Чи потрібні вам дійсно п’ятихвилинні експозиції?

У цій статті розглядається, чому сучасні камери для астрофотографії та обробка зображень змінили оптимальний час експозиції для астрофотографії, а також у яких випадках п’ятихвилинна експозиція все ще має сенс.

Моя швидка відповідь

Ні, для більшості проектів з широким спектром з сучасною CMOS-камерою п’ятихвилинні експозиції не є необхідними. Використовуйте найкоротшу експозицію, яка дозволяє фоні неба бути комфортно вище шуму зчитування камери, не перевищуючи кількість зірок. Після цього збирання більшого загального часу інтеграції зазвичай є набагато більш цінним, ніж подовження кожної окремої експозиції.

Протягом багатьох років п’ятихвилинна експозиція вважалася стандартною метою для серйозної астрофотографії глибокого неба. Якщо ваш монтування могло точно відстежувати 300 секунд, а ваші зірки залишалися круглими, ви все робили правильно.

Але чи потрібно нам все ще витрачати так багато часу на кожну підекспозицію? У більшості випадків, я вважаю, що ні. Сучасні CMOS-камери для астрономії мають високу чутливість, дуже низький шум зчитування та забезпечують відмінні результати з набагато коротшими експозиціями.

Кращі інструменти для складання та обробки також змінили те, що ми можемо відновити з великої кількості відносно коротких підекспозицій. Раніше я зазвичай знімав більшість своїх широкосмугових зображень з експозиціями по 180 секунд. Це працювало добре, і досі працює.

Останнім часом я отримав відмінні результати, використовуючи 60-секундні експозиції, особливо з камерою ZWO ASI585MC Air. Я не стверджую, що оптимальний час експозиції для астрофотографії становить одну хвилину, але стара думка про те, що довше завжди краще, більше не є актуальною.

Порівняння часу експозиції на туманності Ірис (1 хвилина проти 3 хвилин).

Обидва зображення містять одну годину загального часу експозиції. Це важлива частина цього порівняння. Це не 60 хвилин проти 180 хвилин; це 60 x 1 хвилина проти 20 x 3 хвилин. Кількість зчитувань камери змінилася, але загальний час, витрачений на збір фотонів, залишився таким же.

Готові стеки виглядають дивовижно схожими. Ви можете віддати перевагу зіркам або фону в одній версії, коли уважно їх розглядаєте, але немає драматичного стрибка в слабкій пилу просто тому, що окремі підекспозиції були в три рази довшими.

Це не доводить, що 60 секунд є ідеальним для кожної установки. Це показує, чому загальний час інтеграції та довжина підекспозиції повинні розглядатися як два окремі рішення.

Для дійсно контрольованого тесту обидва набори даних повинні використовувати однакове обладнання, підсилення, температуру, калібрування, налаштування відмови та обробку.

Висота цілі, прозорість, яскравість неба та видимість також можуть змінюватися протягом ночі. Стиснення на Facebook та два різні розтягнуті зображення не є точними вимірювальними інструментами, тому я порівнюю калібровані стеки з відповідною обробкою та перевіряю їх статистику перед тим, як зробити висновок.

Краще запитання не "Як довго може моє монтування відстежувати?". Це "Як довго має бути ця конкретна підекспозиція?".

Я зняв це детальне зображення туманності Лагуна, використовуючи 60-секундні експозиції з ZWO ASI585MC Air (без фільтра).

Реальна мета підекспозиції

Одна підекспозиція не повинна виглядати гладкою, кольоровою або завершеною. Її завдання — зібрати корисний сигнал, не втрачаючи цінну інформацію про яскраві ділянки.

Кожна експозиція містить сигнал від вашої цілі, світлове забруднення або природне світло неба, а також кілька джерел шуму. Одним з них є шум зчитування, який камера додає щоразу, коли зчитує сенсор.

Якщо ваші підекспозиції надзвичайно короткі, ви виконуєте більше зчитувань за той же загальний час інтеграції, тому шум зчитування більше впливає на фінальний стек.

Саме тому ми не можемо зменшити довжину підекспозиції безмежно. Десять годин односекундних експозицій зазвичай не еквівалентні десяти годинам двохвилинних експозицій для слабкої туманності.

Односекундні кадри можуть містити так мало сигналу від цілі та неба, що шум зчитування залишається значним, а калібрування, реєстрація та складання 36,000 файлів було б непрактично.

Мій лінійний стек туманності Лисиця проти автопотягнутої (STF) версії в PixInsight.

Коли експозиція достатньо довга, щоб шум фотонів з фону неба став значно більшим за шум зчитування камери, однак, значне подовження її не дає суттєвих переваг.

Астрофотографи часто описують це як обмеження шуму неба. У цей момент загальний час інтеграції має набагато більше значення, ніж те, чи були окремі підекспозиції 60, 120 чи 300 секунд.

Smart Histogram від SharpCap є одним зі способів оцінити це, використовуючи виміряне поведінку камери та фактичний фон неба. Його мета не в тому, щоб зробити одну підекспозицію вражаючою.

Вона оцінює комбінацію підсилення та експозиції, яка повинна забезпечити ефективний фінальний стек.

В спрощеному вигляді, співвідношення сигналу до шуму у складі зображення покращується приблизно з коренем квадратним загального зібраного часу експозиції.

Чотири години є значно кращими за одну годину, незалежно від того, чи ці чотири години були зібрані з 60-секундних чи п’ятихвилинних підекспозицій, за умови, що коротші підекспозиції були достатньо довгими, щоб зберегти невелику пеню за шум зчитування.

ASI585MC Air використовує сенсор Sony IMX585.

Чи зменшують більше підекспозицій автоматично більше шуму?

Це одна з найпоширеніших точок плутанини. Стек з 60 кадрів надає програмному забезпеченню більше зразків, ніж стек з 20, але це не означає, що він отримує безкоштовну перевагу в співвідношенні сигналу до шуму, коли обидва стеки містять однаковий загальний час експозиції.

60 однієїхвилинних кадрів включають 60 зчитувань камери, тоді як 20 трьоххвилинних кадрів включають лише 20. Шум зчитування не просто стає "в три рази гіршим", оскільки незалежний шум комбінується статистично, а не простим додаванням. Тим не менш, стек з коротшими підекспозиціями частіше сплачує ціну за шум зчитування.

Водночас кожен трьохвилинний кадр містить в три рази більше експозиції цілі, ніж одні хвилинний кадр. Коли кадри нормалізуються та комбінуються, рівне загальне інтегрування забезпечує подібну кількість сигналу цілі.

Якщо підекспозиції однієї хвилини вже достатньо довгі, щоб шум з неба домінував, різниця в шумі зчитування може бути надзвичайно малою в готовому зображенні.

Нещодавно я зняв туманність «Печера Вовка», використовуючи трьохвилинні підекспозиції (ZWO ASI2600MC Air).

Більше кадрів може допомогти статистичному відбору виявити сліди супутників, удари космічних променів, гарячі пікселі та інші аномалії. Вони також надають програмному забезпеченню більше кадрів для оцінки.

Ці реальні практичні переваги, але вони не є тим самим, що й стверджувати, що більше підекспозицій автоматично "скасовують більше шуму". Якщо загальний час інтеграції фіксований, вхідний сигнал, яскравість неба, шум зчитування та відкинуті дані всі повинні враховуватися.

Двадцять кадрів зазвичай достатньо для ефективного використання багатьох поширених методів відбору, тоді як 60 дає алгоритму більший зразок. З лише кількома довгими експозиціями надійний відбір стає складнішим, і втрата одного кадру видаляє набагато більший відсоток проекту.

Чому сучасні CMOS-камери змінили цю рівновагу

Довгі підекспозиції були важливішими з більш старими CCD-камерами та ранніми цифровими камерами, оскільки їхній шум зчитування був порівняно високим. Вам потрібно було менше зчитувань, тому кожен кадр повинен був збирати більше світла.

Сучасні задньоосвітлені CMOS-сенсори відрізняються. Багато з них поєднують високу квантову ефективність з низьким шумом зчитування, низьким темним струмом та щедрою ємністю. ZWO ASI585MC Air є хорошим прикладом.

Його сенсор Sony IMX585 має пікселі розміром 2.9 мікрона, роздільну здатність 3840 x 2160 та оцінену пікову квантову ефективність близько 91%. Він також не має світлового сплеску. Ці характеристики роблять його дуже ефективним для вилучення корисної інформації з великого стека коротких експозицій.

ASI585MC Air використовує сенсор Sony IMX585.

60-секундна підекспозиція з цієї камери може виглядати шумною, коли її агресивно розтягувати самостійно. Це не означає, що це погана експозиція. Коли десятки або сотні каліброваних кадрів зареєстровані та інтегровані, постійний сигнал цілі зростає, а випадковий шум зменшується.

Коротші підекспозиції також можуть зберігати яскраві ділянки. Яскраві зірки та ядра галактик менш імовірно насичуються, що означає кращий колір зірок та менше великих, білих зіркових ядер. Це особливо корисно при фотографуванні таких областей, як туманність Оріона, Плеяди або емісійні туманності, оточені яскравими зірками.

Існує також практична перевага. Якщо вітер, відстеження, світло сусіда або проходяча хмара зіпсує одну 60-секунду експозицію, ви втратили одну хвилину. Якщо це зіпсує п’ятихвилинну експозицію, втрати будуть набагато більшими.

Слід зазначити, що слід супутника не завжди вимагає скасування кадру (доброго відбору пікселів часто може видалити його, коли є достатня кількість підекспозицій), але серйозні сліди літаків, хмари, стрибки відстеження та широкі відображення можуть все ще зробити підекспозицію непридатною. Коротші експозиції зменшують ризик втрати часу в кожному кадрі.

Підсилення, ємність та динамічний діапазон

Підсилення та довжина експозиції пов’язані, але "використовуйте довші експозиції при нижчому підсиленні" не є універсальним правилом. Збільшення підсилення зазвичай зменшує шум зчитування, одночасно зменшуючи кількість електронів, які представляються, перш ніж записане значення буде обрізано.

Низьке підсилення може зберегти більше ємності для яскравих ділянок, але може супроводжуватися вищим шумом зчитування. Багато сучасних камер також мають режим високого перетворювального підсилення, де шум зчитування різко знижується при певному налаштуванні підсилення.

Саме тому я використовую специфічне для камери підсилення, а не змінюю підсилення просто для того, щоб примусити бажану довжину експозиції. Найкраще налаштування залежить від кривих шуму зчитування та ємності.

Галактика Андромеда, знята з використанням 180-секундних експозицій при Gain 200 (ASI2600MC Air).

Чому 60 секунд працює для моїх широкосмугових зображень

Широкосмугове зображення без фільтра збирає багато світла, не тільки від цілі, але й від фону неба. З мого передмістя цей фон швидко зростає.

П’ятихвилинна експозиція без фільтра може перевищити гістограму більше, ніж потрібно, і наситити значну кількість зірок.

Саме тому мій перехід з 180-секундних до 60-секундних експозицій має сенс. З ASI585MC Air одна хвилина часто достатня, щоб зафіксувати здоровий фоновий сигнал, захищаючи яскраві частини зображення.

Я можу зосередитися на зборі більшого загального часу, а не на подовженні кожної окремої рамки.

Туманність Оріона, знята лише з 60-секундними експозиціями (я зробив про це відео).

Точний поріг змінюватиметься в залежності від підсилення камери, фокусного відношення, розміру пікселя, яскравості неба, висоти цілі та фільтрів. Швидкий телескоп f/3.8 під ясним небом заповнює пікселі набагато швидше, ніж телескоп f/7 на темному небі.

Повільний телескоп не є автоматично гіршим, але зазвичай потребує більше часу для збору світла.