Нужны ли вам действительно пятиминутные экспозиции?

В данной статье мы рассмотрим, как современные камеры для астрофотографии и методы обработки изменили оптимальное время экспозиции, а также когда все же оправдана пятиминутная экспозиция.

Мой краткий ответ

Нет, для большинства широкополосных проектов с современными CMOS-камерами пятиминутные экспозиции не требуются. Используйте как можно более короткую экспозицию, чтобы фон не перекрывал шум камеры, но при этом не теряйте слишком много звезд. После этого сбор большего общего времени интеграции обычно более ценен, чем удлинение каждой отдельной экспозиции.

На протяжении многих лет пятиминутная экспозиция считалась стандартом для серьезной астрофотографии глубокого неба. Если ваша монтировка могла вести с хорошей точностью в течение 300 секунд и звезды оставались круглыми, вы все делали правильно.

Но действительно ли нам нужно выставлять каждую субэкспозицию так долго? В большинстве случаев, я думаю, что нет. Современные камеры для астрономии на основе CMOS обладают высокой чувствительностью, низким уровнем считывающего шума и обеспечивают отличные результаты с гораздо более короткими экспозициями.

Лучшие инструменты для компоновки и обработки также изменили то, что мы можем получить из большого количества относительно коротких субэкспозиций. Ранее я делал большинство своих широкополосных изображений с экспозициями по 180 секунд. Это работало хорошо, и до сих пор работает.

Однако в последнее время я получил отличные результаты, используя 60-секундные широкополосные экспозиции, особенно с камерой ZWO ASI585MC Air. Я не утверждаю, что идеальное время экспозиции для астрофотографии составляет одну минуту, но старая догма о том, что длиннее всегда лучше, больше не является актуальной.

Сравнение времени экспозиции на туманности Ирис (1 минута против 3 минут).

Обе картинки содержат по одному часу общего времени экспозиции. Это важная часть этого сравнения. Это не 60 минут против 180 минут; это 60 x 1 минута против 20 x 3 минуты. Количество считываний камеры изменилось, но общее время, затраченное на сбор фотонов, осталось прежним.

Готовые стеки выглядят удивительно похоже. Возможно, вам больше понравятся звезды или фон в одной версии при детальном рассмотрении, но нет резкого скачка в слабом тумане просто потому, что отдельные субэкспозиции были в три раза длиннее.

Это не доказывает, что 60 секунд идеально для каждой настройки. Это показывает, почему общее время интеграции и длина субэкспозиции следует рассматривать как два отдельных решения.

Для действительно контролируемого теста обе выборки должны использовать одно и то же оборудование, коэффициенты усиления, температуру, калибровку, параметры отбраковки и обработку.

Высота цели, прозрачность, яркость неба и атмосферные условия также могут изменяться в течение ночи. Сжатие на Facebook и два по-разному растянутых изображения не являются точными измерительными инструментами, поэтому я сравниваю откалиброванные стеки с сопоставленной обработкой и проверяю их статистику, прежде чем делать выводы.

Лучший вопрос не в том, "Как долго может следить моя монтировка?". Он заключается в следующем: "Как долго должна быть эта конкретная субэкспозиция?"

Я сделал это детализированное изображение туманности Лагуна, используя 60-секундные экспозиции с ZWO ASI585MC Air (без фильтра).

Реальная цель субэкспозиции

Одна субэкспозиция не должна выглядеть плавной, цветной или завершенной. Ее задача — собрать полезный сигнал, не теряя ценную информацию о ярких участках.

Каждая экспозиция содержит сигнал от вашей цели, световое загрязнение или естественное свечение неба, а также несколько источников шума. Один из них — это считывающий шум, который камера добавляет каждый раз, когда считывает сенсор.

Если ваши субэкспозиции слишком короткие, вы выполняете больше считываний за то же общее время интеграции, поэтому считывающий шум вносит больший вклад в окончательный стек.

По этой причине мы не можем бесконечно уменьшать длину субэкспозиции. Десять часов однойсекундных экспозиций обычно не эквивалентны десяти часам двухминутных экспозиций для тусклой туманности.

Кадры по одной секунде могут содержать так мало сигнала от цели и неба, что считывающий шум остается значительным, а калибровка, регистрация и компоновка 36,000 файлов будут непрактичными.

Мой линейный стек туманности Лисий Лик против версии с автоматическим растяжением (STF) в PixInsight.

Как только экспозиция становится достаточно длинной, чтобы шум от фона неба значительно превышал считывающий шум камеры, увеличение ее длины не дает значительных преимуществ.

Астрофотографы часто описывают это как ограничение по шуму от неба. В этот момент общее время интеграции становится гораздо более важным, чем то, были ли отдельные субэкспозиции 60, 120 или 300 секунд.

SharpCap Smart Histogram — один из способов оценить это, используя измеренное поведение камеры и фактический фон неба. Его цель не в том, чтобы сделать одну субэкспозицию впечатляющей.

Он оценивает комбинацию усиления и экспозиции, которая должна обеспечить эффективный финальный стек.

В упрощенном виде, отношение сигнал/шум скомпонованного изображения улучшается примерно с квадратным корнем от общего собранного времени экспозиции.

Четыре часа значительно лучше, чем один час, независимо от того, были ли эти четыре часа собраны из 60-секундных или пятиминутных субэкспозиций, при условии, что более короткие субэкспозиции были достаточно длинными, чтобы минимизировать штраф за считывающий шум.

При использовании быстрого (F/4) рефлектора, такого как CarbonStar 200, я обычно придерживаюсь 60-120-секундных экспозиций при захвате широкополосных изображений.

Уменьшают ли больше субэкспозиций шум автоматически?

Это одна из самых распространенных точек недопонимания. Стек из 60 кадров дает программному обеспечению больше образцов, чем стек из 20, но это не означает, что он получает бесплатное преимущество в сигнале/шуме, если оба стека содержат одинаковое общее время экспозиции.

60 одноминутных кадров включают 60 считываний камеры, тогда как 20 трехминутных кадров включают только 20. Считывающий шум не становится "в три раза хуже", потому что независимый шум комбинируется статистически, а не простым сложением. Тем не менее, стек с короткими субэкспозициями чаще несет затраты по считывающему шуму.

В то же время каждая трехминутная субэкспозиция содержит в три раза больше сигнала от цели, чем одноминутная. Когда кадры нормализуются и комбинируются, равное общее время интеграции дает аналогичное количество целевого сигнала.

Если одноминутные субэкспозиции уже достаточно длинные, чтобы шум от неба доминировал, разница в считывающем шуме может быть крайне незначительной в готовом изображении.

Недавно я запечатлел туманность 'Пещера Волка', используя трехминутные субэкспозиции (ZWO ASI2600MC Air).

Больше кадров могут помочь статистической отбраковке выявить следы спутников, удары космических лучей, горячие пиксели и другие выбросы. Они также предоставляют программному обеспечению больше кадров для оценки.

Это реальные практические преимущества, но они не равнозначны утверждению, что больше субэкспозиций автоматически "отменяют больше шума". Если общее время интеграции фиксировано, необходимо учитывать входящий сигнал, яркость неба, считывающий шум и отбраковку данных.

Двадцать кадров обычно достаточно для эффективного применения многих распространенных методов отбраковки, в то время как 60 дают алгоритму больше образцов. С небольшим количеством длинных экспозиций надежная отбраковка становится более сложной, и потеря одного кадра удаляет гораздо больший процент проекта.

Почему современные камеры CMOS изменили ситуацию

Длинные субэкспозиции были более важны с более старыми CCD-камерами и ранними цифровыми камерами, поскольку их считывающий шум был сравнительно высоким. Вам нужно было меньше считываний, поэтому каждый кадр должен был собирать больше света.

Современные заднеосвещенные CMOS-сенсоры отличаются. Многие из них сочетают высокую квантовую эффективность с низким уровнем считывающего шума, низким темным током и значительной емкостью полного заряда. ZWO ASI585MC Air является хорошим примером.

Его сенсор Sony IMX585 имеет 2.9-микронные пиксели, разрешение 3840 x 2160 и оценочную пиковую квантовую эффективность около 91%. Он также свободен от эффекта "амп-глоу". Эти характеристики делают его очень эффективным для извлечения полезной информации из большого стека коротких экспозиций.

ASI585MC Air использует сенсор Sony IMX585.

60-секундная субэкспозиция с этой камерой может выглядеть шумной, если ее сильно растянуть самостоятельно. Это не значит, что это плохая экспозиция. Как только десятки или сотни откалиброванных кадров зарегистрированы и интегрированы, стабильный целевой сигнал накапливается, в то время как случайный шум усредняется.

Короткие субэкспозиции также могут сохранять яркие участки. Яркие звезды и ядра галактик менее подвержены насыщению, что означает лучший цвет звезд и меньше крупных белых ядер звезд. Это особенно полезно при фотографировании таких областей, как туманность Ориона, Плеяды или эмиссионные туманности, окруженные яркими звездами.

Существует и практическое преимущество. Если ветер, ведение, свет соседа или проходящее облако испортят одну 60-секундную экспозицию, вы потеряете только одну минуту. Если же это испортит пятиминутную экспозицию, потери будут гораздо более ощутимыми.

Следы спутников не всегда требуют отбраковки кадра (хорошая отбраковка пикселей может часто удалить их, когда доступно достаточно субэкспозиций), но серьезные следы самолетов, облака, скачки ведения и широкие отражения могут сделать субэкспозицию непригодной. Короткие экспозиции уменьшают риск потери времени в каждом кадре.

Усиление, емкость полного заряда и динамический диапазон

Усиление и длина экспозиции связаны, но "используйте более длинные экспозиции при низком усилении" не является универсальным правилом. Увеличение усиления, как правило, снижает считывающий шум, но также уменьшает количество электронов, представленных до того, как записанное значение будет обрезано.

Низкое усиление может сохранить больше емкости для ярких участков на кадре, но это может привести к более высокому считывающему шуму. Многие современные камеры также имеют режим высокого преобразования, при котором считывающий шум резко падает при определенном уровне усиления.

Вот почему я использую специфическое для камеры усиление, а не меняю его просто для того, чтобы заставить предпочитаемую длину экспозиции. Лучший параметр зависит от кривых считывающего шума и полной емкости сенсора.

Галактика Андромеда, запечатленная с использованием 180-секундных экспозиций при Gain 200 (ASI2600MC Air).

Почему 60 секунд работает для моих широкополосных изображений

Широкополосная съемка без фильтра собирает много света не только от цели, но и от фона неба. Из моего пригорода этот фон быстро увеличивается.

Пятиминутная экспозиция без фильтра может вытолкнуть гистограмму дальше, чем это необходимо, и насытить удивительное количество звезд.

Вот почему мой переход от 180-секундных к 60-секундным экспозициям имеет смысл. С ASI585MC Air одна минута часто достаточно, чтобы записать здоровый фоновый сигнал, защищая более яркие части изображения.

Таким образом, я могу сосредоточиться на сборе большего общего времени, а не на удлинении каждой отдельной рамки.

Туманность Ориона, снятая только с 60-секундными экспозициями (я сделал об этом видео).

Точный порог будет варьироваться в зависимости от усиления камеры, фокусного отношения, размера пикселя, яркости неба, высоты цели и фильтров. Быстрый телескоп f/3.8 под небом Bortle 6 заполняет пиксели гораздо быстрее, чем телескоп f/7 на темном небе.

Более медленный телескоп не является автоматически худшим, но, как правило, требует больше времени для достижения аналогичных результатов.