Dłuższa ekspozycja i niższa ISO lub krótsza ekspozycja i wyższe ISO - co daje lepsze wyniki podczas fotografowania gwiazd?

Zajmowałem się nocnymi pejzażami i fotografowaniem gwiazd z różnym powodzeniem. Wiem, że nie mam idealnego obiektywu (Canon 17-40 mm f4 na korpusie Canon 6D), ale widziałem kilka świetnych zdjęć wykonanych przy użyciu tego samego sprzętu. Mam też Canona 50 mm f1.4, który jest świetny, ale po prostu nie jest wystarczająco szeroki.

Zwykle fotografuję przy f4, ISO 800-1600, redukcja szumów przy długiej ekspozycji włączona, 30 - 40 sekund. Uważam, że wyniki są bardzo głośne, a gwiazdy nie są wystarczająco jasne . po 30 sekundach gwiazdy nie są wystarczająco jasne, a po 40 sekundach już się przesuwają. Oto jedna z moich prób.

Ostatnio widziałem kilka zdjęć (przykłady tu i tutaj ), które są rejestrowane przy krótszych czasach ekspozycji, ale znacznie wyższej ISO (5000-6400)

Myślę, że być może, gdy mam prawie 40 sekund, czujnik bardziej się nagrzewa, co powoduje więcej hałasu? Czy krótszy czas naświetlania i wyższa czułość ISO są lepszą formułą dla gwiazd fotografii?

Hałas jest faktem życia, jeśli chodzi o astrofotografię, z wyjątkiem ułożonych na sobie zdjęć głębokiego nieba wykonanych na uchwycie śledzącym (więcej za chwilę).

Twoje zdjęcie jest w rzeczywistości bardzo ciche, w wielkim schemacie astrofotograficznych zdjęć z szerokim polem, które widziałem ... ale brakuje mu również nasycenia. Myślę, że tak naprawdę sprowadza się to do gustu, ale ostatecznie, w ten czy inny sposób, na zdjęciach będzie mniej więcej tyle samo szumów, niezależnie od ustawienia ISO. Jeśli chcesz osiągnąć tę samą ilość nasycenia, musisz zrobić jedną z dwóch rzeczy. Musisz albo zastosować wyższe ustawienie ISO (ISO 3200, może nawet tak wysokie, jak 6400), albo będziesz musiał zwiększyć ekspozycję na stanowisku. Zdecydowana większość szumów w astrofotografii pochodzi z szumu fotonu, więc użycie wyższej czułości ISO jest tym samym, co zwiększenie ekspozycji po procesie z punktu widzenia hałasu.

Na przykładowym zdjęciu masz zdjęcie z szerokim polem i pojedynczą klatką. Ograniczasz się do pojedynczej klatki ze względu na pierwszy plan, chyba że uciekasz się do bardziej skomplikowanych sztuczek, w których bierzesz wiele klatek, wycinasz niebo i układasz te klatki, aby poprawić nasycenie nieba. Z pewnością możliwe ... również dużo pracy. Podobnie jak ty, lubię zdjęcia astrofotograficzne, które obejmują część krajobrazu na pierwszym planie, dlatego warto spróbować ręcznego częściowego układania, aby poprawić swój SNR.

Ciepło z pewnością przyczynia się do hałasu podczas długich ekspozycji. Nie jestem pewien, czy 40 sekund wystarczy na wytworzenie tak dużej ilości ciepła, że ​​hałas termiczny staje się bardziej znaczącym czynnikiem niż hałas wystrzeliwany przez fotony. Starsze lustrzanki cyfrowe miały kiedyś bąbelki termiczne z powodu przegrzania komponentów prawie odłamanych z matrycy ... podczas robienia ciemnych ramek wyraźnie widać obszary w rogach lub wzdłuż krawędzi ramki, które mają więcej hałasu. Nigdy nie widziałem takiego zdarzenia na moim 7D i zdarzają się chwile, kiedy robiłem 40-50 sekundowe długie ekspozycje przy 16 mm.

Istnieją sposoby na ograniczenie różnych źródeł niefotonowych źródeł hałasu. Ciemne ramki i ramki odchylenia to dwa. Korzystanie z ciemnych i stronniczych ramek jest zwykle naprawdę konieczne tylko podczas układania wielu ekspozycji za pomocą narzędzia takiego jak Deep Sky Stacker . Mówiąc ogólnie, aparat „Redukcja szumów przy długiej ekspozycji” naprawdę robi po prostu ciemną ramkę, która jest natywnie odejmowana od jasnej ramki przed zapisaniem na karcie pamięci. Pojedyncza ciemna ramka pomoże zmniejszyć szum odczytu, ale nie tyle, co odpowiednio ułożona ciemna ramka z wielokrotną ekspozycją, jak wyjaśniono na stronie DSS tutaj .

Należy zauważyć, że najważniejszą rzeczą w astrofotografii jest SNR lub stosunek sygnału do szumu. Im wyższy współczynnik SNR na klatkę, tym lepsze wyniki ... ułożone w stos lub w inny sposób. Możesz wziąć 120 5-sekundowych klatek lub 5 120-sekundowych klatek ... pięć 120-sekundowych klatek zawsze da lepsze rezultaty. Możesz nawet wziąć 500 5-sekundowych klatek, a 5 120-sekundowych klatek nadal będzie dawać bogatszy wynik, ponieważ SNR na klatkę jest znacznie wyższy. Każda ramka zawiera bogatsze, bardziej kompletne informacje, których nigdy nie będzie w stanie w pełni powielić, nakładając znacznie krótsze czasy naświetlania.

Kolejnym najlepszym sposobem na poprawę SNR jest przejście do kamery z większymi pikselami. SNR na piksel jest wyższy przy większych pikselach, więc w przeliczeniu na piksel wyniki powinny być lepsze i przy wyższych ustawieniach ISO, niż w przypadku aparatu z mniejszymi pikselami. Jeśli porównamy 1D X i 7D (oba czujniki 18mp), większe piksele 1D X zgromadzą 2,6 razy więcej światła. Już używasz 6D, który jest bardzo dobrym aparatem do astrofotografii dzięki dużym pikselom i doskonałej wydajności ISO. Z czysto SNR (na podstawie danych sensorgen.info), 1D X przy ISO 3200 obsługuje ~ 3x nasycenie na piksel, 6D przy ISO 3200 obsługuje ~ 2x nasycenie na piksel, jak każdy z 18MP APS-C Canona czujniki.

Ponieważ używasz już najlepszego aparatu, który prawdopodobnie możesz uzyskać od firmy Canon do celów astrofotografii, jedyną rzeczą, którą możesz naprawdę zrobić, jest zwiększenie ISO. Przy niższych ustawieniach ISO występuje więcej szumów odczytu. Szczególnie w przypadku Canona, im bardziej zwiększasz czułość ISO, tym niższy jest udział szumu odczytu, do poziomu, w którym przy najwyższych ustawieniach ISO szum odczytu może wynosić zaledwie 1,3 na piksel (znacznie poniżej płaskiego minimum ~ 3e - dla Sony Exmor znalezionej w D800).

Dlatego, ponieważ zwiększenie postprodukcji po procesie jest tym samym, co zwiększenie ISO, gdy szum odczytu jest tak niski, aby poprawić nasycenie nieba i jasność gwiazd, należy zastosować wyższe ustawienie ISO. Powiedziałeś, że używasz ISO 800-1600. Spróbuj ISO 3200, 6400 ... może nawet 8000. Ogólną ideą jest zmniejszenie punktu bieli, tak aby kamera używała elektroniki w celu maksymalnego zwiększenia sygnału przed odczytem, ​​aby zminimalizować wpływ szumu odczytu. Należy zauważyć, że zwiększenie ekspozycji zdjęcia ISO 800 wykonanego pocztą w taki sposób, że przypomina ono ekspozycję ISO 6400, prawdopodobnie spowodowałoby WIĘCEJ szumu, ponieważ szum odczytu przy ISO 800 jest ponad dwukrotnie większy przy niższym ustawieniu ISO (5.1e - vs. 2,0– według sensorgen.info).

Aby wszystko było trochę jaśniejsze, nakreśliłem hipotetyczny scenariusz astrofotografii. Ten scenariusz zakłada 30-sekundową ekspozycję przy f / 4, wykonywaną raz dla każdego ustawienia ISO od 100 do 12800, przy użyciu Canona 5D III. Założono, że ekspozycja 30s f / 4 przy ISO 12800 powoduje, że najjaśniejsze piksele (gwiazdy) osiągają „punkt nasycenia” (innymi słowy, najjaśniejsze gwiazdy wychodzą czysto białe, jak każde czerwone, zielone i niebieskie piksele dla gwiazdy te osiągają maksymalny poziom naładowania). Dokładnie taka sama ekspozycja przy wszystkich innych ustawieniach ISO spowoduje ekspozycję poniżej punktu nasycenia. Dodatkowo wykazano różnicę między szumem odczytu a szumem fotonu.

Na poniższym schemacie liniowa oś X reprezentuje każde ustawienie ISO, a logarytmiczna oś Y reprezentuje poziom ładunku w elektronach (e-). Dla każdego ustawienia ISO są rysowane czerwone i zielone linie, przy czym czerwony oznacza szum odczytu , a zielony oznacza punkt nasycenia . Zakres dynamiczny jest efektywnie stosunkiem między punktem nasycenia a szumem odczytu (zielony nad czerwonym). W przypadku ISO 100 punktem nasycenia jest również dosłowny maksymalny poziom naładowania fotodiody (FWC lub pełna pojemność studzienki). Niebieskie słupki reprezentują sygnał, a ciemniejsza część niebieskiego słupka reprezentuje szum wewnętrzny w tym sygnale (szum strzału fotonowego, który jest pierwiastkiem kwadratowym sygnału).

Zakładając ekspozycję 30s f / 4, która osiąga maksymalne nasycenie przy ISO 12800, ładunek tego sygnału wynosi 520e- (zgodnie z sensorgen.info). Dlatego przy założeniu, że dokładnie ta sama ekspozycja zostanie zastosowana dla wszystkich innych ustawień ISO ... sygnał, podobnie jak szum fotonu, będzie IDENTYCZNY . (Ładunek w fotodiodzie jest iloczynem światła w czasie ... na co wpływa TYLKO przysłona i czas otwarcia migawki). To, co zmienia się w miarę zmniejszania ISO, powoduje wzrost szumu odczytu. Ponieważ skala jest logarytmiczna, ustawienia ISO od 800 do 12800 mają niewielką różnicę w szumach odczytu (szczególnie 1600 do 12800). Gdy osiągniemy ISO 400, szum odczytu zaczyna rosnąć do punktu, w którym jest większy stosunek ogólnego sygnału niż szum fotonu.

Kluczową różnicą między fotografowaniem z ISO 12800, a fotografowaniem z ISO 400, jest punkt nasycenia (zielone paski). Przy ISO 12800 szum odczytu jest niski, a sygnał nasyca się, dzięki czemu będziesz mieć jasny, kolorowy obraz z kamery. Przy ISO 400 sygnał stanowi niewielki ułamek (520e) punktu nasycenia (18273e-) i będzie wymagał znacznego zwiększenia ekspozycji na stanowisku, aby wyglądał tak samo jak ujęcie ISO 12800. Jeśli ktoś zrobi zdjęcie z ISO 400 i poprawi ekspozycję na stanowisku, ogólny hałas stanowi istotny czynnik sygnału. Poziom szumu odczytu, poniżej którego efektywnie nie istnieją użyteczne informacje, jest prawie tak wysoki jak szum strzału fotonowego. Takie zwiększenie ekspozycji po zakończeniu procesu spowodowałoby wysoki stopień pasmowania i szumu koloru, prawdopodobnie aż do półtonów.

Dla skrajnego przykładu, jeśli strzelamy przy ISO 100, szum odczytu staje się głównym czynnikiem powodującym szum (w tym konkretnym przykładzie ... pamiętaj, że przy ISO 100 obraz jest znacznie niedoświetlony w stosunku do punktu nasycenia). Zwiększenie ekspozycji ISO 100 w tym przypadku (które w celu symulacji tego, co wyprodukowano strzał ISO 12800, musiałoby być SZEŚĆ STOPEM ZWIĘKSZENIA ) spowodowałoby znaczne pasy i szumy barwne. Poniższy schemat pokazuje, w jaki sposób hałas, zarówno odczyt, jak i wystrzelenie fotonu, są wzmacniane przez korektę ekspozycji na post dla ISO 100 - 6400, w celu dopasowania do ekspozycji ISO 12800:

Pamiętaj, że skala tutaj jest logarytmiczna, więc ilość szumów dla każdego kolejno niższego ustawienia ISO jest wykładniczo wyższa po korekcie ekspozycji w trybie post.

Nie zamierzam nawet zastępować bardzo pouczającej i dobrze napisanej odpowiedzi Jristy. On obejmuje podstaw fizyki w obrazowaniu rurociągu aparatu bardzo dobrze. Chciałbym dodać obserwację, która może rzucić nieco światła na związek między gwiazdami a hałasem.

Gdyby wszystkie gwiazdy we wszechświecie były równie jasne, jak patrząc z powierzchni Ziemi, nocne niebo byłoby jednolicie białe. Zatrzymaj się na chwilę i pozwól temu zatonąć. Na niebie jest bardzo mało miejsc, nawet przy użyciu najwęższego dostępnego pola widzenia, i możesz skierować bardzo czuły teleskop (taki jak Hubble), aby nie ujawnił źródła światła . Najbardziej znaczącymi „ciemnymi” obszarami nieba są mgławice, które blokują większość światła gwiazd i galaktyk za nimi.

Prawdą jest, że możesz robić rzeczy, aby zwiększyć SNR, które pozwalają ci rozwijać obrazy w taki sposób, że gwiazdy są jaśniejsze w porównaniu do ciemniejszego nieba wokół nich. Kiedy to zrobisz, zwiększysz także jasność gwiazd ciemniejszych, które nie były jaśniejsze niż hałas przed dokonaniem takich regulacji, a także podniesiesz poziom nawet ciemniejszych gwiazd, które w ogóle nie były widoczne do tego stopnia, że ​​są wytwarzając teraz taką samą ilość sygnału jak szum na obrazie. Bez względu na to, jak dobry jest współczynnik SNR, zawsze będą gwiazdy o tej samej jasności co hałas.Najjaśniejsze gwiazdy, jeśli chodzi o ich jasność widzianą z Ziemi, są najrzadsze, a najciemniejsze gwiazdy są zdecydowanie najliczniejsze na nocnym niebie. Pod pewnymi względami zwiększenie SNR podczas przechwytywania obrazu, a następnie zwiększenie ekspozycji w poście może sprawić, że obraz będzie wydawał się głośniejszy ! Nie dlatego, że na obrazie jest więcej szumów. Nie ma Ale ponieważ te bardzo słabe gwiazdy, które wyciągnąłeś z ciemnego tła, wydają się być hałasem.

Myślę, że sekretem zdjęć z pojedynczą ekspozycją jest przetwarzanie końcowe. Aby mieć pewność, zmaksymalizuj swój SNR zgodnie z odpowiedzią jristy podczas robienia zdjęć. Ale spróbuj też tego w przetwarzaniu końcowym: kiedy masz najjaśniejsze gwiazdy tak, jak chcesz, zsuń wszystko poniżej określonej wartości luminancji aż do czerni. Zmniejszenie nasycenia kolorów pomoże również uporać się z szumem chrominancji, który jest głównym winowajcą, który widzę na bardzo dobrym przykładowym zdjęciu.

Sądzę, że będzie się to różnić w zależności od modelu, aparatu i aparatu, a nawet w zależności od warunków fotografowania. Zaryzykowałbym, że w chłodną noc, kiedy matryca jest bardziej chłodzona, będziesz mieć więcej szczęścia z długim czasem ekspozycji, a jeśli jest gorąca noc, czujnik będzie się nagrzewał szybciej, a wyższa czułość ISO może dać lepsze wyniki. Układanie jak wspomniany Matt Grum jest również opcją w niektórych przypadkach.

Osobiście staram się ustawić gdzieś pośrodku i oprzeć ISO na tym, co wytwarza akceptowalny poziom hałasu, a następnie użyć tak długiej ekspozycji, jak to konieczne. Na moim 5D Mark iii kończy się to gdzieś w przedziale 5000-6400.

Nie mam żadnych danych na temat tego, gdzie istnieje punkt podziału między zaletą uzyskania większej ilości światła a wadą szumu termicznego, jednak możesz uzyskać to, co najlepsze z obu światów, fotografując wiele krótkich ekspozycji i układając je w oprogramowanie.

Istnieją programy zaprojektowane do tego w celu astrofotografii, które również wyrównają obrazy w stosie, co ma dodatkową zaletę unikania śladów gwiazd. Spójrz na Deep Sky Stacker .