Астрофотография для начинающих

Астрофотография — это вид астрономических наблюдений, при которых происходит фото- или видеосъемка космических объектов. Первоначально телескоп применялся для наблюдений глазом, но после изобретения фоточувствительных материалов появились специализированные телескопы, предназначенные для астрофотографии — астрографы. У них вместо окуляра в фокальной плоскости располагалась фотопластинка, на которую проецировалось изображение небесного тела. Фактически астрографом может называться любой телескоп, приспособленный для получения снимков. Для удержания объекта на достаточном фокусном расстоянии, чтобы избежать тряски, стоит заранее позаботиться о качественной монтировке для астрофотографии.

Первый в мире снимок Луны через телескоп был получен в марте 1840 года американским фотографом Джоном Уильмом Дрейпером. В качестве астрографа он применил телескоп с апертурой 13 см, а в качестве фоточувствительного материала использовалась металлическая пластина, покрытая слоем йодистого серебра.

Первый снимок Луны Уильяма Дрейпера

Джон Уильм Дрейпер

Фотопластинки и фотопленка на протяжении долгого времени применялись в астрономии, пока постепенно не оказались вытесненными цифровыми фотоприемниками — ПЗС и КМОП-матрицами.

Существует несколько видов астрофотографии:

• съемка планет, Луны, Солнца;
• съемка слабосветящихся объектов (галактики, туманности, звездные скопления);
• съемка астрономических пейзажей.

Еще несколько десятков лет назад электронные матрицы были дорогим и специфическим устройством. Сейчас же практически в каждом доме есть цифровой фотоаппарат либо в качестве самостоятельного устройства, либо встроенный в телефон, планшет и т. д.

Цифровая зеркальная камера

Астрономическая камера

Помимо бытовых фотокамер, в продаже есть специализированные астрономические камеры. Специфика их такова, что они не могут работать автономно, у них нет встроенного объектива и батареи, а для съемки с их помощью необходим компьютер. При этом астрономические камеры записывают изображение без сжатия, что улучшает видимость мелких деталей и позволяет корректно провести калибровку — процедуру вычитания шума и коррекции неравномерности освещенности кадра (виньетирования).

Несжатые снимки занимают большой объем памяти. Например, минута несжатого видео в разрешении 3000 х 2000 со скоростью записи 50 кадров в секунду и разрядностью 8 бит занимает 18 гигабайт.

Скорость съемки — это число кадров, которое камера успевает записать за одну секунду. Скорость съемки также обозначается буквами fps (frames per second). При съемке планет и Луны используют скорость записи от 30 до 100 кадров в секунду.

Высокая скорость записи повышает вероятность съемки «спокойной» атмосферы, но при этом растет объем записываемых данных, уменьшается выдержка и возникает необходимость повышать усиление камеры. При спокойной атмосфере скорость записи можно немного снизить.

Размер пикселя — это размер фотодиода матрицы, фиксирующего световое излучение. Обычно он измеряется в микронах. Чем меньше размер пикселя, тем меньше света он собирает.

Размер пикселя матриц некоторых фотокамер

Матрицы астрономических камер могут быть цветными и монохромными. В монохромной матрице изображение получается бесцветным, каждый пиксель создает фрагмент изображения.

Цветная и монохромная матрицы

Есть несколько типов цветных матриц, однако наиболее распространена матрица с фильтром Байера. Перед каждым монохромным пикселем в определенной последовательности наносятся красные, зеленые и синие светофильтры. Каждый из пикселей фиксирует только определенный цвет. Чтобы получить цветное изображение, вычисляют недостающие цвета в каждом пикселе. Это делается при помощи специальных алгоритмов или интерполяции.

Чтобы получить цветной снимок монохромной камерой, последовательно делают три снимка объекта через красный, зеленый и синий светофильтры. После этого происходит соединение трех снимков в один с формированием цветного изображения.

Снимок Юпитера через монохромную камеру с красным фильтром и через цветную камеру (красный канал)

Снимок Юпитера через монохромную камеру с красным фильтром и через цветную камеру

Полученный материал с цветной камеры проще обрабатывать, так как сразу можно получить цветное изображение. Для специализированной съемки (например, в ультрафиолетовых или инфракрасных лучах) больше подходит монохромная камера.

Также дорогостоящие астрокамеры оснащаются системой охлаждения и стабилизации температуры, благодаря чему «шумность» матрицы значительно снижается. Для лунно-планетной съемки охлаждение не нужно.

В матрице Байера красных и синих пикселей в два раза меньше, чем зеленых, поэтому изображение в зеленом канале более четкое и не такое «шумное».

Для уменьшения шумов и выделения полезного сигнала применяется сложение изображений одного и того же объекта.

Формирование цветного изображения