Co lepsze - wysoki gain na krótkich ekspozycjach, czy niski na dłuższych?

Share

Temat ultraszybkiej fotografii planetarnej jest nieco kontrowersyjny. Z jednej strony mamy prędkości nagrywania przekraczające 100 klatek na sekundę i bardzo krótkie ekspozycje, a z drugiej wysoki, czy też maksymalny gain kamery dający wysoki stosunek szumu do sygnału fotografowanej planety. Niektórzy twierdzą że to pozwala pokonać zły seeing, ale czy na pewno?

Dlaczego wysoki gain jest taki zły?

Gain to nic innego jak mnożnik. Przemnaża on odpowiedź matrycy na wartości liczbowe przesyłane później do komputera jako klatka klipu AVI. 0 to czarny, a 255 to biały, w pełni nasycony (dla 8-bitowych kamer). Pewna wartość gainu jest potrzebna by poprawnie zmapować sygnał z matrycy na te wartości liczbowe. Zbyt niski doprowadzi do błędów kwantyzacji - gdzie różne poziomy sygnału dostaną tą samą liczbę i zobaczymy obraz z artefaktami (np. tzw. cebulka). Bardzo wysoki gain też nie jest dobry gdyż wymusza skrócenie czasu ekspozycji tak by sygnał zmieścił się na skali. Niska wartość sygnału z fotografowanej planety zbliża się do poziomu sygnału szumu kamery, który również jest mnożony. W efekcie wysoki gain uwidacznia wyraźnie szum kamery.

Ultraszybka fotografia

Współczesne kamery planetarne, szczególnie te na szybszych od USB2 interfejsach bez problemu mogą przekraczać barierę 100 FPS (jak i nawet 150 FPS). Nagrywając z takimi prędkościami można w tym samym czasie złapać znacznie więcej klatek do stackowania. Wydaje się to korzystne, ale do końca takie nie jest. Stackowanie poprawia stosunek sygnału fotografowanego obiektu do szumu (SNR). Krotność poprawy to pierwiastek ze zestackowanych klatek. Dla 1000 klatek to 31,6x, a dla 5000 70,7x. To, czego wielu osób nie zauważa to że ta krotność poprawia bazowe zdjęcie - a od jakości bazowego zdjęcia zależy czy dana krotność będzie wystarczająca by otrzymać finalne zdjęcie wysokiej jakości.

Zdjęcie wykonane na wysokim gainie przy krótkiej ekspozycji będzie miało słabą jakość (słaby stosunek sygnału do szumu). Zdjęcie wykonane na dłuższej ekspozycji z niższym gainie wyższy. Pierwsze zdjęcie będzie wymagać dużej wielokrotności by dać dobre zdjęcie, a drugi mniejszej. Pierwsze będzie wymagało zestackowania bardzo dużej ilości klatek, a drugie małej.

Jak widać sprawa nie jest oczywista i nie ma jednoznacznej odpowiedzi która opcja jest lepsza. Żeby rozstrzygać takie problemy teoretyczne potrzebne są eksperymenty. Potrzebny eksperyment może zrobić każdy fotograf - wystarczy zrobić serię klipów z różnymi wartościami gainu i czasu ekspozycji (dla podobnych wartości wypełnienia histogramu), a następnie je obrobić i porównać wyniki.

Eksperyment - wpływ gainu i czasu ekspozycji na uzyskiwane zdjęcia

Wcześniej takie eksperymenty wykonywałem dla kamery Basler Ace z matrycę CCD ICX618. Dostępne jest jedno, drugie i trzecie zestawienie dla Saturna, oraz dla Jowisza. Kamera ta miała dodatkową wadę przy dużych prędkościach - artefakty dawane przez matrycę niedostosowaną do pracy z taką częstotliwością.

ASI120MM wyposażona jest w matrycę CMOS, która jest w stanie rejestrować klatki ze znacznie większymi prędkościami. Nie daje ona artefaktów, tylko sam szum. Oto wyniki jakie uzyskałem dla Marsa:

Zarówno z tego jak i z poprzednich zestawień wynika że ultrakrótka ekspozycja nie daje lepszych wyników. W przypadku Jowisza gdzie trzymałem zbliżony czas nagrywania (dając więcej klatek krótszym ekspozycjom) zależności okazały się takie same. W przypadku zestawienia dla ASI120MM widać też że dla ostatniego zdjęcia z serii, robionego przy ekspozycji rzędu 45 ms seeing zaczyna rozmywać drobniejszy detal - do zamrożenia seeingu wcale nie są potrzebne ultrakrótkie ekspozycje. Ja nie przekraczam 30 ms na ciemnym Saturnie, a Jowisza, czy Marsa nagrywam z prędkościami 65-50 klatek na sekundę, co wydaje się być optymalne.

Mimo wszystko da się znaleźć w sieci fotografie wykonane na ultrakrótkich ekspozycjach, które wyglądać będą dobrze. Dlatego zachęcam wszystkich do sprawdzenia jakie parametry będą naprawdę optymalne dla Waszych kamer, teleskopów i sposobowi obróbki.

Astrofotografia kontra matematyka

Pisałem o poprawie SNR w zależności od ilości zestackowanych klatek. Mając dane o szumie z FireCapture postanowiłem pobawić się w arkuszu kalkulacyjnym.

Dla gainu 100/100 obliczenia wyglądają następująco:

• 1,64 ms daje możliwość osiągnięcia 609 FPS
• W dwie minuty zbierzemy wtedy 73170 klatek (widział ktoś kiedyś taki klip?)
• Zestackowanie wszystkich da poprawę SNR o 270 razy
• Szum 9,52 podzielony przez 270 to 0,035

Dla gainu 40/100 obliczenia wyglądają następująco:

• 18,52 ms daje możliwość osiągnięcia 54 FPS
• W dwie minuty zbierzemy wtedy 6480 klatek
• Zestackowanie wszystkich da poprawę SNR o 80,5 razy
• Szum 1,08 podzielony przez 80,5 to 0,013

Teoretycznie finalne zdjęcie wykonane przy 40% gainu będzie miało stosunek sygnału do szumu lepszy od tego dla 100% gainu o 2,6 raza! Ale to trochę naciągne obliczenia ;) Systemy wizyjne nie lubią takiej teorii.