Esposizione più lunga e ISO più bassi o esposizione più breve e ISO più alti: cosa offre risultati migliori quando si fotografano le stelle?


22

Mi diletto con i paesaggi notturni e la fotografia stellare con vari livelli di successo. So di non avere l'obiettivo ideale (Canon 17-40mm f4 su una Canon 6D) ma ho visto degli ottimi scatti fatti con la stessa attrezzatura. Ho anche una Canon 50mm f1.4 che è eccezionale ma non è abbastanza ampia.

Di solito scatto a f4, ISO 800-1600, riduzione del rumore a lunga esposizione attiva, 30 - 40 secondi. Trovo i risultati molto rumorosi e le stelle non abbastanza luminose . a 30 secondi le stelle non sono abbastanza luminose e a 40 secondi sono già in coda. Ecco uno dei miei tentativi.

Di recente ho visto alcune foto (esempi qui e qui ) che sono state catturate con tempi di esposizione più brevi ma ISO molto più alti (5000-6400)

Sto forse pensando che quando sono vicino a 40 secondi il sensore si sta riscaldando di più, il che sta causando più rumore? In particolare per le stelle della fotografia, i tempi di esposizione più brevi e gli ISO più elevati sono una formula migliore?

Risposte:


26

Il rumore è un fatto della vita quando si tratta di astrofotografia, con l'eccezione che le foto del cielo profondo sono impilate e scattate su un supporto di tracciamento (più in un momento).

La tua foto è in realtà un rumore molto basso, nel grande schema di scatti astrofotografici a campo singolo, che ho visto ... ma manca anche di saturazione. Penso che si tratti davvero di una questione di gusti, ma alla fine, in un modo o nell'altro, otterrai quasi la stessa quantità di rumore nelle tue fotografie indipendentemente dall'impostazione ISO. Se desideri ottenere la stessa quantità di saturazione, devi fare una delle due cose. O avrai bisogno di usare un'impostazione ISO più alta (ISO 3200, forse anche fino a 6400), o dovrai aumentare l'esposizione in post. La stragrande maggioranza del rumore nell'astrofotografia proviene dal rumore dei fotoni, quindi l'uso di un ISO più elevato equivale a un aumento dell'esposizione post-processo dal punto di vista del rumore.

Nella tua foto di esempio, hai uno scatto a campo singolo, a grande campo. Il tuo limite è un singolo fotogramma a causa del primo piano, a meno che tu non ricorra a trucchi più complessi in cui prendi più fotogrammi, ritaglia il cielo e impili quei fotogrammi per migliorare la saturazione del cielo. Certamente possibile ... anche molto lavoro. Come te, mi piacciono gli scatti di astrofotografia che includono parte del paesaggio in primo piano, quindi vale la pena provare qualche accatastamento parziale manuale per migliorare il tuo SNR.

Il calore contribuisce sicuramente al rumore durante le lunghe esposizioni. Non sono sicuro che 40 secondi siano abbastanza lunghi da produrre così tanto calore che il rumore termico diventa un fattore più significativo del rumore da fotone. Le vecchie DSLR avevano bolle termiche a causa del surriscaldamento di componenti quasi off-die ... quando si scattavano cornici scure, si potevano vedere chiaramente le aree agli angoli o lungo i bordi della cornice che avevano più rumore. Non ho mai visto un evento del genere con la mia 7D e ci sono momenti in cui ho scattato esposizioni lunghe 40-50 secondi a 16 mm.

Esistono modi per ridurre le varie fonti di rumore non fotoniche. I frame scuri e i frame Bias sono due. L'uso di fotogrammi scuri e diagonali è in genere realmente necessario solo quando si eseguono accatastamenti a esposizione multipla con uno strumento come Deep Sky Stacker . In generale, "Riduzione del rumore a lunga esposizione" all'interno della fotocamera sta semplicemente prendendo una cornice scura che viene sottratta in modo nativo dalla cornice chiara prima che venga salvata sulla scheda di memoria. Una singola cornice scura aiuterà a mitigare il rumore di lettura, ma non tanto quanto una cornice scura multi-esposizione correttamente impilata, come spiegato qui sul sito di DSS .


Va notato che la cosa più importante nell'astrofotografia è SNR, o rapporto segnale-rumore. Più è alto il tuo SNR per frame, migliori sono i risultati ... in pila o in altro modo. Potresti prendere 120 fotogrammi da 5 secondi o 5 fotogrammi da 120 secondi ... i cinque fotogrammi da 120 secondi produrranno sempre risultati migliori. Potresti anche prendere 500 fotogrammi da 5 secondi e i 5 fotogrammi da 120 secondi produrranno ancora un risultato più ricco, poiché il SNR per fotogramma è molto più alto. Ogni fotogramma contiene informazioni più ricche e complete che è improbabile che tu possa replicare completamente impilando esposizioni molto più brevi.

Il prossimo modo migliore per migliorare SNR è passare a una fotocamera con pixel più grandi. SNR per pixel è più alto con pixel più grandi, quindi su una base per pixel, i risultati dovrebbero essere migliori e con impostazioni ISO più elevate rispetto a una fotocamera con pixel più piccoli. Se dovessimo confrontare la 1D X e la 7D (entrambi i sensori da 18mp), i pixel più grandi della 1D X raccoglieranno 2,6 volte più luce. Stai già utilizzando la 6D, che è un'ottima fotocamera per l'astrofotografia grazie ai suoi pixel di grandi dimensioni e alle elevate prestazioni ISO elevate. Da un puro punto di vista SNR (basato su dati sensorgen.info), la 1D X a ISO 3200 supporta ~ 3 volte la saturazione per pixel, la 6D a ISO 3200 supporta ~ 2 volte la saturazione per pixel, come qualsiasi Canon APS-C da 18mp sensori.

Dato che stai già utilizzando la migliore fotocamera che probabilmente puoi ottenere da Canon per scopi di astrofotografia, l'unica altra cosa che puoi davvero fare è alzare l'ISO. Con impostazioni ISO inferiori, è presente più rumore di lettura. In particolare con Canon, più aumenti l'ISO, più basso è il contributo del rumore di lettura, al punto in cui alle impostazioni ISO più elevate, il rumore di lettura può essere di appena 1,3- per pixel (ben al di sotto del minimo piatto di ~ 3e - per la Sony Exmor trovata nella D800.)


Pertanto, poiché aumentare l'esposizione post-processo è lo stesso che aumentare ISO quando il rumore di lettura è così basso, per migliorare la saturazione del cielo e la luminosità delle stelle, utilizzare un'impostazione ISO più elevata. Hai detto di usare ISO 800-1600. Prova ISO 3200, 6400 ... forse anche 8000. L'idea generale è di ridurre il tuo punto di bianco in modo che la fotocamera utilizzi i suoi dispositivi elettronici per aumentare il segnale il più possibile prima di leggere, per ridurre al minimo l'impatto del rumore di lettura. Va notato che il potenziamento dell'esposizione di uno scatto ISO 800 in post in modo tale che assomigli a un'esposizione di ISO 6400 comporterebbe probabilmente PIÙ rumore, poiché il rumore letto a ISO 800 è più del doppio con l'impostazione ISO inferiore (5.1e - vs. 2.0e- secondo sensorgen.info.)


Per rendere le cose un po 'più chiare, ho disegnato un ipotetico scenario di astrofotografia. Questo scenario presuppone un'esposizione di 30 secondi a f / 4, eseguita una volta per ciascuna impostazione ISO da 100 a 12800, utilizzando una Canon 5D III. Il presupposto è che un'esposizione di 30s f / 4 a ISO 12800 determina i pixel più luminosi (stelle) che raggiungono il "punto di saturazione" (in altre parole, le stelle più luminose escono di bianco puro, come qualsiasi pixel rosso, verde e blu per quelle stelle raggiungono il livello massimo di carica). La stessa identica esposizione in tutte le altre impostazioni ISO comporterà un'esposizione al di sotto del punto di saturazione. Inoltre, viene dimostrata la differenza tra rumore di lettura e rumore di fotone.

Nel diagramma seguente, l'asse X lineare rappresenta ciascuna impostazione ISO e l'asse Y logaritmico rappresenta il livello di carica in elettroni (e-). Le linee rosse e verdi vengono disegnate per ciascuna impostazione ISO, con il rosso che rappresenta il rumore di lettura e il verde che rappresenta il punto di saturazione . La gamma dinamica è effettivamente il rapporto tra il punto di saturazione e il rumore di lettura (verde su rosso). Per ISO 100, il punto di saturazione è anche il livello letterale di carica massima del fotodiodo (FWC, o piena capacità del pozzo). Le barre blu rappresentano il segnale e la parte più scura della barra blu rappresenta il rumore intrinseco in quel segnale (rumore del colpo di fotone, che è la radice quadrata del segnale).

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Supponendo un'esposizione di 30s f / 4 che raggiunge la massima saturazione a ISO 12800, la carica di quel segnale è 520e- (secondo sensorgen.info). Pertanto, supponendo che la stessa esposizione sia utilizzata per tutte le altre impostazioni ISO ... il segnale, così come il rumore del fotone, sarà IDENTICO . (La carica nel fotodiodo è un prodotto della luce nel tempo ... che è influenzato SOLO dall'apertura e dalla velocità dell'otturatore.) Ciò che cambia quando riduciamo l'ISO è che il rumore di lettura inizia a salire. Poiché la scala è logaritmica, le impostazioni ISO da 800 a 12800 hanno poca differenza nel rumore di lettura (in particolare da 1600 a 12800). Una volta raggiunto ISO 400, il rumore di lettura inizia a salire al punto in cui è un rapporto maggiore del segnale complessivo rispetto al rumore dei fotoni.

La differenza chiave tra lo scatto a ISO 12800 e lo scatto a ISO 400 è il punto di saturazione (barre verdi). A ISO 12800, il rumore di lettura è basso e il segnale si satura, quindi avrai uno stretto, luminoso e colorato immagine fuori dalla fotocamera. A ISO 400, il segnale è una piccola frazione (520e-) del punto di saturazione (18273e-), e ciò richiederà un significativo aumento dell'esposizione in post per apparire uguale allo scatto ISO 12800. Se si scatta a ISO 400 e si corregge l'esposizione in post, il rumore complessivo costituisce un fattore significativo del segnale. Il rumore di fondo letto, al di sotto del quale in realtà non esistono informazioni utili, è alto quasi quanto il rumore dei fotoni. Un tale aumento dell'esposizione post-processo comporterebbe un elevato grado di banding e rumore di colore, probabilmente fino ai mezzitoni.

Per un esempio estremo, se si dovesse scattare a ISO 100, leggere il rumore diventa il principale contributore del rumore (in questo esempio particolare ... tenere presente, a ISO 100, l'immagine è gravemente sottoesposta rispetto al punto di saturazione.) Aumentare un'esposizione ISO 100 in questo caso (che, al fine di simulare ciò che ha prodotto lo scatto ISO 12800, dovrebbe essere un SIX STOP BOOST ) comporterebbe un notevole banding e rumore di colore. Il diagramma seguente mostra come il rumore, sia in lettura che in ripresa, viene amplificato correggendo l'esposizione in post per ISO 100-6400, al fine di abbinare l'esposizione ISO 12800:

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Ricorda che la scala qui è logaritmica, quindi la quantità di rumore per ogni impostazione ISO successivamente inferiore è esponenzialmente più alta dopo la correzione dell'esposizione in post.


1
Grazie per questa fantastica risposta Jon! Proverò questo nella prima notte chiara senza luna.
Jakub Sisak GeoGraphics,

Ho fatto l'astrofotografia con una 7D e una 5DII. Nella mia esperienza, la riduzione del rumore a lunga esposizione (sottrazione della cornice scura) è più efficace sull'FF. Non ho idea se si tratti di un confronto specifico tra queste due telecamere o una regola più generale per quanto riguarda i sensori FF vs. APS-C o più grandi rispetto a quelli più piccoli. LENR fa la differenza quando c'è segnale e rumore nell'immagine. (C'è una domanda qui in cui si giunge alla conclusione che non lo è. Le immagini sono state tutte prodotte con il copriobiettivo sulla fotocamera. NESSUN segnale! TUTTO il rumore! D'OH!)
Michael C

6.1 non è più grande di 33.1e- nello stesso modo in cui f / 1.2 è più grande di f / 22? Anche se non sono un esperto di fisica, sembra che man mano che il numero e si riduce, il numero ADU aumenta. Cosa mi sto perdendo qui? astrosurf.com/buil/50d/test.htm
Michael C

L'unità è in elettroni. Una carica virtuale di ~ 6.1 "elettroni" è una carica minore di 33.1 "elettroni". Dato che i pixel sono in realtà solo fotodiodi capacitivi che convertono in carica una certa percentuale di fotoni incidenti, un rumore di lettura maggiore (numero più alto) è generalmente peggiore. In termini di capacità massima del pozzo, come rapporti relativi, le due telecamere hanno un rumore di lettura simile "relativo" in lettura. Tuttavia, in termini assoluti, per ogni data quantità di incidente di luce su un pixel, la 7D in realtà funziona un po 'meglio nelle ombre profonde rispetto alla 5D III (un vantaggio che scompare rapidamente all'aumentare dell'esposizione.)
jrista

Grazie per le informazioni aggiuntive @jrista! Molto apprezzato! Proverò a scattare una foto @ 30s, f4 e le varie ISO e pubblicherò qui i risultati non elaborati.
Jakub Sisak GeoGraphics,

8

Non proverò nemmeno a soppiantare la risposta molto istruttiva e ben scritta di jrista. Copre molto bene le basi della fisica nella pipeline di imaging della telecamera . Vorrei aggiungere un'osservazione che potrebbe far luce sulla relazione tra stelle e rumore.

Se tutte le stelle nell'universo fossero ugualmente luminose, viste dalla superficie della Terra, il cielo notturno sarebbe bianco solido. Metti in pausa un momento e lascia che sprofonda. Ci sono pochissimi punti nel cielo, anche quando si utilizza il campo visivo più stretto disponibile, che è possibile puntare un telescopio altamente sensibile (come l'Hubble) a non rivelare una fonte di luce . Le aree "scure" più notevoli del cielo sono le nebulose che bloccano la maggior parte della luce delle stelle e delle galassie dietro di loro.

È vero che puoi fare cose per aumentare il SNR che ti consente di sviluppare le tue immagini in modo tale che le stelle siano più luminose rispetto al cielo più scuro che le circonda. Quando lo fai, però, aumenti anche la luminosità delle stelle più deboli che non erano più luminose del rumore prima di apportare tali regolazioni e aumenti anche il livello delle stelle anche più deboli che non erano nemmeno affatto visibili al punto in cui sono producendo ora la stessa quantità di segnale del rumore nell'immagine. Non importa quanto sia buono il numero SNR, ci saranno sempre alcune stelle che hanno la stessa luminosità del rumore.Le stelle più luminose, in termini di luminosità vista dalla Terra, sono le più rare e le stelle più scure sono di gran lunga le più numerose nel cielo notturno. Quindi, in un certo senso, aumentare il SNR durante l'acquisizione dell'immagine e quindi aumentare l'esposizione in post può rendere l'immagine più rumorosa ! Non perché c'è più rumore nell'immagine. Non c'è. Ma perché quelle stelle molto fioche che hai estratto dallo sfondo scuro sembrano essere rumore.

Penso che il segreto per le immagini a esposizione singola sia nella post-elaborazione. A dire il vero, massimizza il tuo SNR seguendo la risposta di jrista quando scatti le tue immagini. Ma prova anche questo nella post-elaborazione: una volta che hai le stelle più luminose nel modo desiderato, abbassa tutto al di sotto di un certo valore di luminanza fino al nero. Ridurre la saturazione del colore aiuterà anche a gestire il rumore di crominanza, che è il principale colpevole che vedo nella tua ottima immagine di esempio.


Grandi punti! Una nota: tieni presente che SNR e "aumentare l'esposizione" non sono la stessa cosa. Il SNR è una questione di aumento della quantità letterale di luce che raggiunge il sensore (esposizione più lunga alla stessa apertura, anche con l'uso di un innesto di tracciamento, se possibile), che avrà l'effetto di aumentare il numero di stelle il cui segnale supera quello di il pavimento del rumore di lettura. Inoltre, aumentando SNR migliorerà il segnale dell'immagine in relazione al rumore intrinseco (rumore da fotone) nel segnale. L'aumento del SNR ha l'effetto di ridurre l'impatto di TUTTE le forme di rumore.
jrista

Il potenziamento dell'esposizione, d'altro canto, sia attraverso l'aumento dell'ISO sia modificando l'esposizione in post, NON è lo stesso dell'aumento dell'SNR. Aumentare l'esposizione cambia semplicemente il punto bianco, senza cambiare affatto SNR. (La giusta e importante distinzione penso che debba essere chiara.)
jrista

Certamente non intendevo equiparare l'aumento del SNR e l'aumento dell'esposizione nella mia risposta, e non sono sicuro di averlo fatto. Proverò a modificarlo per rendere più chiara la distinzione. Ma molte volte l'obiettivo di trovare un SNR più elevato nell'astrofotografia è che l'esposizione / la luminosità possono essere aumentate in post senza amplificare il rumore oltre un livello accettabile.
Michael C

Penso che tu abbia questo all'indietro ... il punto di aumentare il SNR è ridurre la necessità di aumentare in post, preferibilmente al punto in cui non è necessario potenziare affatto (cioè impilare diverse esposizioni più lunghe in uno strumento come il DSS. )
jrista

Esistono due modi per aumentare il SNR: aumentare il segnale o ridurre il rumore. Quando l'SNR aumenta aumentando l'esposizione, si ha ragione. Ma qui stiamo discutendo di aumentare l'ISO per cercare di ridurre il rumore, che ci permetterà quindi di aumentare la luminosità delle stelle in post mantenendo il rumore a un livello gestibile.
Michael C,

3

Immagino che questo varierà da modello a modello, da fotocamera a fotocamera e anche in base alle condizioni di scatto. Avrei il rischio che in una notte fresca in cui il sensore di immagine è più freddo, avrai maggiore fortuna con una lunga esposizione mentre se è una notte calda, il sensore si riscalda più velocemente e ISO più elevati possono dare risultati migliori. Impilare come menzionato da Matt Grum è un'opzione anche in alcuni casi.

Personalmente, tendo a cercare di posizionarmi da qualche parte nel mezzo e basare l'ISO su qualsiasi cosa produca livelli accettabili di rumore e quindi utilizzare un'esposizione lunga quanto necessario. Sulla mia 5D Mark iii che finisce per essere da qualche parte nella gamma 5000-6400.


2

Non ho dati su dove esista il punto di crossover tra il vantaggio di ottenere più luce e lo svantaggio del rumore termico, tuttavia puoi ottenere il meglio da entrambi i mondi scattando più brevi esposizioni e impilandole nel software.

Esistono programmi progettati per fare ciò per l'astrofotografia che allineeranno anche le immagini in una pila che ha l'ulteriore vantaggio di evitare tracce di stelle. Dai un'occhiata a Deep Sky Stacker .


Grazie Matt - Mi piace anche catturare le funzionalità di primo piano insieme alle stelle. Se capisco che il raggruppamento corretto allineerà le stelle (poiché c'è un movimento da un fotogramma all'altro) nelle esposizioni multiple, quindi ritaglia l'immagine finale. L'impilamento non funziona solo per le stelle senza funzioni di primo piano fisse?
Jakub Sisak GeoGraphics,

@Jakub Non sono stato in grado di caricare la tua immagine di esempio, ma sì, se hai oggetti in primo piano e vuoi impilarli per un lungo periodo di tempo, dovrai mascherare il primo piano e gestirlo separatamente.
Matt Grum,

Grazie @Matt. Ho pensato tanto e Jon ha toccato anche questo nella sua risposta. Una volta perfezionato l'approccio di scatto singolo, voglio imparare a girare buoni sentieri (ho appena acquistato un telecomando per questo scopo) e quindi proverò anche "impilando e mascherando" - suppongo che potrei iniziare a sparare mentre c'è ancora un po ' un po 'di luce per ottenere una buona esposizione in primo piano sul livello in primo piano, quindi lasciare la fotocamera nella stessa posizione e attendere fino al buio per riprendere le esposizioni multiple per lo sfondo sovrapposto.
Jakub Sisak GeoGraphics,

Oppure potresti usare il flash o il light painting per i tuoi scatti in primo piano dopo il tramonto. I risultati sembreranno molto più naturali che combinare un primo piano illuminato dal crepuscolo con un cielo scuro.
Michael C,

Effettuare esposizioni brevi multiple in rapida successione non ha molti, se del caso, vantaggi rispetto a una singola esposizione lunga per quanto riguarda il riscaldamento del sensore perché il sensore non si reimposta a una temperatura più fredda tra ogni scatto. Lo stesso rumore di lettura e pixel caldi verranno ripetuti in ogni fotogramma. Che accatastamento significa contribuire ad eliminare il rumore è casuale fotone / colpo.
Michael C,
Utilizzando il nostro sito, riconosci di aver letto e compreso le nostre Informativa sui cookie e Informativa sulla privacy.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.