Szum w astrofotografii

Szum w astrofotografii? W tym artykule omówiono przyczyny tego zjawiska

Szum stanowi jedno z największych wyzwań dla astrofotografów. Pomimo najnowocześniejszych technik, a nawet sztucznej inteligencji, pozostaje on uporczywym czynnikiem zakłócającym, który pogarsza jakość zdjęć. Ale co kryje się za tym zjawiskiem? Dlaczego się pojawia i jakie są jego rodzaje? W tym artykule omówimy rodzaje i przyczyny szumu oraz podamy praktyczne wskazówki, jak zoptymalizować swoje zdjęcia astronomiczne.

Czym jest szum?

Szum to przypadkowe wahania sygnału, które nie zawierają żadnych użytecznych informacji i pogarszają jakość obrazu. Objawia się on jako pozornie przypadkowe wahania jasności lub koloru, które nie są częścią fotografowanego obiektu. Stosunek sygnału do szumu (SNR) ma decydujące znaczenie dla jakości obrazu i oblicza się go w następujący sposób:

SNR = A_signal / σ_noise

Gdzie A_signal oznacza amplitudę sygnału zarejestrowanego przez czujnik, czyli średnią wartość sygnału, natomiast σ_noise określa niepożądany szum. Współczynnik SNR równy 1 oznacza, że sygnału nie da się odróżnić od szumu; za „dobrą” uważa się wartość SNR wynoszącą co najmniej 10. Informacja ta jest szczególnie przydatna przy wyborze gwiazd prowadzących. Nowoczesne oprogramowanie automatycznie oblicza „najlepsze” gwiazdy w polu widzenia na podstawie wartości FWHM (pełnej szerokości w połowie wysokości profilu gwiazdy) oraz współczynnika SNR.

Rodzaje szumów

W astrofotografii istotne są przede wszystkim trzy rodzaje szumu:

Szum ciemny (Dark Noise)

Szum ciemny to sygnał zakłócający powstający w wyniku wahań temperatury w czujniku. Wahania te „aktywują” czujnik i generują niepożądany szum, którego nie da się kontrolować. Podczas fotografowania należy uwzględnić czas naświetlania, ponieważ im dłuższy czas naświetlania, tym więcej wahań termicznych rejestruje czujnik. Szum ciemny jest silnie zależny od temperatury, dlatego obecnie stosuje się zaawansowane, chłodzone czujniki, które mogą zredukować ten szum do minimum.

Ponadto szum ciemności można jeszcze bardziej zredukować poprzez wykonanie tzw. klatek ciemnych. Klatki ciemne należy wykonać w takich samych warunkach jak właściwe klatki jasne, czyli przy takim samym czasie naświetlania, takim samym wzmocnieniu/ISO i takiej samej temperaturze.

Szum elektroniczny

Szum elektroniczny powstaje w wyniku przypadkowych błędów odczytu czujnika i wykazuje duże różnice w zależności od systemu. W przypadku czujników CCD każdemu pikselowi przypisuje się kwadratową zmienność średnią, nazywaną szumem odczytu. Szum elektroniczny ma szczególne znaczenie podczas fotografowania bardzo słabo widocznych obiektów, ponieważ może nakładać się na sygnały pochodzące od tych obiektów i zakłócać je.

Szum strzału lub szum kwantowy

Szum strzału, zwany również szumem kwantowym, jest prawdopodobnie najbardziej krytycznym z trzech rodzajów szumu. Powstaje on w wyniku dyskretnej natury światła, które składa się z fotonów. Liczba fotonów zarejestrowanych w czasie integracji „t” podlega rozkładowi statystycznemu liczby fotonów.

Aby to zilustrować, wyobraźmy sobie bardzo deszczowy dzień, w którym w dużym ogrodzie ustawiamy tysiąc wiaderek tej samej wielkości, aby zebrać wodę deszczową. Wiadra te stoją blisko siebie, podobnie jak piksele na czujniku astronomicznym. Liczymy, ile kropel deszczu wpada do każdego wiadra w określonym przedziale czasu. Liczba kropel w każdym wiadrze będzie się różnić; w jednym wiadrze może ich być 100, w innym 90, a może 110.

Im dłużej wiadra stoją na zewnątrz, tym więcej wody się w nich zbiera (pod warunkiem, że nie przelewają się!). Tak samo jest ze światłem: fotony nie padają równomiernie na każdy piksel czujnika, a liczba fotonów podlega rozkładowi statystycznemu. W przypadku światła monochromatycznego (np. z lasera) jest to zazwyczaj rozkład Poissona.

Biorąc pod uwagę kwantową naturę sygnału, liczba odliczeń wynosi:

Liczby = strumień fotonów × QE × t

gdzie „QE” oznacza wydajność kwantową czujnika, czyli procent światła przekształconego w sygnał, a „t” to czas integracji. Wynika z tego stosunek sygnału do szumu:

SNR ∝ √t

Wzór ten pokazuje, że im dłuższy czas integracji, tym wyższy stosunek sygnału do szumu i tym mniejszy poziom szumu. Chociaż jest to uproszczenie (ponieważ sygnały astrofizyczne mogą wykazywać bardziej złożone rozkłady), sedno pozostaje takie samo: chcesz, aby na zdjęciu było mniej szumu? W takim razie wydłuż czas integracji.

Wykonanie setek klatek ciemnych lub obrazów biasowych może zmniejszyć szum tylko w ograniczonym stopniu, ponieważ postrzegany szum wynika głównie z kwantowej natury światła. Aby uzyskać zdjęcie głębokiego nieba o niskim poziomie szumu, należy maksymalnie wydłużyć czas ekspozycji, w zależności od potrzeb. Jeśli na przykład ekspozycja obiektu trwała 2 godziny, dodatkowe 10 minut lub nawet godzina ekspozycji nie przyniesie znaczącej poprawy. W pierwszym przybliżeniu, aby uzyskać znaczącą poprawę, należy co najmniej podwoić czas ekspozycji. Oznacza to, że przy początkowej ekspozycji trwającej 2 godziny należy ją wydłużyć do co najmniej 4 godzin, aby osiągnąć zauważalny wzrost jakości.

W przypadku czasów ekspozycji wynoszących 20 godzin lub więcej może to stanowić problem, ale dzięki nowoczesnej technologii istnieją alternatywne rozwiązania. „Szybkie” teleskopy, takie jak niezwykle szybki teleskop firmy Omegon, skracają wymagany czas ekspozycji o połowę.

Wartość przysłony f/2,8 pozwala na skrócenie czasu naświetlania (choć nie oznacza to, że zbierana jest większa ilość światła – o tym decyduje średnica otworu przysłony). To tak, jakby po zmianie wiadra deszcz „magicznie” padał mocniej.

Podsumowanie

Istnieją różne źródła szumu, zasadniczo trzy główne rodzaje: szum ciemności, szum elektroniczny i szum kwantowy. Szum kwantowy zmniejsza się wraz ze wzrostem czasu integracji i, w przeciwieństwie do pozostałych dwóch, nie zależy od czynników właściwych dla samego urządzenia. Zatem ogólna zasada brzmi: dłuższy czas integracji = ładniejsze zdjęcia.

Życzę jasnych nocy i wielu sukcesów w astrofotografii!

Emanuele jest astrofotografem i studiuje fizykę na Uniwersytecie w Palermo.

Emanuele od najmłodszych lat pasjonuje się astronomią. Dziś jest utalentowanym astrofotografem, a jego zdjęcia są wysoko oceniane i publikowane w Internecie oraz magazynach branżowych. Jego studia i pasja gwarantują najlepsze doradztwo w zakresie specjalistycznych produktów związanych z astronomią amatorską!

Języki: włoski, angielski