Правильно выбранная выдержка непосредственно связана с качеством конечной фотографии. Многие астрофотографы не придают этому вопросу должного внимания. А иногда и вовсе выбирают совершенно неверную стратегию при выборе выдержки. Это приводит к посредственным результатам. Давайте разбираться с вопросом.
Итак, мы направили камеру на объект и сделали снимок. Что именно в результате попало в кадр? На рисунке ниже показаны основные компоненты, из которых складывается итоговый сигнал. Горячие/холодные пиксели и неравномерность свойств пикселей рассматривать не будем, т.к. влияние этих источников можно нивелировать калибровкой кадров при обработке (обработка исходников).
Разберемся подробнее во всем этом. Начнем с обозначений.
В сигнале от объекта S всегда будет дробовой шум N. Это вызвано квантовой природой света и это никак не обойти. Для оценки качества снимка будем использовать отношение уровня полезного сигнала к уровню шума (SNR). Величина дробового шума равна корню квадратному из уровня сигнала от объекта:
Чем ярче наш объект, тем больше SNR. Значит, в кадре хуже всего будут фиксироваться объекты с низкой яркостью.
Пусть все наши параметры определены за единицу времени. Посчитаем SNR для любой экспозиции:
Здесь мы видим, что SNR также зависит от выдержки - чем больше выдержка, тем лучше SNR.
Мы можем сделать несколько кадров и стекировать их для уменьшения уровня шума. В этом случае SNR пропорционален корню из количества кадров. Посмотрим чему будет равер SNR:
Получается, что SNR зависит только от общего времени экспозиции. Будем мы делать один кадр по 100 секунд или 100 кадров по 1 секунде и потом их сложим - результат тот же.
Всё это работает тогда, когда у нас идеальные условия и идеальная камера. Но у нас всё немного сложнее. Необходимо учесть засветку неба и шумы, вносимые камерой. Сложение постоянных сигналов - это их сумма. Если мы складываем шумы, то необходимо использовать такое выражение:
Добавим обозначений:
Так будет выглядеть формула для суммирования всех источников шума:
Запишем сумму шумов для n кадров с выдержкой t:
Обратите внимание на то, что шум канала чтения не зависит от времени выдержки. Он зависит только от количества кадров. Поэтому, в выражении с ним нет параметра времени. Теперь мы можем записать конечную формулу для рассчета SNR с учетов всех источников сигнала и шума:
Чтобы наглядно оценить влияние всех параметров на конечный итог, изобразим это в виде графиков и поиграем параметрами. Нам не особо важно подставлять какие-то точные значения. Нужно лишь понять влияние параметров на конечный SNR. Итак, я взял все параметры равными единице. Общее время экспозиции 100. Посмотрим как меняется SNR, если мы будем менять количество кадров, оставляя постоянным общее время экспозиции. Так мы сможем ответить на вопрос что лучше - много кадров с короткой выдержкой или мало кадров с длинной выдержкой.
По оси X количество кадров. По оси Y величина SNR. Синяя линия для Nr=0, красная для Nr=1, желтая для Nr=3, зеленая для Nr=4. Из графика видно, что при наличии шума ститывания SNR выше тогда, когда мы делаем меньше кадров, но увеличиваем выдержку. Это логично, т.к. с каждым дополнительным кадром мы вносим шум каналов чтения. А если Nr сделать равным нулю, то SNR зависит только от общей длительности экспозиции. Но таких камер не бывает ) Отсюда простой вывод:
Старайтесь использовать максимально длинные выдержки!
Давайте увеличим яркость объекта в 10 раз:
Видим, что SNR сильно больше, а влияние шумов не такое сильное. Т.е. для ярких объектов выбор выдержки не так существеннен, как для слабых.
Снова сделаем яркость объекта 1, но увеличим в 10 раз шум считывания. Получим очень сильную зависимость SNR от длительности выдержки.
Используйте камеры с низким шумом считывания!
Вернем на место шум считывания и увеличим в 10 раз тепловой шум. SNR хуже некуда. Конечно, такой уровень теплового шума в современных камерах не встретить. Но нам важно понимание зависимости.
Используйте камеры с низким тепловым шумом, охлаждайте матрицы!
Вернем на место тепловой шум и увеличим в 10 раз фоновую засветку. SNR заметно снизился.
Фотографируйте с низким уровнем засветки!
Мы выяснили, что необходимо использовать как можно более длинные выдержки. Если хотите почитать на эту тему что-нибудь более серьезное, то читайте.
Может быть, сделать всего один кадр с огромной выдержкой? Плохой вариант. Есть много ограничений увеличения этого параметра. Съемка длится часами. Монтировка может не давать нужного качества ведения в течении всего времени. Может прибежать одинокая тучка. Или случайная машина засветит кадр фарами. Или вы сами засветите фонариком. Спутники всякие треков нарисуют. Неожиданный порыв ветра качнет телескоп. И многое другое. Лучше разбивать на множество кадров. Потерять один кадр в 10 минут не так обидно, как потерять кадр в час. Но есть и другое ограничение.
Каждый пиксель матрицы содержит потенциальную ямку, где скапливаются при экспозиции электроны. У каждой матрицы свой размер такой ямки. Если выдержка большая, а объект яркий, то ямка может переполниться. Это похоже на стакан под дождем. Сначала он будет заполняться каплями воды, показывая интенсивность дождя. Но если он переполнится, то вода будет из него проливаться - больше воды он не соберет. Так и с пикселями.
Например, в кадре попалась яркая звезда. Пиксели на центральной части звезды переполнятся и мы получим равномерное белое пятно вместо звезды. Если у звезды был цветовой оттенок, то мы потеряем информацию и о нем, т.к. во всех цветовых каналах пиксели будут переполнены и в итоге дадут белый цвет.
В общем, переполнение пикселей зависит от множества факторов - светосила инструмента, выдержка, чувствительность матрицы, глубина этих ямок для электронов, яркость объектов в кадре и прочее. Поэтому, вы должны сделать пробный снимок и оценить что там в кадре "перегорело". Можно ориентироваться на гистограмму. Те, кто использует для управления сетапами компьютеры, могум оценить пересвет разными программными способами. Тут много вариантов.
Выбирайте максимально возможную выдержку, при которой нет "подгорания" объектов в кадре!
Выше приведен пример кадра с водородными облаками в поясе Ориона. Это результат сложения десятков снимков с выдержкой 60 секунд. На первый взгляд, кажется, что с кадром всё хорошо. Но в центральной части M42 есть область, яркость которой максимальная. Значит, выдержку лучше уменьшать. Например, до 30 секунд.
Еще один кадр с водородными облаками. Оборудование то же. Но выдержка 180 секунд. Из-за того, что в кадре объекты менее яркие, при выдержке 180 секунд нет "подгораний".
На этих двух примерах понятно, что нет универсального алгоритма выбора выдержки. Астрофотограф должен принимать решение в соответствии с имеющимся оборудованием и снимаемыми объектами. Сделайте при разных выдержках (и при разных фильтрах, если используете фильтры) пробные кадры тех объектов, которые планируете снимать в будущем. Проанализируйте полученные кадры и подберите необходимую выдержку. Это позволит качественно спланировать будущую съемку и избежать проблем с SNR и "подгоранием".
Вывод: выбирайте максимально большую выдержку, при которой нет "подгораний".
Темного вам неба!
