Константин Миронов

Искусство слабого сигнала

Что такое астрофотография? Чем она отличается от обычной? Почему очень часто требует фантастически дорогого оборудования?

Наверное, наиболее правильным будет дать такое определение: «Астрофотография – это искусство слабого сигнала». Нахождение способов зарегистрировать эти чрезвычайно тусклые небесные объекты, отделить их от шума и показать красиво и привлекательно. Мало того, что небесные объекты, за редким исключением, имеют очень низкую поверхностную яркость, так расположены ещё и на вращающемся небосклоне. И для того, чтобы делать длинные выдержки, нужно «вести» объект с высокой точностью. Это тоже отдельная инженерная задача.

Таким образом, телескоп для астрофотографии (но не для солнечной, лунной и планетной) должен быть:

- максимально большого диаметра

- максимальной светосилы

- максимально механически совершенен и устойчив.

Рассмотрим для примера телескоп «Мастер» Коуровской астрономической обсерватории (восьмиметровые телескопы в Чили и на Гаваях рассмативать не будем :)). Этот телескоп, спроектированный для широкоугольных обзоров неба, имеет довольно сложную зеркально-линзовую систему, обеспечивающую при диаметре 400 мм. фокусное расстояние 1000 мм, т.е. диафрагменное число 2,5 – это очень хороший показатель. Он имеет плоское поле зрения диаметром 70 мм – опять-таки, это весьма и весьма здорово для астрофотографии. Телескоп полностью роботизирован, т.е. он наводится на объект, фокусируется, снимает калибровки и сами объекты без участия человека – оператор может просто дома у себя сидеть и им управлять по интернету. Кроме того, телескоп двойной, его оси могут быть как строго параллельными, так и немного разводиться. Сделано это как для того, чтобы можно было быстрее получать обзор протяжённой области неба, так и для того, чтобы можно было одновременно снимать какой-либо объект в разных спектральных диапазонах.

Для съёмки применяется профессиональная астрономическая матрица Apogee Alta U16M. Размер сенсора 36х36 мм, 16 мегапикселей.  Чем она отличается от матриц, к примеру, полнокадровых зеркалок?

1. Так называемой «квантовой эффективностью». Это просто КПД матрицы, параметр, показывающий, какая доля падающей на неё энергии превращается в полезный сигнал. Для такой матрицы QE составляет до 61% (в среднем по всем длинам волн около 50%), реально у полнокадровых зеркалок хорошо если 10%.
2. Гораздо меньшим уровнем шума.
3. Большим динамическим диапазоном.
4. Честным 16-битным АЦП.
5. Отсутствием каких-либо фильтров перед матрицей, сильно ухудшающих резкость на бытовых зеркалках.
6. Матрица чёрно-белая, а не цветная, байеровская, соответственно, нет никакой цветовой интерполяции, к получению информационно насыщенного изображения никакого отношения не имеющей.
7. Матрица имеет возможность охлаждаться до температуры -30С от температуры окружающей среды, что даёт возможность сильно уменьшать её шумы.

Как происходит получение изображения? Любой считанный с матрицы сигнал состоит из полезного сигнала и шумов. Последние подразделяются на постоянные (битые пикселы, дефекты матрицы, неравномерность её чувствительности) и случайные (тепловое движение электронов). Постоянную часть можно зарегистировать и вычесть, со случайной нужно бороться (увеличением физического размера пиксела матрицы, её охлаждением). Кроме того, есть статистический закон, согласно которому при многократной экспозиции полезный сигнал растёт линейно, а случайный шум – пропорционально квадратному корню из числа экспозиций. Поскольку смысл визуально восприятия картинки в достаточно высоком отношении сигнал/шум, то этот параметр растёт как квадратный корень из числа экспозиций.
Съёмка всегда ведётся за каким-нибудь светофильтром, помещаемым перед матрицей. Фильтры бывают весьма разные и используются для разных целей. Кадр, представленный ниже, снимался за синим фильтром, чтобы подчеркнуть спиральную структуру галактики, в рукавах которых много голубых свёзд.
Давайте посмотрим, как получается изображение на примере съёмки галактики М51 «Водоворот». Этот кадр взят как весьма технически сложный и иллюстративный.
Итак, первым делом (можно даже и в сумерках) снимается так называемый «флэт». Это распределение яркости изображения равномерного белого фона, снятого инструментом. Нормированный флэт – это такой флэт, самая яркая часть которого равна единице, а те области, которые темнее, меньше единицы (я стараюсь излагать максимально упрощённо, без формул). Картинка с виньетированием – частный случай такого флэта, в действительности он сложнее – внутри телескопа много чего навешано. Выглядит флэт примерно так:

После этого снимается «дарк». Это кадр с закрытым затвором, но строго при той же температуре матрицы и выдержке. Выглядит он так:

После этого делается серия снимков объекта. Каждый кадр получается примерно такой:

Съёмка производится в формат *.fits – это тот же *.tiff, но только «с плавающей запятой», т.е. разрядность изображения будет такой, сколько полезного сигнала там накопилось.

Далее идёт долгий и скучный процесс обработки. Из каждого кадра математически вычитается дарк, потом делится на «плоское поле» - нормированный флэт. Картинка получается такая:

Ещё после этого изображения выравниваются (потому что вовсе не всегда они снимаются идеально ровно и вообще в одно время). Хорошо, если это удаётся сделать автоматически :).

Далее картинки просто алгебраически суммируются. Здесь просуммировано 80 изображений, т.е отношение сигнал/шум увеличилось раз в 9, что хорошо видно ниже.

Всю эту канитель проводят, конечно же, не в фотошопе, а в специализированных астрономических программах. К примеру, Maxim DL.

Поскольку обычно в ярких местах уровень сигнала высокий, то файл получается 32-битный. Смотреть на такой – удовольствия немного. И вот только теперь на помощь приходит старый добрый фотошоп, который поможет сделать из HDR-картинки простую, красивую, 8-битную. Я обычно использую плагин HDR Efex Pro, он обладает гибким инструментарием по «вытаскиванию» подробностей изображения.

Вот, в общем-то, и всё. Можно скадрировать и подкрасить картинку в синий цвет )

12690     создана 11 apr, 2012

   32