что нужно для астрофото
Астрофотография: как красиво снять звездное небо?
Астрофотографию, пожалуй, можно назвать одним из самых технически продуманных и сложных жанров в фотоделе. Новичкам начинать карьеру с таких работ будет непросто, но все базовые правила этого жанра доступны и понятны каждому. Порой даже не обязательно обладать крутой профессиональной зеркальной камерой — достаточно лишь, чтобы в технике присутствовала возможность поставить длительную выдержку минимум от тридцати секунд. В статье мы расскажем о том, с чего начинается фотография небесных объектов.
Что может стать космическим объектом, который получится захватить в кадр? К счастью, не только крупная Луна: здесь и бесконечное количество звезд, Млечный Путь, планеты, астероиды, газовые облака, кометы и многое-многое другое. Как мы уже сказали, камера может быть практически любой, и даже смартфон станет замечательным инструментом создания ночных фотографий, а что уж говорить о телескопах, которые используются профессиональными астрофотографами.
Технические нюансы создания астрофотографии
То, без чего ни одна съемка уж точно невозможна — фотоаппарат. Как уже было сказано ранее, принято, что лучшим инструментом астросъемки станет многопиксельная профессиональная камера, но не все астрофотографы готовы так просто согласиться с этим утверждением. Если первым важным критерием является длительная выдержка, то вторым (но не меньшим по важности) смело можно считать отсутствие шумов на готовых фотографиях неба. Причем здесь пиксели — объяснит простое правило: маленькие пиксели быстрее нагреваются при экспозиции, что ведет к образованию тепловых шумов. Это означает, что выбирая камеру, присмотритесь не просто к тем, что с большой матрицей, но еще и с малым количеством мегапикселей — вот такой парадокс. Стоит помнить и о том, что без ручного режима хорошего результата добиться будет невозможно: вы должны самостоятельно выстраивать каждый из параметров, среди которых чувствительность, экспозиция, диафрагма и качество компрессии.
Все небесные объекты, которые мы хотим запечатлеть (не считая, разве что, таких больших, как Луна), очень тусклые и на обычной фотографии видны не будут. В астросъемке вам необходимо открыть затвор на максимум и продержать его так как можно дольше — в это время свет “копится” в камере. Эта необходимость выводит нам еще одно простое, но важное правило: выставляйте большое значение выдержки, но не переусердствуйте, иначе шум испортит ваши фотографии. Диафрагму, наоборот, следует зажать до максимума — так поступит максимальное количество фотонов света.
Что касается настроек камеры, обратите внимание на формат съемки: идеально, если фотографировать можно в RAW, ведь чем меньше сжатие снимка, тем больше будет исходной информации в нем. Больше информации — значит больше деталей в кадре, а “вытянуть” их удастся с помощью специальных программ. Говоря о чувствительности или ISO, стоит отметить важность высокого (но не самого большого) значения — шумов должно быть не очень много.
Как сделать красивую фотографию звездного неба?
Не важно, снимаете вы для исследовательских целей или для художественных — вариантов, как создать четкую, красивую и детализированную астрофотографию у вас всего два: с помощью неподвижной камеры и с ее ведением. Рассмотрим каждый их них подробнее.
Астросъемка с неподвижной камерой предполагает, что вы направите объектив в небо, а сама аппаратура будет крепко закреплена на поверхности — лучше, если это будет надежный штатив, но подойдет даже ровная горизонтальная поверхность, на которой легко зафиксироваться. Ваша задача — выставить фокус в бесконечность, открыть затвор и ждать, когда получится снимок. Это, скорее, пейзажный вариант: все небесные объекты, особенно звезды, будут образовывать на снимке разноцветные дуги, что происходит вследствие вращения Земли. Такие кадры неба красиво и выигрышно сочетать с привычными земными объектами: природой или городским пейзажем.
Астросъемка с ведением камеры считается более сложной, и редко когда с нее сразу же начинают новички в этом жанре, ведь для ее осуществления требуется дополнительное оборудование — астрономическая экваториальная монтировка, с которой еще нужно уметь обращаться. К слову, стоит она не так уж и много, поэтому если вы намерены всерьез заняться фотографией небесных объектов, то советует вам поработать с такой аппаратурой. Устройство напоминает штатив: на него также крепится камера, но только с ним вы сможете “вести” ее в нужную сторону (в нашем случае в ту, в которую движутся небесные тела на небе). Ведение камеры позволит снимать так, что свет объектов будет падать на один и тот же участок матрицы, а значит фотография получится без разноцветных полосок, о которых мы говорили ранее — их еще называют звездными “дугами”.
Оптика для астрофотографии
Зеркальная камера в нашем случае станет, наверное, самым идеальным вариантом, тем более, что к ней можно подобрать объективы самых разных типов, которые помогут сделать работу более профессиональной и интересной. Небольшое фокусное расстояние подойдет для съемки таких астрономических объектов, как Млечный Путь, туманности, галактики, яркие скопления звезд. В случаях, когда фотографию необходимо сделать максимально детальной, фокусное расстояние должно быть большим: иногда фотографы даже используют телескоп вместо объектива, совмещая его с экваториальной монтировкой.
В любом случае съемка с любым из возможных фокусных расстояний принесет массу красивых кадров — все зависит от того, какие художественные и исследовательские цели и задачи вы перед собой поставили. Речь может идти даже о компактных камерах, но их будет сложнее подключить к телескопу, а качество изображения заметно снизится. Есть случаи, когда фотографы радовали нас прекрасными кадрами Луны, сделанными на обыкновенные видеокамеры и веб-камеры — в такой работе используется сложение нескольких кадров в один, самый удачный.
Правила обработки астрофотографий
Астрофотографию сложно себе представить без качественной постобработки — ведь, как мы говорили ранее, небесные тела сами по себе получаются достаточно тусклыми, а значит фотографию необходимо скорректировать для того, чтобы показать всю красоту космоса.
Говоря о постобработке, не стоит подразумевать искусственную дорисовку некоторых деталей. Важнейшее, что необходимо сделать с фотографией — добиться максимальной видимости всех деталей неба. Фотографы, которым приходится “доставать” из кадра максимум информации, снимают целыми сериями, используя для этого статично расположенную камеру и короткие выдержки (так получается избежать смазывания), а также используя длинную выдержку и технику ведения. Вся серия фотографий собирается на компьютере и соединяется в один кадр с помощью специализированных программных обеспечений. В таком варианте, в отличие от дорисовки, нет никакого обмана: все, что было на небе, будет и на фотографии.
Гораздо сложнее бороться астрофотографам с шумами и городским освещением, которые проявляются при ночной съемке — такие дефекты кадра устраняются лишь в постобработке. Чем больше у вас исходников, тем больше деталей мы получим в результате, и об этом уже было сказано. Когда мы складываем кадры, происходит так называемое “усреднение”, и все помехи, вызванные шумами матрицы, уменьшаются пропорционально количеству исходных кадров. Этот способ напоминает сложение кадров для художественных HDR-фотографий, и есть множество программ, позволяющих работать над такими эффектами: IRIS, MaksimDL, DeepSkyStacker и прочие. Последняя из них — бесплатная, и, конечно же, пользуется особенной популярностью: вы просто загружаете фотографии, нажимаете кнопку и программа сделает все сама, а именно проведет анализ расположения звезд на исходниках, повернет и подберет масштаб кадров, соединит их. Шумов станет меньше, и теперь останется лишь использовать графический редактор (отлично подойдет Adobe Photoshop), чтобы дополнить фото обработкой при помощи кривых, цветокоррекции и других интересных инструментов. Такая постобработка помогает снизить засветы от городского освещения: фонарей, вывесок, автомобилей, окон зданий.
Распространенные ошибки в съемке звездного неба
Многим новичкам после первой фотосессии звездного неба становится неясно, почему кадры не получились, и где допущена ошибка. Список самых распространенных причин неудачного результата выглядит следующим образом:
Астрофотография для начинающих
Астрофотография — это особое направление любительской астрономии. В отличие от наблюдательной астрономии, астрофотография предъявляет дополнительные требования. Это касается не только оборудования, но и специальных знаний.
Основные отличия визуала от астрофото
Визуальщики ориентируются на большие аппертуры (размеры объективов). Поэтому среди таких любителей, нередко встречаются телескопы с диаметром зеркала 300-400 мм. При этом монтировка, способная нести такой груз, используется азимутальная — как правило это монтировка Добсона. Её особенностью является простота и дешевизна изготовления. Даже промышленные варианты оказываются не очень дорогими и поэтому вполне доступны.
Для астрофото размер объектива не так важен, поскольку вместо глаза используется более чувствительные фотодатчики. Но при этом требуется использовать только экваториальную монтировку. Такие монтировки стоят дороже в первую очередь из-за того, что к ним предъявляется сразу несколько дополнительных требований: они должны быть достаточно грузоподъёмны и быть моторизироваными.
То есть астрофото требует качественного автоматического ведения за объектом. Если в визуале это не проблема, то в астрофото объект должен быть неподвижным в течение как минимум всего времени экспозиции (как правило от 30 секунд до нескольких минут). Точность ведения здесь должна быть очень высокой — несколько угловых минут, а то и меньше. Если же эти требования не выполняются, то на фотографии появятся треки звёзд.
Таким образом астрофото требует довольно высокой точности навигации, что достигается разными способами.
Стоимость оборудования для астрофото
Здесь всё зависит от того, что ты хочешь получить в итоге. Как правило, чем дороже оборудование, тем оно лучше. Вместе с тем, стоит особо отметить, что астрофото вполне возможно и простейшим оборудованием. Правда в в этом случае придется приложить больше своего труда, чтобы получить приемлемый результат.
Какое оборудование нужно для астрофото
В первую очередь телескоп и монтировка. Перед тем, как определиться с телескопом, следует понять сколько денег ты готов потратить на монтировку. Покажу несколько вариантов.
Цены очень примерные, поскольку сильно разнятся от производителя, продавца и модели.
Основная идея в том, что дорогая монтировка не только сможет нести более мощный телескоп, но и будет обладать большей устойчивостью и надежностью.
Если использовать недорогую EQ-3-2 или простые модели EQ-5, то в изначальном варианте они не моторизированы. Комплекты моторов (или GOTO-комплект с пультом) можно докупить позже.
Астрофото возможно с гидированием или без него. Гидирование — это дополнительный (меньший) телекоп (гид) — простой рефрактор, который установлен параллельно основному телескопу и, который отслеживает смещение звезд. Такое гидирование потребует уже полноценного GOTO-управления, которое соединяется с компьютером.
Астрофото без гидирования вполне возможно, поскольку «суточный» моторчик ведёт телескоп достаточно точно. Но здесь сильно возрастают требования к точности выставления полярной оси телескопа. Даже небольшое расхождение приводит к трекам звезд. Из-за этих особенностей выдержки без гидирования редко превышают 1-2 минуты, а чаще и вовсе ограничиваются 15-30 секунд.
Для EQ-3-2 максимальная выдержка без гидирования — 15 секунд. При большей выдержке значительно возрастает процент бракованных снимков (до 90%).
Последним основным прибором для астрофото будет фотоприёмник. Это может быть как обычный зеркальный фотоаппарат, так и специализированая астрокамера. Астрокамеры довольно дороги: приемлемые варианты начинаются от 500-1000$. Для гида можно использовать варианты от 200$ или даже обычные вебкамеры. Но как правило, любители астрономии используют обычные зеркалки. Так что если у тебя уже есть зеркалка, то ты сможешь использовать и её. С точки же зрения модели и фирмы, то чем новее модель, тем лучше. Производители камер довольно сильно продвинулись вперед в плане качества изображения и уменьшения шумов.
Фотокамера присоединяется к телескопу с помощью спецального переходника, который называется T-кольцо: с одной стороны у него стандартный байонет, а с другой резьба M42, которая является стандартом для телескопов.
Методика получения астрофотографий
Поскольку небесные объекты очень слабы, в астрофото применяют длительные выдержки. Но, даже их не всегда хватает, чтобы получить нужный результат. Поэтому используется т.н. сложение: делается множество снимков одного объекта, а после, с помощью специализированных программ, они складываются в один снимок. Таким образом получается некая «сумма», которая превосходит одиночный кадр.
Количество кадров может быть любым, но чем больше складывается кадров, тем лучше (несколько десятков, а лучше сотен). Это позволяет выделить слабые объекты (цветом и яркостью) и уменьшить шум фона.
Помимо этого в астрофото используются т.н. калибровочные файлы, которые используются для того, чтобы уменьшить влияние «паразитных эффектов» на матрице фотоаппарата.
После того, как выполнено сложение, делают базовые корректировки: выставляется баланс белого, убирается градация фона, задается гамма и т.д. Уже после этих манипуляций выполняется окончательная доводка изображения в фотошопе или другом фоторедакторе.
Основные заблуждения об астрофотографии
Миф 1. Для астрофото требуется только дорогое оборудование
Астрофото возможно на любом оборудовании, даже самом простом. Органичения, возникающие, скажем из-за слабой фотокамеры: можно сделать больше снимков. Если есть проблемы с гидированием, то можно уменьшить выдержку. Если нет гидирования, то нужно точнее выставлять полярку. Всё проблемы могут быть решены. Естественно, чем дороже и качественней оборудование, тем лучше результат, однако очень важную роль играет и умение обработать результат.
Миф 2. Для астрофото подходит только Canon
Это не так. Подходит практически любая современная зеркалка. Миф сложился благодаря тому, что цены на старые (и никому не нужные) модели Canon низки и их, собственно, и покупают. Если же сравнивать Canon с другими производителями, например с Nikon, то последний выигрывает как по чувствительности и качеству изображения, так и по более низкому уровню шумов. Поскольку камеры Canon недорогие, то их покупают для того, чтобы «выломать» с матрицы инфракрасный фильтр. Это увеличивает чувствительность матрицы в инфракрасном диапазоне, что хорошо подходит для астрофото, но делает её непригодной для обычной съёмки. Если же камера планируется и для повседневной съёмки, то покупать Canon (особенно старых моделей) нет никакого смысла.
Миф 3. Астрофото возможно только с длинными выдержками
Пока матрицы были низкой чувствительности, так и было. Но современные матрицы значительно превосходят старые модели по всем параметрам. Всё это приводит к тому, что длинные выдержки уже не такая жизненная необходимость для любительского астрофото. В Сети немало примеров, когда астрономы получают фото с предельно короткими выдержками около 1 секунды и после сложения сотен таких кадров, получаются неплохие результаты. Общая тенденция такова, что чувствительность и разрешение матриц будет расти, а значит возможности любительской астрофотографии будут только расширяться.
Подходим к любительскому астрофото с научной стороны. Часть вторая, статистическая
Предисловие
Т.к. помидорами меня за первую часть не закидали — то я продолжу. Там я коснулся аппаратной стороны дела, а именно — определения того, что за рабочая лошадка камера нам досталась:сколько фотоэлектронов она способна удержать, какое усиление сигнала происходит в ряду её характерных ISO, и что шум, зовущийся фотонным, может быть очень даже полезным, даже если он и шум.
Теория
Прежде чем бросаться сразу в астрофотографию, предлагаю сначала провести мысленный эксперимент. Предположим у нас есть объект с абсолютно однородной поверхностью, например серая карта, которой любят пользоваться фотографы профессионалы для установки баланса белого. Если мы снимаем её с достаточно большого расстояния, то все мельчайшие неоднородности на ней сольются и мы должны получить однородно серый фон: то есть все пиксели должны были бы иметь строго одну и ту же яркость, например 128 единиц. На реальном же снимке, если мы поводим по нему той же пипеткой в фотошопе, то мы увидим, что яркость в среднем одинакова, но и отклонения от неё также присутствуют. Эти-то отклонения от среднего значения мы и будем называть шумом.
Как уже было сказано ранее, фотоны от объекта прилетают случайным образом, как капли дождя. Мы можем сказать сколько их в среднем падает на некоторую площадку, но в какие конкретно моменты времени они на неё приземляются — сказать не можем. Если за единичный интервал времени их прилетает N, то за следующий момент времени или на другую аналогичную площадку их прилетит столько же с отклонением ± корень из N.
Казалось бы: чем больше N, тем больше и разброс вокруг среднего, и тем больше шум. С одной стороны — это так. А с другой — абсолютная ошибка редко бывает информативной. Предположим, что ошибка в расстоянии равна тысяче километров. Но если это расстояние до галактики Андромеды, то величина будет очень точной. Поэтому гораздо удобнее выражать её в соотношении с измеряемой величиной, а тут уже с ростом сигнала ошибка уменьшается, как раз-таки в корень из N раз. Назовём это частное — соотношением сигнал-шум:
Итак, мы получили, что для идеального фотоаппарата чем больше света мы накопили до возникновения эффектов пересвета, тем меньше шума на изображении мы получим. Это будет наша фотонная составляющая. А какие ещё у нас есть? Ну, как мы уже выяснили, сам АЦП вносит шумы в изображение просто в процессе оцифровки. А если у нас ещё и лето на дворе и матрица тёплая а они ощутимо греются в процессе работы, то внутри фотодиода, который копит свет возможны процессы спонтанного возникновения электронно-дырочных пар, даже когда света никакого на матрицу и не приходит. Это — так называемый темновой ток. Астрофотографы хорошо с ним знакомы и клянут его на чём свет стоит, потому что утром, когда процесс съёмки основного объекта уже закончен, они мы вынуждены снимать калибровочные кадры с такой же длительностью, что и основная экспозиция лайты, именно для того, чтобы оценить величину этого паразитного сигнала, который ещё и в каждом пикселе разный.
Поскольку все эти ошибки измерения: фотонный шум, темновой ток, шум считывания — работают абсолютно независимо друг от друга, все их вклады в погрешности суммируются по теореме Пифагора, как корень из суммы квадратов. В итоге мы получаем формулу для snr в виде:
где nl — частота появления фотоэлектронов от наблюдаемого объекта, nd — частота возникновения фотоэлектронов в результате тепловых процессов без засветки матрицы, RN — шум считывания в электронах, а t — время экспозиции. Для случая съёмки слабых объектов на засвеченном небе сюда же в знаменатель под корень надо добавить и фотонный шум от неба: nst. Именно поэтому в городе ничего путного не снять: фотонный шум от неба забивает нашу яму фотоэлектронами, но это не те дроиды, что вы ищете фотоны, которые нам нужны.
Оценка вкладов каждого из шумов
После того как мы определились, что именно мы называем шумом, надо оценить вклад каждого из них в итоговый результат.
Начну я с темнового тока, потому что от его дальнейшего рассмотрения я, по-крайней мере пока, хочу отказаться, т.к. задача и так обрастает множественными факторами и мы рискуем просто утонуть в деталях. Во-первых, тепловой шум потому и называется тепловым, потому что его величина зависит от температуры. Происходит это потому что концентрация носителей заряда с ростом температуры в полупроводниках увеличивается. А зная характер этой зависимости можно даже из данных по темновым кадрам, снятым при разной температуре, найти эту самую пресловутую энергию активации, о которой написано в процитированном источнике. Так например для матриц ASI производитель предоставляет информацию о зависимости темнового тока от температуры. И из того факта, что примерно на каждые 10 градусов темновой ток удваивается, можно сделать вывод, что энергия активации примерно равна 0.4 еВ:
Однако я отвлёкся. Даже если мы предположим, что наша матрица имеет тепловой шум сходной величины — при выдержке в 2 минуты и температуре матрицы 0 градусов мы нахватаем 6 тепловых фотоэлектронов. Много это или мало? В принципе не очень, т.к. шум считывания обычно сходного порядка, однако при росте температуры до 30 градусов а летом это практически неминуемо, 6 могут превратиться и в 48, что уже весьма ощутимо. Но, как я уже сказал, чтобы не усложнять и без того непростую задачу вернёмся к двум другим шумам: фотонному шуму от объекта+неба засветку мы к сожалению выключить не можем — только уехать и шуму считывания. Очевидно, что чем бо́льшую выдержку мы поставим, тем больше полезного сигнала мы наловим. И это справедливо до тех пор, пока снимаемый нами объект не уходит в область пересвета.
Интересно, однако, узнать насколько сильным должен быть полезный сигнал, чтобы последнее слагаемое, отвечающее за неустранимый шум считывания, перестало нас волновать? Видно, что в формуле для snr все наши величины стоят в знаменателе под корнем. Выразим фотонный шум в единицах шума считывания и построим график того, какую долю от полного шума вносит шум считывания:
Вклад шума считывания в общий шумовой котёл. Справа дважды логарифмический график в процентах.
Графики выше были получены следующим образом: принимаем шум считывания за единицу и вычисляем полную сумму ошибок, а потом делим на случай, когда шум считывания принимается равным нулю:
Видно, что когда фотонный шум вдвое больше шума считывания, то вклад последнего снижается до 11%. Дальнейшее уменьшение даётся всё сложнее, что видно как из графиков, так и из таблички: