Exposición más larga e ISO más bajo o exposición más corta e ISO más alto: ¿qué da mejores resultados al fotografiar estrellas?

El ruido es un hecho de la vida cuando se trata de astrofotografía, con la excepción de las fotos apiladas de cielo profundo tomadas en una montura de seguimiento (más en un momento).

Su foto es en realidad con muy poco ruido, en el gran esquema de campo amplio, tomas de astrofotografía de un solo cuadro que he visto... pero también carece de saturación. Creo que todo se reduce a una cuestión de gustos, pero en última instancia, de una forma u otra, obtendrás aproximadamente la misma cantidad de ruido en tus fotografías, independientemente de la configuración ISO. Si desea lograr la misma cantidad de saturación, debe hacer una de dos cosas. Necesitará usar una configuración ISO más alta (ISO 3200, tal vez incluso hasta 6400), o tendrá que aumentar la exposición en la publicación. La gran mayoría del ruido en la astrofotografía proviene del ruido del disparo de fotones, por lo que usar un ISO más alto es lo mismo que un aumento de la exposición posterior al proceso desde el punto de vista del ruido.

En su foto de ejemplo, tiene una toma de un solo cuadro de campo amplio. Está limitado a un solo cuadro debido al primer plano, a menos que recurra a trucos más complejos en los que toma varios cuadros, recorta el cielo y apila esos cuadros para mejorar la saturación del cielo. Ciertamente posible... también mucho trabajo. Al igual que a usted, me gustan las tomas de astrofotografía que incluyen parte del paisaje en primer plano, por lo que vale la pena probar el apilamiento parcial manual para mejorar su SNR.

El calor es sin duda un factor que contribuye al ruido durante exposiciones prolongadas. No estoy seguro de que 40 segundos sea suficiente para producir tanto calor que el ruido térmico se convierta en un factor más importante que el ruido de los disparos de fotones. Las DSLR más antiguas solían tener burbujas térmicas debido al sobrecalentamiento de los componentes cercanos al troquel... al tomar marcos oscuros, podías ver claramente las regiones en las esquinas oa lo largo de los bordes del marco que tenían más ruido. Nunca había visto algo así con mi 7D, y hay ocasiones en las que he tomado exposiciones largas de 40-50 segundos a 16 mm.

Hay formas de reducir las diversas fuentes de ruido no fotónicas. Los marcos oscuros y los marcos Bias son dos. El uso de marcos oscuros y sesgados generalmente solo es realmente necesario cuando se realiza un apilamiento de exposición múltiple con una herramienta como Deep Sky Stacker . En términos generales, la "Reducción de ruido de exposición prolongada" en la cámara en realidad solo toma un cuadro oscuro que se sustrae de forma nativa del cuadro claro antes de guardarlo en la tarjeta de memoria. Un solo marco oscuro ayudará a mitigar parte del ruido de lectura, pero no tanto como un marco oscuro de exposición múltiple correctamente apilado, como se explica en el sitio de DSS aquí .

Cabe señalar que lo más importante en astrofotografía es SNR, o relación señal-ruido. Cuanto mayor sea su SNR por fotograma, mejores serán los resultados... apilados o no. Podría tomar 120 fotogramas de 5 segundos, o 5 fotogramas de 120 segundos... los cinco fotogramas de 120 segundos siempre producirán mejores resultados. Incluso podría tomar 500 fotogramas de 5 segundos, y los 5 fotogramas de 120 segundos aún producirán un resultado más rico, ya que la SNR por fotograma es mucho más alta. Cada cuadro contiene información más rica y completa que es poco probable que alguna vez replique por completo acumulando exposiciones mucho más cortas.

La siguiente mejor manera de mejorar la SNR es cambiar a una cámara con píxeles más grandes. La SNR por píxel es más alta con píxeles más grandes, por lo que, por píxel, sus resultados deberían ser mejores y con configuraciones ISO más altas que con una cámara que tiene píxeles más pequeños. Si tuviéramos que comparar la 1D X y la 7D (ambos sensores de 18 mp), los píxeles más grandes de la 1D X reunirán cada uno 2,6 veces más luz. Ya estás usando la 6D, que es una muy buena cámara para astrofotografía gracias a sus píxeles grandes y su excelente rendimiento ISO alto. Desde un punto de vista puro de SNR (basado en datos de sensorgen.info), el 1D X en ISO 3200 admite ~3 veces la saturación por píxel, el 6D en ISO 3200 admite ~2 veces la saturación por píxel, como cualquiera de los 18mp APS-C de Canon sensores

Dado que ya está utilizando la mejor cámara que probablemente pueda obtener de Canon para fines de astrofotografía, lo único que realmente puede hacer es aumentar el ISO. En configuraciones ISO más bajas, hay más ruido de lectura. Particularmente con Canon, cuanto más aumenta el ISO, menor es la contribución del ruido de lectura, hasta el punto en que, con la configuración ISO más alta, el ruido de lectura puede ser tan bajo como 1.3e por píxel (muy por debajo del mínimo plano de ~3e). - para el Sony Exmor que se encuentra en la D800.)

Por lo tanto, dado que aumentar el posprocesamiento de la exposición es lo mismo que aumentar el ISO cuando el ruido de lectura es muy bajo, para mejorar la saturación del cielo y el brillo de las estrellas, use una configuración ISO más alta. Dijiste que usas ISO 800-1600. Pruebe ISO 3200, 6400... tal vez incluso 8000. La idea general es reducir su punto blanco de modo que la cámara use su electrónica para aumentar la señal tanto como sea posible antes de la lectura, para minimizar el impacto del ruido de lectura. Debe tenerse en cuenta que aumentar la exposición de una toma ISO 800 en la posproducción para que se asemeje a una exposición ISO 6400 probablemente generaría MÁS ruido, ya que el ruido de lectura en ISO 800 es más del doble en la configuración ISO más baja (5.1e - frente a 2.0e- según sensorgen.info.)

Para hacer las cosas un poco más claras, he diagramado un escenario hipotético de astrofotografía. Este escenario asume una exposición de 30 segundos a f/4, realizada una vez para cada configuración ISO de 100 a 12800, utilizando una Canon 5D III. La suposición es que una exposición de 30s f/4 a ISO 12800 da como resultado que los píxeles más brillantes (estrellas) alcancen el "punto de saturación" (en otras palabras, las estrellas más brillantes aparecen en blanco puro, como cualquier píxel rojo, verde y azul para esas estrellas alcanzan el nivel máximo de carga). La misma exposición exacta en todos los demás ajustes ISO dará como resultado una exposición por debajo del punto de saturación. Además, se demuestra la diferencia entre el ruido de lectura y el ruido de disparo de fotones.

En el siguiente diagrama, el eje X lineal representa cada configuración ISO y el eje Y logarítmico representa el nivel de carga en electrones (e-). Se dibujan líneas rojas y verdes para cada configuración ISO, donde el rojo representa el ruido de lectura y el verde representa el punto de saturación . El rango dinámico es efectivamente la relación entre el punto de saturación y el ruido de lectura (verde sobre rojo). Para ISO 100, el punto de saturación es también el nivel de carga de fotodiodo máximo literal (FWC, o capacidad total del pozo). Las barras azules representan la señal y la parte más oscura de la barra azul representa el ruido intrínseco de esa señal (ruido de disparo de fotones, que es la raíz cuadrada de la señal).

Suponiendo una exposición de 30 s f/4 que alcanza la saturación máxima en ISO 12800, la carga de esa señal es 520e- (según sensorgen.info). Por lo tanto, suponiendo que se utilice exactamente la misma exposición para todos los demás ajustes ISO... la señal, así como el ruido de los fotones, serán IDÉNTICOS . (La carga en el fotodiodo es un producto de la luz a lo largo del tiempo... que se ve afectado SOLO por la apertura y la velocidad del obturador). Lo que cambia a medida que reducimos el ISO es que el ruido de lectura comienza a aumentar. Dado que la escala es logarítmica, las configuraciones ISO de 800 a 12800 tienen poca diferencia en el ruido de lectura (particularmente de 1600 a 12800). Una vez que alcanzamos ISO 400, el ruido de lectura comienza a aumentar hasta el punto en que es una proporción mayor de la señal general que el ruido de fotones.

La diferencia clave entre disparar con ISO 12800 y disparar con ISO 400 es el punto de saturación (barras verdes). En ISO 12800, el ruido de lectura es bajo y la señal se satura, por lo que tendrá una imagen brillante y colorida directamente fuera de la cámara. En ISO 400, la señal es una pequeña fracción (520e-) del punto de saturación (18273e-), y esto requerirá un aumento significativo de la exposición en la posproducción para que luzca igual que la toma ISO 12800. Si uno dispara a ISO 400 y corrige la exposición en la posproducción, entonces el ruido general constituye un factor significativo de la señal. El nivel mínimo de ruido de lectura, por debajo del cual no existe efectivamente información útil, es casi tan alto como el ruido de disparo de fotones. Tal aumento de exposición posterior al proceso daría como resultado un alto grado de bandas y ruido de color, probablemente hasta los medios tonos.

Para un ejemplo extremo, si se disparara a ISO 100, el ruido de lectura se convierte en el principal contribuyente del ruido (en este ejemplo en particular... tenga en cuenta que a ISO 100, la imagen está severamente subexpuesta en relación con el punto de saturación). Aumentar una exposición ISO 100 en este caso (que, para simular lo que produjo la toma ISO 12800, tendría que ser un IMPULSO DE SEIS PARADAS ) daría como resultado un ruido de color y bandas significativo. El siguiente diagrama demuestra cómo el ruido, tanto de lectura como de disparo de fotones, se amplifica al corregir la exposición en la publicación para ISO 100 - 6400, para que coincida con la exposición ISO 12800:

Recuerde que la escala aquí es logarítmica, por lo que la cantidad de ruido para cada configuración ISO sucesivamente más baja es exponencialmente mayor después de la corrección de exposición en la publicación.

Ni siquiera voy a tratar de suplantar la respuesta muy informativa y bien escrita de jrista. Cubre muy bien las bases de la física en la canalización de imágenes de la cámara . Me gustaría agregar una observación que puede arrojar algo de luz sobre la relación entre las estrellas y el ruido.

Si todas las estrellas del universo fueran igualmente brillantes vistas desde la superficie de la Tierra, el cielo nocturno sería blanco sólido. Haga una pausa por un momento y deje que eso se hunda. Hay muy pocos puntos en el cielo, incluso cuando se usa el campo de visión más estrecho disponible, a los que puede apuntar un telescopio altamente sensible (como el Hubble) que no revelará una fuente de luz . Las áreas "oscuras" más notables del cielo son las nebulosas que bloquean la mayor parte de la luz de las estrellas y las galaxias detrás de ellas.

Es cierto que puede hacer cosas para aumentar la SNR que le permitan desarrollar sus imágenes de tal manera que las estrellas sean más brillantes en comparación con el cielo más oscuro que las rodea. Sin embargo, cuando hace eso, también aumenta el brillo de las estrellas más tenues que no eran más brillantes que el ruido antes de realizar tales ajustes y también eleva el nivel de estrellas aún más tenues que ni siquiera eran visibles hasta el punto de que son ahora produciendo la misma cantidad de señal que el ruido en la imagen. No importa cuán bueno sea el número de SNR, siempre habrá algunas estrellas que tengan el mismo brillo que el ruido.Las estrellas más brillantes, en términos de su brillo visto desde la Tierra, son las más raras y las estrellas más tenues son, con mucho, las más numerosas en el cielo nocturno. Entonces, de alguna manera, aumentar la SNR durante la captura de imágenes y luego aumentar la exposición en la publicación puede hacer que la imagen se vea más ruidosa . No porque haya más ruido en la imagen. no hay Pero debido a que esas estrellas muy tenues que sacaste del fondo oscuro parecen ser ruido.

Creo que el secreto de las imágenes de exposición única está en el posprocesamiento. Para estar seguro, maximice su SNR siguiendo la respuesta de jrista cuando tome sus imágenes. Pero también intente esto en el posprocesamiento: una vez que tenga las estrellas más brillantes de la manera que las quiere, baje todo lo que esté por debajo de un cierto valor de luminancia hasta el negro. Reducir la saturación de color también ayudará a lidiar con el ruido de crominancia, que es el principal culpable que veo en su muy buena imagen de ejemplo.

Supongo que esto variará de un modelo a otro, de una cámara a otra e incluso según las condiciones de disparo. Me arriesgaría a que en una noche fría donde el sensor de imagen se enfríe más, tendrá mejor suerte con una exposición prolongada, mientras que si es una noche calurosa, el sensor se calentará más rápido y un ISO más alto puede dar mejores resultados. Apilar, como mencionó Matt Grum, también es una opción en algunos casos.

Personalmente, tiendo a tratar de establecer un punto intermedio y basar el ISO en lo que produzca niveles aceptables de ruido y luego usar una exposición tan larga como sea necesario. En mi 5D Mark iii, eso termina estando en algún lugar en el rango de 5000-6400.

No tengo ningún dato sobre dónde existe el punto de cruce entre la ventaja de ganar más luz y la desventaja del ruido térmico, sin embargo, puede obtener lo mejor de ambos mundos tomando múltiples exposiciones cortas y apilándolas en el software.

Hay programas diseñados para hacer esto en astrofotografía que también alinearán las imágenes en una pila, lo que tiene el beneficio adicional de evitar los rastros de estrellas. Echa un vistazo a Deep Sky Stacker .