемки объектов с низкой яркостью!
Шум от искуственной засветки можно уменьшить, если использовать узкополосные фильтры или фильтры, вырезающие характерный для освещения населенных пунктов спектр. Чаще всего для освещения улиц используют натриевые лампы, которые имеют максимум в желтой части спектра.
На рисунке ниже показан пропускаемый CLS фильтром (фильтр для уменьшения фоновой засветки) спектр и излучаемый спектр натриевых ламп.
Но фильтры не являются панацеей. Во-первых, они блокируют часть спектра от снимаемых объектов. Во-вторых, источниками засветки могут быть не только натриевые лампы. Например, всё большее распространение получают светодиодные источники света. У них совершенно другой спектр. Какие бы вы не использовали фильтры, искуственная засветка будет добавлять в кадр дробовой шум.
Подведем итоги. Дробовой шум мы получаем в кадре от следущих источников:
- Сами снимаемые объекты
- Фоновая засветка неба
- Электрические цепи матрицы
С первым и с третьим источниками ничего не поделать и можно уменьшить шум от них только стекированием. А вот второй зависит от места съемки. Не пренебрегайте этим.
И немного исторической справки. Давным давно по полям сражений бегала конница. И вот одна армия стоит без дела, в перерыве между сражениями. Когда в одном месте собраны тысячи людей и тысячи лошадей, то случается, что какая-нибудь лошадь кого-нибудь лягнет. Страшное дело! Пострадавших, естественно, везли к военному доктору. Был один доктор, который обратил внимание на тот факт, что каждый новый день ему доставляют разное количество пострадавших от лошадей. Когда больше, когда меньше. А армия стоит и ничего существенного не меняется. Подумав над этим, доктор дал название этому явлению - дробовой шум. Ведь, эти события квантуются - лошадь может или лягнуть или не лягнуть. А вот если бы она могла лягнуть и одновременно не лягнуть, то её можно было бы назвать лошадью Шредингера.
Темного вам неба!
