"Цифромыльница" в астрофотографии

...Ну, может и не совсем уж "мыльница" - как раз на вопросах выбора фотоаппарата и расчета параметров съемки мне и хотелось бы остановиться в этой заметке.

Я около полугода использую Nikon CoolPix 4300 и самодельный 150-мм телескоп на монтировке Добсона из оптики телескопа ТАЛ-2, и эти инструменты себя отлично зарекомендовали.

1. Преимущества цифрового фотоаппарата

Недорогой цифровой фотоаппарат, на мой взгляд, по многим параметрам является оптимальным решением для любителя - в отличие от Web-камеры, он не нуждается в компьютере во время съемки, позволяет получать снимки с высоким разрешением, гибко изменять параметры съемки. В то же время такие аппараты намного дешевле цифровых зеркалок и в отличие от них позволяют легко фокусироваться по изображению на экране дисплея, имеют меньший вес и габариты. О пленочных фотоаппаратах вопрос отдельный - они хороши на длительных выдержках, но крайне неудобны при окулярной съемке, особенно недорогие модели, вроде отечественных "Зенитов". Вибрации, возникающие при подъеме зеркала и срабатывании затвора практически не позволяют использовать их при съемке с большими эквивалентными фокусными расстояниями на коротких выдержках.

Конечно, цифровой фотоаппарат, даже самый дешевый, обладает всеми плюсами цифрового устройства - простота и оперативность обработки информации, отсутствие потерь при переводе в цифровую форму и никаких затрат на расходные материалы.

2. Выбор фотоаппарата

Я не ставил своей целью подробный обзор цифровых фотоаппаратов и их сравнение; выбор модели - дело довольно субъективное, ведь он наверняка будет использоваться не только для астросъемки, для меня же основными критериями были следующие:

-наличие ручных режимов съемки. Это обязательное условие, так как в автоматическом режиме можно сфотографировать только достаточно яркие и крупные объекты - Луна, Солнце... и все, пожалуй.

-матрица 3-4МП. Критерий более субъективный, многие получают отличные снимки и на 2-Мегапиксельных аппаратах, но ведь это уже вчерашний день, даже для получения качественного снимка формата 10х15 желательно снимать на 3-Мегапиксельную камеру. В то же время 5-Мегапиксельные аппараты заметно дороже, не давая особых преимуществ.

-качество оптики и матрицы. Так как недорогие цифровые фотоаппараты оснащаются несъемными объективами, на качество оптики стоит обратить особое внимание. Традиционно славятся объективы фирмы Leica, применяемые в фотоаппаратах Panasonic, резкую и четкую картинку обеспечивают объективы Nikon, Carl Zeiss. К сожалению, у меня не было возможности лично протестировать качество объективов, замечу только, что не стоит гнаться за сильным увеличением - такие объективы в среднем дают более "замыленную" картинку, а при использовании телескопа большой зум не нужен.

Очень важный параметр матрицы - уровень шумов. Шум матрицы заключается в случайном изменении сигнала, считываемого с элемента матрицы и выглядит как набор пестрых точек, хорошо заметных при увеличении фотографии. Шум присутствует на снимке всегда, он зависит от установленной чувствительности матрицы, выдержки, окружающей температуры. Естественно, чем меньше шумы - тем лучше, но тестирование этого параметра затруднено, так как требует обеспечения одинаковых условий съемки (включая температуру) для всех снимков. Подробнее на этом вопросе я остановлюсь несколько позже.

-возможность использования пульта дистанционного управления. Это тоже очень важное условие - ручное нажатие спуска слишком часто приводит к смазыванию изображения, использование же автоспуска затрудняет наведение, снижает темп съемки, не позволяет производить съемку сериями. Пульты бывают различных типов - как электронные (например, Nikon), так и инфракрасные (FujiFilm), некоторые фотоаппараты комплектуются ими по умолчанию. Электронные пульты могут заметно увеличить стоимость комплекта, так как их цена достигает $100 и даже выше. Как вариант, иногда возможно использование подключенного к фотоаппарату компьютера в качестве пульта ДУ (Canon, Nikon), но это мне кажется неудобным, так как требует выносить на наблюдения еще и ноутбук.

-возможность крепления насадок на объектив. Важны даже не сами насадки (которые, впрочем, тоже могут оказаться весьма полезными), а возможность закрепить фотоаппарат на телескопе строго соосно окуляру, что необходимо для получения качественного невиньетированного изображения. Лучше, если резьба нарезана не на объективе, а на корпусе фотоаппарата, в кольце вокруг объектива (такую резьбу имеют, например, Canon A80, Nikon CoolPix 4300, FujiFilm S5000) Если такой резьбы на корпусе фотоаппарата нет, придется изготавливать специальное крепление для штатной резьбы, предназначенной для крепления к штативу и тщательно выставлять ось фотоаппарата после каждой установки его на телескоп.

-цена. На сегодняшний день (лето 2004г.) вполне пригодный для астросъемки фотоаппарат можно приобрести примерно за $280..$350.

3. Оптическая схема и расчет ее параметров

Так как фотоаппарат имеет несъемный объектив, фотографирование возможно в режиме окулярной камеры (см. рис). При этом объектив работает в наиболее оптимальном режиме, так как сфокусирован на "бесконечность", а качество изображения мало зависит от небольших случайных смещений фотоаппарата. Все расчеты приведены именно для этой схемы.

Расчет характеристик окулярной камеры начнем с определения размера матрицы фотоаппарата. Обычно матрица маркируется неким типоразмером, ничего общего с реальным размером не имеющим - соответствие приведено в таблице:

обозначение	размер, мм
1/3.6'	4.0 × 3.0
1/3.2'	4.54 × 3.42
1/3'	4.8 × 3.6
1/2.7'	5.27 × 3.96
1/2'	6.4 × 4.8
1/1.8'	7.18 × 5.2
2/3'	8.8 × 6.6
1'	12.8 × 9.6
4/3'	18.0 × 13.5

Характеристики фотоаппаратов Nikon CoolPix можно уточнить по приведенной таблице: http://e2500.narod.ru/coolpix.htm

Параметры фотоаппаратов Nikon Coolpix

Линейная разрешающая способность матрицы определяется размером пиксела, который можно легко получить, разделив размер матрицы по высоте или ширине на соответствующее количество пикселей.

Например, для фотоаппарата Nikon CoolPix 4300 типоразмер матрицы 1/1.8' , что соответствует линейным размерам 7.18мм × 5.2мм, максимальное разрешение снимка в пикселах составляет 2272×1704, тогда размер пиксела

Масштаб изображения на матрице определяется эквивалентным фокусным расстоянием системы, которое рассчитывается по формуле:

Зная F_экв и ℓ, угловое разрешение окулярной камеры можно определить как

По аналогичной формуле определяется и размер поля зрения камеры, только вместо размера пиксела ℓ в формулу подставляется линейный размер матрицы, т.е.

Это размер поля зрения камеры, однако реальное поле зрения всей системы может ограничиваться и полем зрения окуляра. Его можно определить, разделив видимое поле зрения окуляра, обычно указываемое в его характеристиках, на увеличение или приблизительно рассчитать по формуле

Чтобы весь собранный телескопом свет попал на матрицу фотоаппарата, необходимо, чтобы выходной зрачок телескопа полностью "провалился" в диафрагму объектива фотоаппарата, т.е. он должен быть совмещен с диафрагмой и иметь меньший линейный размер. Здесь все аналогично расчету равнозрачкового увеличения при визуальных наблюдениях.

Размер выходного зрачка телескопа равен

Линейный размер диафрагмы фотоаппарата (диаметр входного отверстия) определяется как

Таким образом, минимальное полезное увеличение телескопа достигается при D_ф = d_вых. Это увеличение и соответствующее ему фокусное расстояние окуляра можно определить по формулам:

Обратите внимание, действующее отверстие фотоаппарата D_ф не постоянно, его необходимо вычислять для каждого значения фокусного расстояния объектива. Действующий диаметр может увеличиться, например, при увеличении f_ф (так происходит в Nikon 4300) и это является еще одним доводом для применения зума при окулярной съемке.

К сожалению, рассчитать правильное взаимное расположение окуляра и фотоаппарата достаточно сложно и легче подобрать его экспериментально. Обычно объектив фотоаппарата приходится располагать почти вплотную к окуляру, и только для длиннофокусных окуляров с вынесенным зрачком фотоаппарат придется отодвинуть на 1-2 см. Естественно, окуляр и объектив фотоаппарата должны быть соосны.

Если минимальное увеличение определяется из условий получения невиньетированного изображения, то максимальное увеличение ограничивается разрешающей способностью телескопа. Обычно считается, что для выявления наиболее тонких деталей изображения дифракционный кружок на снимке должен иметь размер в 2-3 пиксела. Зная разрешающую способность своего телескопа α (приближенно можно принять α = 120" / D(мм) ), можно определить максимальное эквивалентное фокусное расстояние

Большее эквивалентное фокусное расстояние применять не имеет смысла, так как никаких новых деталей это выявить не позволит, но уменьшит поле зрения и поверхностную яркость изображения (а, следовательно, потребует увеличения выдержки или чувствительности матрицы, что приведет к увеличению уровня шумов).

Выполнив эти расчеты для телескопа ТАЛ-2 и фотоаппарата Nikon CoolPix 4300 получим:

Обратите внимание, что изменение увеличения от минимума до максимума практически соответствует диапазону изменения фокусного расстояния фотоаппарата, что позволяет применять всего один окуляр с фокусным расстоянием 17..20мм

Осталось рассмотреть еще одно возможное ограничение, возникающее при использовании телескопа без часового привода. При неподвижном телескопе максимальное смещение объекта на матрице фотоаппарата за время экспозиции не должно превышать размера пиксела. Для определения максимальной выдержки достаточно перевести рассчитанную ранее угловую разрешающую способность системы в единицы времени:

Эти расчеты справедливы для наихудшего случая - когда светило находится вблизи небесного экватора, если же склонение светила δ велико, время экспозиции можно увеличить обратно пропорционально cos(δ).

4. Параметры фотосъемки

Выше были определены характеристики оптической схемы и связанные с ней ограничения, однако при съемке приходится учитывать и множество специфических особенностей фотоаппарата. Во-первых необходимо правильно выбрать режим съемки. Полностью автоматический режим применяется крайне редко, так как далеко не всегда автоматика фотоаппарата способна справится с такими нестандартными условиями съемки. Это же касается и сюжетных режимов. Наибольшую гибкость и стабильность результатов обеспечивает ручной режим. Да, приходится вручную выставлять параметры экспозиции (выдержка и диафрагма), о которых в бытовой съемке задумываться обычно не приходится. Но это не так сложно - в качестве первого приближения можно использовать данные автоматического замера, только нужно сделать поправку при съемке небольших ярких объектов (планет) - даже при использовании точечного замера размер зоны определения экспозиции намного больше диаметра планеты и ее изображение получится передержанным. В любом случае можно легко уточнить экспозицию, сделав парочку пробных кадров.

Чувствительность матрицы лучше выбирать минимально возможную - эта рекомендация определяется характеристиками шумов матрицы фотоаппарата. Для сравнения привожу участки тестовых снимков серого поля (снималось небо) и темновых кадров для Nikon 4300 для различных выдержек и чувствительности матрицы. Обратите внимание на достаточно яркие цветные точки, хорошо заметные на снимках при ISO200 и, особенно, ISO400. (Снимки получены при температуре около 20°C, 2272×1704, сжатие NORMAL, без дополнительной обработки; вырезаны участки в правом-верхнем углу снимка. Для облегчения сравнения можно увеличить контрастность приведенных фрагментов в любом графическом редакторе)

ISO 100	ISO 200	ISO 400

Шумы на темновых кадрах обусловлены в основном нагревом матрицы и различием физических характеристик пикселей. Они практически не мешают при окулярной съемке, но наиболее заметны на больших выдержках (тестовые кадры получены при выдержке 8s). Кроме того, эти шумы носят неслучайный характер, что позволяет снизить и их влияние. Достаточно при фотографировании снять темновой кадр с теми же параметрами, которые использовались для съемки объекта, и вычесть его из каждой фотографии. Эту операцию позволяют выполнить большинство специализированных программ, наиболее распространенными из которых являются K3CCDTools и Registax.

Шумы, заметные на фотографиях серого поля обусловлены ошибками при считывании и усилении сигнала, они случайны, проявляются и на малых выдержках (снимки серого поля сделаны с выдержками от 1/250s при ISO400 до 1/60s при ISO100). Именно эти шумы наиболее мешают при окулярной съемке. Из тестовых снимков видно, что при одинаковой экспозиции для уменьшения шумов выгоднее снимать при меньшей чувствительности матрицы. Однако влияние этих шумов тоже можно уменьшить - для этого необходимо получить несколько кадров наблюдаемого объекта и сложить их - при этом общие для всех изображений участки будут усилены, шумы же по сравнению с полезным сигналом окажутся ослаблены.

Для получения нескольких (желательно, как можно больше) кадров за минимальное время лучше использовать режим серийной съемки, спуск производится с помощью пульта ДУ. Однако максимальное время съемки серии не должно превышать время, при котором может сказаться собственное вращение планеты, вращение поля зрения при использовании горизонтальной монтировки или при неточной установке полярной оси телескопа.

Наибольшие проблемы при съемке вызывает процесс фокусировки. Я использовал для этого максимальный цифровой зум фотоаппарата, фокус которого устанавливался на бесконечность, после фокусировки окуляром зум убирался до нужной величины. При съемке Луны и Солнца достаточно эффективным оказался автофокус, его применение заметно упростило съемку, но все же желательно снимать несколько серий, так как возможны ошибки (а при съемке серий фокусировка сохраняется по первому кадру), да и резкость из-за влияния атмосферы колеблется от кадра к кадру в пределах серии. Мне обычно удавалось найти несколько достаточно резких кадров после съемки 2-3 серий по 5-7 кадров.

Из оставшихся важных настроек фотоаппарата стоит отметить уровень сжатия (не экономьте на качестве снимков!), режим усиления резкости (обязательно отключите его, если понадобится - всегда можно применить соответствующий фильтр в Фотошопе), автоматический выбор лучшего кадра и автобрекетинг (тоже лучше не использовать)

5. Первые результаты

После покупки фотоаппарата вполне естественным было мое желание проверить, на что он способен. Не имея еще никакого крепления аппарата к телескопу, я попробовал снимать, просто держа в руках фотоаппарат и прислоняя его к окуляру. К моему удивлению, даже в таких примитивных условиях мне сразу удалось получить неплохие фотографии, во всяком случае, они превосходили те, что я получал с помощью web-камеры (подробнее - в разделе "Фотогалерея").

Однако очевидное неудобство съемки заставило заняться изготовлением крепления (на фото слева - первый вариант такого крепления, вырезанный из 1.5-мм алюминия, справа - выточенный из алюминия переходник с окуляра на резьбу насадок на объектив). Приобретенный в это же время пульт дистанционного управления позволил снимать серии (Nikon4300 способен снимать с частотой около 3 кадров в 2 секунды, маловато, конечно, но все же...). Это позволило, во-первых экономить время и снимать больше кадров (особенно для быстро меняющегося Юпитера), во-вторых, отсутствие случайных поворотов изображения сделали возможным последующее суммирование снимков в программах K3CCDTools и Registax. К сожалению, эти программы не способны скомпенсировать вращение поля зрения, которое неизбежно появляется при съемке с монтировкой Добсона, поэтому серии снимков не удается сделать достаточно длинными.

крепление на пластине	переходник на окуляр

Хочу обратить внимание, что теоретические выкладки, приведенные выше, отнюдь не являются жесткой догмой, а требуют вдумчивого и творческого применения. Например, при съемке Луны и Солнца, вполне можно применять и увеличения, значительно меньше расчетных, это, правда, не позволит повысить поверхностную яркость объекта, так как будет эквивалентно диафрагмированию главного зеркала телескопа, но для таких ярких объектов это не страшно, а иногда может быть и полезным, несколько уменьшив влияние атмосферной турбуленции. При съемке Венеры я, напротив, применял значительно большие увеличения для облегчения фокусировки и снижения поверхностной яркости планеты, затем снимки уменьшались при обработке.

Я не буду подробно останавливаться на вопросах цифровой обработки снимков (а она необходима для получения хороших результатов!) - это отдельная тема,по которой ведется активное обсуждение на форумах "Звездочет" и "Общей астрономической конференции".

Надеюсь, эта заметка поможет начинающим любителям выбрать цифровой фотоаппарат и наиболее полно использовать его возможности. О всех замечаниях и обнаруженных ошибках прошу писать по адресу