Сколько кадров нужно? Прямой ответ

Стандартный совет звучит так: «снимайте как можно больше». Он не столько неверен, сколько бесполезен: он не помогает спланировать сессию, понять, когда остановиться, и объяснить, почему два часа на прошлой неделе дали лучший результат, чем три на этой.

Прямой ответ есть, и он следует из одного соотношения.

Арифметика

Сигнал накапливается линейно с числом кадров. Шум случаен, частично гасится и растёт только как квадратный корень. Поэтому отношение сигнал/шум улучшается как √N.

Из этого следуют выводы, которые многих удивляют:

Кадров	Улучшение относительно одного кадра
4	2×
16	4×
64	8×
256	16×
1024	32×

Каждое удвоение качества стоит вчетверо больше кадров.

Поэтому переход от 10 кадров к 40 сильно меняет картинку, а от 200 к 260 незаметен. Вы добавили 30 % данных ради улучшения на 14 %, а 14 % меньше того, что глаз надёжно замечает на фотографии. Ничего не сломалось, просто улучшение слишком мало, чтобы его увидеть.

Практическое правило: чтобы увидеть заметный шаг вперёд, планируйте увеличить число кадров вчетверо. Если 50 кадров дали что-то приличное, следующий видимый уровень будет на 200, а не на 70.

Шум считывания определяет длину саба

Второй источник шума так не усредняется. Каждое считывание сенсора добавляет фиксированный штраф, и он не зависит от выдержки. 5-секундный кадр и 500-секундный платят его по одному разу.

Поэтому при заданном суммарном накоплении шум считывания пропорционален тому, на сколько кусков вы его разрезали:

• 90 минут как 540 × 10-секундных сабов → 540 порций шума считывания
• 90 минут как 18 × 5-минутных сабов → 18 порций

Света столько же, а штраф за считывание примерно в тридцать раз меньше.

Поэтому установка с гидированием обходит смарт-телескоп на слабых объектах при одинаковом суммарном времени. Она не собирает больше фотонов. Она гораздо реже считывает сенсор.

Так что используйте самый длинный саб, который ваша монтировка надёжно ведёт. Это вопрос механики, а не обработки, и на слабых объектах он важнее всего остального.

Ограничение с другой стороны очевидно. Смазанный 300-секундный кадр ничего не стоит, а потерянный кадр обходится дороже чуть более шумного. Найдите длину, при которой доля годных кадров остаётся высокой, и держитесь её.

Сколько это «достаточно»

Грубые рабочие числа при нормальном небе:

Яркие объекты (ядро Ориона, Плеяды, центр Андромеды, Луна): двадцать-пятьдесят кадров дают хороший результат. Они достаточно яркие, чтобы вы не боролись с шумовым порогом, и больше времени даёт мало.

Средние объекты (большинство галактик и туманностей Мессье): от ста до трёхсот. Здесь кривая √N заметно работает, и каждый дополнительный час ещё виден.

Слабые объекты (внешние области туманностей, интегрированные потоковые туманности, слабые приливные хвосты): от пятисот и выше, хотя здесь длина саба и качество неба важнее количества. Если вы ограничены шумом считывания или небом, одни лишь кадры не спасут.

Планеты снимаются в другом режиме. Вам нужны тысячи, потому что большую часть вы выбросите. Lucky imaging оставляет самую резкую долю, так что 5000 кадров при 10 % дают 500 хороших, и работу здесь делает отбор, а не интеграция.

Три предела и как их различить

Добавление кадров помогает, только если вас ограничивают именно кадры. Три частых предела связаны с другим.

Шум считывания. При очень коротких сабах шумовой порог задаётся считыванием, а не фотонами неба. Больше кадров всё ещё помогает, но медленно, и каждый раз вы платите фиксированную цену. Симптом: долгое накопление, упорно шумный фон, короткие сабы. Решение: более длинные сабы, а не больше сабов.

Небо. Под ярким небом доминирует фон, и слабый сигнал может так и не подняться над ним. Отношение сигнал/шум всё ещё растёт как √N, но √N от неразличимого остаётся неразличимым. Симптом: яркий фон и слабые области, которые не появляются, сколько ни накапливай. Решение: более тёмное небо или узкополосные фильтры, отсекающие большую часть засветки.

Выравнивание. Если выравнивание оставляет ошибки в полпикселя, новые кадры добавляют ещё больше слегка смещённых данных. Стек становится глаже, но не резче. Симптом: шум падает с ростом числа кадров, но детали не улучшаются, а звёзды мягкие так, как фокус не объясняет. Решение: проверьте, что выравнивание учитывает поворот. Это важно на каждой азимутальной монтировке, включая все смарт-телескопы.

Последний вариант проверьте до того, как винить небо. Он выглядит в точности как плохой сиинг, и люди теряют на нём целые сезоны.

Проверка, которая решает вопрос за один прогон

Сложите свою сессию. Затем сложите половину (каждый второй кадр) и сравните оба результата при одинаковой растяжке.

• Со всеми кадрами явно лучше: кадры помогают. Снимайте больше.
• Почти неотличимо: вы упёрлись в один из трёх пределов выше. Больше кадров этого не исправит, меняйте что-то другое.

Это стоит одного лишнего прогона обработки и говорит больше любого эмпирического правила, потому что измерено на ваших данных, вашем небе и вашем оборудовании.

Отбраковке нужен минимум

Одна вещь зависит именно от количества: отбраковка выбросов.

По восьми кадрам распределение не оценить. Любой метод клиппинга работает по слишком малой выборке, и агрессивная отбраковка выбрасывает настоящий сигнал под видом удаления выбросов. Изображение выглядит чистым, но в нём незаметно не хватает слабых деталей. Оно не выглядит сломанным, только слегка пустым, и ничто на экране не объясняет почему.

Практические пороги:

• Меньше 8 кадров: простое усреднение или медиана. Смиритесь со следами спутников, безопасно отбросить их нельзя.
• От 8 до 15: винзоризованный клиппинг, который подтягивает выбросы к основной массе, а не отбрасывает их.
• Больше 15: обычный сигма-клиппинг становится безопасным.
• Больше 15 при меняющейся прозрачности: клиппинг по линейной аппроксимации, который ожидает плавный дрейф по стеку и отбрасывает только то, что от него отклоняется.

Последний случай стоит знать. Когда наползают высокие облака или объект опускается к куполу засветки, кадры и правда различаются. Сигма-клиппинг считает кадры на краях диапазона выбросами, а самые тёмные из них часто оказываются самыми прозрачными кадрами ночи. Вы теряете лучшие данные из-за метода, который счёл их ошибочными.

Итак, сколько

• Сначала длина саба: самая длинная, которую монтировка надёжно ведёт. Она определяет шум считывания, а он важнее всего на слабых объектах.
• Потом количество, шагами в четыре раза: 50 → 200 → 800. Добавить 20 % ещё не план.
• Не меньше 15 кадров, если нужна нормальная отбраковка выбросов.
• Проверяйте тестом с половиной стека, а не верьте на слово ничему из сказанного выше, включая эту статью.

Если половина стека выглядит так же, как целый, следующую ясную ночь лучше потратить на другой объект, а не на добавку к этому.