Наблюдения с Земли
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Исследование Солнечной Системы - Наблюдения
Астрономические наблюдения

Астрофотография с помощью цифровых зеркальных камер

    Настали беспокойные времена для любителей астрофотографии. Цифровое фото – один из самых горячих секторов рынка потребительской электроники. Новые камеры, программы обработки изображений, фотопринтеры и принадлежности появляются с захватывающей регулярностью. И, как и у всех проявлений хай-тека, их возможности растут также быстро, как падает цена. Конечно, это добрые вести для всех любителей фотографии, но особенно большое влияние это оказывает на домашних астрофотографов. Основная часть более двух поколений любителей пофотографировать объекты глубокого космоса занималась этим, используя 35 мм пленочные зеркальные камеры. В них используется поворачивающееся зеркало, которое позволяет посмотреть, сфокусировать и выбрать сцену через тот же объектив или телескоп, через который будет производиться съемка, – что Вы видите, то и получите. По экономичности, универсальности и удобству мало что может сравниться с 35 мм пленочными зеркалками.
    Тем не менее, особенно для опытных астрофотографов, в последнее десятилетие зеркалки уступили место специализированным ПЗС-камерам (прибор с зарядовой связью). В этих электронных камерах используются полупроводниковые кремниевые чипы вместо пленки. Среди их принципиальных преимуществ – большая на пару звездных величин светочувствительность, особенно при термоэлектрическом охлаждении для уменьшения шума. Кроме этого, поскольку они выдают файлы цифровых данных вместо пленок или отпечатков, их снимки сразу готовы для компьютерной обработки. До недавних пор, ПЗС-чипы были гораздо меньше, чем 35 мм кадр, серьезно ограничивая этим поле зрения. Сейчас появились ПЗС-камеры с “пленочным” размером чипа, но они очень дороги. Кроме того, если Вы хотите снимать в цвете, используя большинство ПЗС-камер для астрономии, Вам приходится делать раздельные экспозиции через красный, зеленый и синий светофильтры и потом объединять их на компьютере. Результатом этих накладных расходов и/или сложности является то, что множество любителей не хочет переходить на съемку с помощью ПЗС.
    Сегодня картина снова меняется, причем буквально в обратную сторону. Бытовые цифровые “мыльницы” уже везде. Как и в астрономических камерах, в большинстве их применяются ПЗС-чипы. Поскольку они работают при комнатной температуре, электронный шум ограничивает выдержки до относительно коротких. Но, поскольку на чипе расположена матрица цветных светофильтров, эти камеры снимают в цвете сразу. Любители астрофото пустили бытовые цифровые камеры в дело. Приставленные к окуляру телескопа, эти устройства могут делать впечатляющие снимки Луны и планет, двойных звезд и даже ярчайших звездных скоплений и других дип-скай объектов. Но съемка через окуляр ограничивает Ваш выбор и, тем самым, ограничивает творческий потенциал. Гораздо более универсальны “почти профессиональные” цифровые зеркальные (DSLR) камеры, разработанные для профессиональных фотографов и серьезных любителей. Нагруженные возможностями и стоящие порядка $1000, DSLR объединяют основные достоинства пленочных зеркалок, цифровых мыльниц и астрономических ПЗС-камер. Появившись на рынке несколько лет назад, доступные DSLR уже заменяют пленочные зеркалки и даже, в некоторых случаях, охлаждаемые ПЗС, и становятся выбором многих опытных астрофотографов.
    Так какие же преимущества дают DSLR по сравнению с пленочными зеркальными аппаратами? Как и все цифровые камеры, они сразу представляют Вам результаты. Вы сразу поймете, если выдержка, фокус или план выбраны неверно и устранить проблемы в течении фотосессии. В отличие от обычных цифровых мыльниц, имеющих встроенный объектив с фиксированным фокусом или зум-объектив, DSLR позволяют менять объектив, так же как пленочные зеркалки. Значит, Вы можете закрепить камеру прямо на телескопе (используя подходящий переходник), который будет служить в качестве мощного телеобъектива. Какие преимущества DSLR по сравнению со специальными астрономическими ПЗС-камерами? Очевидно, одно из них, то, что DSLR служит также как обычная дневная камера и превосходна для съемок семьи, друзей, природы и путешествий. Цена может быть как преимуществом, так и недостатком. Все сегодняшние DSLR стоят намного больше сегодняшних пленочных зеркалок. В то же время, при данном размере чипа, DSLR часто стоят меньше, чем охлаждаемая ПЗС-камера.

Цифровые и пленочные зеркальные камеры имеют и некоторые общие черты, включая сменные объективы, полностью ручное управление выдержкой и фокусом, механический затвор в фокальной плоскости и “В”-установку для времени экспозиции. Здесь показан Canon EOS 10D вместе с (по часовой стрелке от центра) 100-300-мм зум-объективом.

    Конечно, цифровые зеркалки имеют и недостатки. Один из них то, что они требуют батареек – и много. Это может стать проблемой при долгих экспозициях, особенно в холодную погоду. Поэтому Вам потребуется обильный запас батарей, портативный аккумулятор или блок питания от сети и собственно домашняя электросеть. Как уже отмечалось, чины внутри DSLR работают при комнатной температуре. Это ограничивает выдержки десятками секунд или, может быть, несколькими минутами. При этом электронный шум, цифровой эквивалент пленочной зернистости, заметно ухудшает изображение. Но, как мы увидим позже, если способы обойти эту проблему. Любой интересующийся применением DSLR для дип-скай фотографии, должен иметь в виду еще одну вещь. Цифровые камеры имеют весьма ограниченную чувствительность в далекой красной области видимого спектра, где располагается 656,3 нм линия альфа-водорода. Излучение этой длины волны открывает детали структуры многих ярких туманностей. Кремниевые приемники камер DSLR сами по себе весьма чувствительны к красному цвету. Но они также восприимчивы к более длинноволновому инфракрасному излучению. Для достижения правильной цветопередачи для дневной фотографии, перед чипом располагают фильтр, блокирующий инфракрасное излучение. Это неизменно уменьшает передачу основной части далекого красного. Встроенный инфракрасный блок-фильтр камеры 10D срезает далекий красный конец видимого спектра и ответственен за слабую восприимчивость камеры к красному, особенно на линии излучения альфа-водорода (H[alpha]) на 656,3 нм. Несмотря на их ограничения, DSLR могут использоваться для астрофото, соперничая с лучшими снимками, полученными на других типах камер, как пленочных, так и электронных.

Астрофото М42/43 получено с помощью цифровой зеркалки Canon EOS 10D, установленной на ISO 400, сложено 26 кадров с выдержкой 300 секунд, при - 4С

    На какие особенности DSLR камеры, выбираемой для астрофотографии, нужно обратить внимание? Первое и главное – убедитесь, что камера допускает полностью ручное управление выдержкой. Автоматические настройки в цифровых камерах служат для дневной съемки и Вам потребуется изменить некоторые их них, чтобы получить приличные результаты съемки ночного неба. Камера также должна иметь “B”(“bulb”)-установку затвора, которая позволит Вам устанавливать время экспозиции большим, чем любое предустановленное. Если кнопка спуска затвора не допускает спуск с помощью ручного тросика, убедитесь, что камера допускает использование дистанционного управления. Если Вы будете касаться камеры для открывания и закрывания затвора, Вы испортите снимок из-за дрожания камеры. Еще одна полезная возможность – защелка зеркала, которая позволяет Вам убрать поворачивающееся зеркало с пути хода лучей и позволяет утихнуть всем, связанным с этим, вибрациям, прежде чем откроется затвор. (Это имеет значение только для коротких экспозиций, как съемки Луны или планет.)
    Для съемки серии экспозиций особенно удобен дистанционный интервальный таймер. Такое устройство обычно позволяет задать сколько экспозиций сделать, какой длинной должна быть каждая и сколько ждать между концом одной и началом следующей. Некоторые DSLR поставляются с программой, управляющей выдержкой, что позволяет Вам задать все эти установки с помощью компьютера; для других подобные программы доступны в качестве дополнений за дополнительную плату. Управление DSLR через компьютер определенно похоже на работу со специальной астрономической камерой. На самом деле, Вам даже не всегда нужен телескоп, чтобы получать великолепные астрофото при помощи DSLR – объективы с фокусным расстоянием от 20 до 300 мм прекрасно “нарисуют” множество наиболее популярных дип-скай целей. Итак, Вы должны выбрать модель камеры для которой существует широкий выбор высококачественной оптики и принадлежностей. Они удвоятся, если Вы также планируете использовать камеру для неастрономической фотографии. Не все DSLR строятся на ПЗС-чипах. Некоторые производители используют КМОП (комплиментарный метал-оксид-полупроводник) (CMOS)-сенсоры. Эти новые устройства дешевле, более легки в производстве, им требуется меньшая электронная “обвязка” и даже потребляют энергии они меньше. Но ПЗС-технология совершенствуется уже около 25 лет, поэтому она остается выбором многих людей. Стоит ли колебаться при выборе DSLR из-за типа сенсора? Вероятно, нет. И ПЗС- и КМОП-камеры дают изображения сравнимые по разрешению, диапазону и цветопередаче с теми, которые дают типичные слайд- и негативные пленки. Здесь уж Вы вряд ли ошибетесь.
    Одним из ключевых параметров любой цифровой камеры является размер матрицы детектора, обычно приводимый в мегапикселях (миллионах пикселей). По правде, Вы не сможете купить DSLP со слишком малым числом пикселей, даже самые маленькие чипы этих камер достаточно велики, чтобы давать четкие отпечатки 8 на 10 дюймов, большие чипы спокойно дают увеличение до 16 на 20 дюймов. Это больше, чем хорошо. Но есть большой скачок в цене между 4-х и 6-ти мегапиксельными DSLR, чипы которых обычно размером с кадр APS (22,7х15,1 мм), и самыми навороченными моделями с чипом размером с 35-мм кадр (24х36 мм), и имеющим от 11 до 13 мегапикселей. Большинство производителей камер делают DSLR совместимыми с некоторыми (но иногда не с какими) объективами, разработанными ранее для своих пленочных зеркалок. Имейте в виду, что если чип в Вашей DSLR меньше, чем 35-мм кадр, что справедливо для большинства современных моделей, поле зрения через данный объектив будет меньше, чем через тот же объектив на пленочной камере.
    Рынок цифровой фотографии постоянно и быстро развивается, старые модели заменяются новыми с более богатыми возможностями. Чтобы узнать параметры последних предложений от различных производителей, посетите их веб-сайты. Сайты с обзорами камер – еще один источник полезной информации.
    Вот DSLR у Вас в руках, что с ней делать? Начинающие, попробуйте поснимать с неподвижной треноги, чтобы получить треки звезд. Также можете рискнуть поснимать портреты созвездий, используя экваториальную монтировку с часовым механизмом, или водрузив камеру на “спину” телескопа, стоящего на такой монтировке. Используйте коротко фокусные объективы, которые прощают ошибки слежения. Вы можете даже снять некоторые большие дип-скай объекты таким способом. M31, галактика Андромеды – очень впечатляющая цель для стандартного 50 мм объектива. По мере накопления опыта, Вы можете продвигаться к более длинным фокусам. Свыше 300 мм, что включает и телескопы, и длиннофокусные телеобъективы, я рекомендую использовать автогид для получения правильных, точечных изображений звезд.
    Я всегда выбираю цели, которые лучше всего подходят к текущим условиям наблюдения. Например, я снимаю маленькие, яркие планетарные туманности и шаровые звездные скопления лунными ночами. Небулярные и узкополосые фильтры позволяют мне снимать туманности даже при ярком фоне неба от лунного света или светового загрязнения. Во время нестабильной видимости я использую короткофокусные рефракторы или объективы для больших туманностей, рассеянных скоплений и звездных полей. Я оставляю самые темные и спокойные ночи для съемки слабых галактик при длинных фокусных расстояниях. Где возможно, я снимаю объекты вблизи меридиана, когда они выше всего над горизонтом.

М57, ISO 800, левое изображение - одиночный кадр с выдержкой 120 секунд, правое - сложено 20 кадров с выдержкой 120 секунд.

    Всегда хорошая идея снимать в максимально возможном качестве, которое поддерживает Ваша камера: RAW, TIFF и т.п. Да, файлы будут больше, займут больше памяти, но оно того стоит. Вы всегда можете преобразовать Ваши изображения в меньшие, менее детальные позже, скажем, чтобы поместить на веб-сайт или послать копии друзьям по электронной почте. Если же Вы изначально снимаете в JPEG или другой формат сжатия, Вы выбрасываете информацию, которую потом восстановить невозможно. Фокусировка – это первый важный этап любой съемки. Я обычно использую яркую звезду для фокусировки моего Canon 10D, глядя в видоискатель. Лупа с увеличением 2,5x и изломанной под прямым углом осью, помогает мне избежать перенапряжения глаз и шеи, когда камера направлена высоко вверх. Для пущего удобства, я накладываю маску с несколькими большими отверстиями в ней или пару параллельных полосок пленки на объектив. Маска дает несколько изображений; ленты – множественные дифракционные лучики на ярких звездах. Когда они соединяются в одно четкое изображение, я знаю, что достиг лучшей фокусировки. Я проверяю это короткой экспозицией и изучением увеличенного изображения на экране компьютера. Я перепроверяю фокусировку несколько раз за ночь, т.к. падающая температура приводит к его легкому смещению.
    Выше я указывал на то, что DSLR ограничены сравнительно короткими экспозициями из-за электронного шума. Вы можете обойти проблему комбинированием большого числа коротких экспозиций в одну эквивалентной длительности. Качество снимка может быть выражено через отношение “сигнал/шум” (S/N). Попросту говоря, “сигнал” – это то, что Вы снимаете, например, изображение галактики между взвеси звезд, а “шум” – все остальное. Большее отношение S/N означает лучше смотрящееся изображение. Благодаря природе электроники и света, сигнал линейно увеличивается со временем экспозиции, тогда как шум увеличивается более медленно. Таким образом, если вы комбинируете больше и больше снимков, отношение S/N увеличивается прямо пропорционально квадратному корню числа экспозиций. Комбинирование четырех изображений удваивает S/N, восьми – утраивает и т.д.
    Отдельные изображения имеют собственное отношение S/N, которое Вы можете увеличить, поэкспериментировав с разными установками ISO и времени выдержки. В моих опытах с Canon EOS 10D под темным небом, 5-минутные экспозиции при ISO 800 или 1600 дали лучшие результаты. Лунный свет и световое загрязнение неба требуют меньших выдержек и значений ISO. Для дальнейшего увеличения качества Ваших изображений, Вам потребуется снять несколько экспозиций с закрытым объективом, но со всем остальным (выдержка, установка ISO, окружающая температура) точно таким же как для съемки неба. Когда Вы вычтете эти “темные кадры” из своих снимков, уменьшится фоновый шум и пропадут ложные яркие красные, зеленые и голубые точки, т.н. “горячие” пиксели. Я обычно усредняю набор темных кадров, чтобы сделать мастер-кадр и потом вычитаю его из всех моих сырых изображений.

Комета 2Р/Энке рядом с М31, ISO 800, Левый кадр - одиночный с выдержкой 60 секунд, правый - сложено три кадра по 180 секунд. Фотоаппарат Canon.

    Если Ваша оптическая система подвержена виньетированию (потемнение к краю поля), Вы также должны снять “плоские поля” – изображения равномерно освещенных сцен, таких как, например, сумеречное небо. Деление плоского поля на изображение сделает виньетированные пиксели более яркими. Это лучше всего сделать с помощью программного обеспечения специально предназначенного для обработки астрономических изображений. После калибровки Ваших изображений при помощи темных кадров (и плоских полей, если нужно), Вы можете выровнять и сложить (скомбинировать) их используя фоновые звезды как точки привязки. Это несложно сделать вручную, но это может быть жутко утомительно, если изображений много. ImagesPlus был специально разработан для автоматической калибровки сырых файлов широкоформатных цифровых камер. Любая из нескольких других программ обработки изображений, созданная для целей астрономии, также может сделать это более или менее автоматически. Как и исходные изображения, скомбинированные необходимо сохранять в высококачественном формате без сжатия, как, например, 16-битный TIFF, для сохранения как можно большего числа деталей и другой информации. Последующая обработка, как регулировка яркости, контраста и цветопередачи может быть произведена в Adobe Photoshop или любой программе обработки, идущей с Вашей камерой.
    Современные цифровые зеркальные камеры предоставляют все возможности традиционных пленочных зеркалок – и даже больше. Они стоят меньше, чем охлаждаемые астрономические ПЗС-камеры с чипом того же размера. Они могут использоваться как днем, так и ночью, и за один раз могут выдавать поражающие цветные портреты самых популярных дип-скай объектов. Присущие им ограничения легко обходятся правильным комбинированием выбора выдержки и мастерством компьютерной обработки. Означает ли это, что DSLR вытеснят все другие типы камер, используемых астрофотографами? Я так не думаю. Много профессиональных фотографов настаивают на том, что пленка никогда не уйдет совсем, и если так, то некоторые астрофотографы без сомнений будут продолжать ее использовать. А если Вы интересуетесь съемкой очень слабых дип-скай объектов, или используете узкополосые фильтры, или занимаетесь наукой – измерением периодов вращения астероидов, следите за близкими звездами на предмет прохождений по их дискам внесолнечных планет, или измеряете изменения блеска переменных звезд – Вам потребуются параметры, которые могут обеспечить только охлаждаемые монохромные ПЗС-камеры. Но если Вы, в основном, интересуетесь получением красивых снимков относительно ярких объектов космоса или не хотите возиться с компьютером в полевых условиях, DSLR-камеры могут стать билетом к великолепным результатам в астрофотографии.
Автор: Йоханнес Шедлер (Johannes Schedler, http://www.skyandtelescope.com/, www.panther-observatory.com.) 
Форсунки для жидкого топлива на на сайте подробнее
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru