Когда для получения астрономических изображений использовались фотопленка и пластинки, было обычным получать окончательное изображение из одной экспозиции, которая может длиться часами. Цифровые датчики не работают так хорошо для таких длинных выдержек, но облегчают комбинирование коротких выдержек, что дает несколько преимуществ. Я постараюсь рассмотреть оба аспекта ниже, хотя это большая тема. Отмечу, что комбинирование нескольких экспозиций является распространенным методом как в астрономических исследованиях (для количественного научного анализа), так и в астрофотографии (где цель - эстетически приятный рендеринг).
Я собираюсь сосредоточиться только на множественных экспозициях одного поля (не на объединении типа «панорама»), и я собираюсь сосредоточиться на объединении экспозиций для получения изображений, которые показывают слабые детали и резкие звезды, а не звезды следы выстрелов. (Звездные следы также часто фотографируются в многократных экспозициях, по причинам, которые я описываю в моем первом разделе, но преимущества, которые я описываю во втором разделе, на самом деле не применяются.)
Почему цифровые датчики не справляются с длительной выдержкой?
Каждый пиксель на изображении, создаваемом вашей камерой, соответствует фотосайту на сенсоре. Работа фотосайта состоит в том, чтобы поглощать фотоны (частицы света) и преобразовывать их в электроны. Эти электроны накапливаются во время экспозиции пропорционально количеству фотонов, попадающих на фотосайт, и затем они считываются (в основном, считаются) в конце экспозиции, чтобы придать яркость этому пикселю.
Каждый фотосайт имеет максимальное количество электронов, которое он может удерживать, называемый «очень хорошо». Как только фотосайт достигнет «полного лунки», любые дополнительные фотоны, попадающие на этот фотосайт, не будут считаться - фотоэлемент или пиксель считается «насыщенным». Таким образом, одним недостатком длительной экспозиции является то, что самые яркие звезды на изображении могут насыщаться на ранней стадии экспозиции, и их полная яркость по сравнению с более тусклыми объектами может не записываться. (Они также могут вызывать такие артефакты, как перетекание в большие, некрасивые «следы насыщения» на некоторых типах датчиков.)
Но другая проблема заключается в том, что на протяжении всей экспозиции электроны накапливаются во всех фотосайтах из-за шума. Одним из источников шума является «темновой ток», который возникает из-за температуры датчика. Датчики в исследовательских приборах в обсерваториях обычно криогенно охлаждаются, например, жидким азотом. Это поддерживает темновой ток в этих инструментах на довольно незначительном уровне. Многие любительские астрономические датчики охлаждаются сухим льдом или термоэлектрическим холодильником, который не так холоден, но все же полезен. Обычные зеркалки вообще не охлаждаются и фактически нагреваются во время воздействия, поэтому темновой ток является значительным. Помимо темнового тока, яркость неба, даже в темном месте, заставляет электроны накапливаться на фотосайтах.
По мере того, как эти «фоновые» отсчеты по небу и темновому току накапливаются, разрыв между фоном и полнотой для фотосайта сужается, уменьшая «динамический диапазон» между самыми слабыми и самыми яркими объектами, которые вы можете записать. В конце концов, если бы ваша экспозиция была достаточно длинной, каждый фотосайт был бы насыщен фоном, и у вас нигде не было бы деталей.
Итак, если длинные выдержки плохие, что за хорошие новости?
Хорошая новость заключается в том, что с цифровыми изображениями довольно легко объединить несколько коротких экспозиций в эквивалент длинной экспозиции, добавляя или усредняя значения пикселей в каждой экспозиции для получения окончательного изображения. Но пока мы делаем это, мы можем воспользоваться несколькими преимуществами:
Мы можем исправить ошибки отслеживания. Как вы знаете, ночное небо вращается над головой, когда Земля поворачивается вокруг своей оси. Это означает, что для длительной экспозиции ваша камера или телескоп должны следовать этому кажущемуся движению, и это должно происходить очень точно, чтобы звезды не появлялись на изображении. Для очень коротких экспозиций (~ секунд) вам может понадобиться камера, закрепленная на штативе. Для более длительных выдержек (~ минут или, возможно, дольше) вы можете использовать часовой привод, который поворачивает камеру с той же скоростью, что и небо; это называется отслеживание . Но, вероятно, тактовая частота привода не совсем правильная, а полярное выравнивание крепления, вероятно, не совсем правильное, поэтому для более длинных выдержек вам понадобится автогидр (или много терпения к руководству от руки). Навигация исправляет ошибки в слежении, «наблюдая» за звездой и удерживая ее в том же месте во время экспозиции.
Если вы комбинируете короткие экспозиции, ваше отслеживание или навигация должны быть достаточно хорошими, чтобы сохранять резкость звезд в течение всего времени коротких экспозиций. Прежде чем комбинировать короткие выдержки, вы регистрируете изображений, чтобы выровнять все заново. Обычно это можно сделать автоматически с помощью программного обеспечения.
Мы можем выбросить плохие экспозиции. Если самолет, или спутник, или фары автомобиля портят 30-секундную экспозицию, вы можете выбросить эту 30-секундную экспозицию и использовать оставшуюся. Это намного лучше, чем выбрасывать 5-часовую выдержку из-за тех же дефектов.
Мы можем избежать дефектов сенсора и других плохих пикселей. Как отмечалось выше, вероятно, есть какая-то ошибка отслеживания или указания, что означает, что нам нужно зарегистрировать изображения перед их объединением. Из-за этих небольших ошибок конкретная звезда, вероятно, будет падать на разные пиксели при разных выдержках. Поэтому, если наш датчик имеет плохой пиксель или плохой столбец , мы можем усреднить наши экспозиции таким образом, чтобы использовать только «хорошие» значения, а не «плохие» значения. (На телескопах, которые хорошо управляют, как телескопы обсерватории, телескоп может быть намеренно слегка смещен между экспозициями для достижения этой выгоды.) Кроме того, космические лучи часто вызывают эффекты, похожие на «горячие пиксели» при длительных экспозициях, поэтому мы можем найти те пикселей и исключить их из среднего.
Наше воздействие может быть дольше, чем ночь! До сих пор усилия астрономов по уничтожению солнца были сорваны бездушными миньонами православия. В результате, каждая ночь в среднем длится около 12 часов, и не все это совершенно темно, и любой объект, который мы пытаемся сфотографировать, может не работать все время, в зависимости от времени года и нашего местоположения. , Таким образом, комбинирование экспозиций позволяет нам снимать экспозиции на несколько ночей. Это также означает, что мы можем планировать наблюдение в течение нескольких ночей, чтобы наблюдать за каждым объектом в ночное время, когда он находится на самом высоком уровне в небе, поэтому мы наблюдаем меньше воздуха, чем когда он находится рядом с горизонтом.