Exposición más larga y menor ISO o menor exposición y mayor ISO: ¿qué ofrece mejores resultados al fotografiar estrellas?

He estado incursionando en paisajes nocturnos y fotografía de estrellas con diferentes niveles de éxito. Sé que no tengo la lente ideal (Canon 17-40 mm f4 en un cuerpo Canon 6D), pero he visto algunas excelentes fotos con el mismo equipo. También tengo una Canon 50mm f1.4 que es genial, pero no es lo suficientemente ancha.

Por lo general, disparo a f4, ISO 800-1600, reducción de ruido de exposición larga activada, 30 - 40 segundos. Los resultados me parecen muy ruidosos y las estrellas no son lo suficientemente brillantes . a los 30 segundos las estrellas no son lo suficientemente brillantes y a los 40 segundos ya se están arrastrando. Aquí está uno de mis intentos.

Recientemente vi algunas fotos (ejemplos aquí y aquí ) que se capturan en tiempos de exposición más cortos pero con un ISO mucho más alto (5000-6400)

¿Estoy pensando que cuando estoy cerca de 40 segundos el sensor se está calentando más, lo que está causando más ruido? Específicamente para las estrellas de fotografía, ¿es el mejor tiempo de exposición y un ISO más alto una mejor fórmula?

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

Su foto es en realidad de muy bajo ruido, en el gran esquema de tomas de astrofotografía de un solo cuadro de campo amplio que he visto ... pero también carece de saturación. Creo que realmente se trata de una cuestión de gustos, pero en última instancia, de una forma u otra, obtendrá aproximadamente la misma cantidad de ruido en sus 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 tan alta como 6400), o tendrá que aumentar la exposición en la publicación. La gran mayoría del ruido en la astrofotografía proviene del ruido de 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 campo amplio y fotograma único. Estás limitado a un solo cuadro debido al primer plano, a menos que recurras a trucos más complejos donde tomas múltiples cuadros, recortas el cielo y apilas esos cuadros para mejorar la saturación del cielo. Ciertamente posible ... también mucho trabajo. Al igual que usted, me gustan las fotos de astrofotografía que incluyen parte del paisaje en primer plano, por lo que vale la pena intentar un apilamiento parcial manual para mejorar su SNR.

El calor sin duda contribuye al ruido durante las exposiciones prolongadas. No estoy seguro de que 40 segundos sean lo suficientemente largos como para producir tanto calor que el ruido térmico se convierta en un factor más significativo que el ruido de disparo de fotones. Las DSLR más antiguas solían tener burbujas térmicas debido al sobrecalentamiento de los componentes cercanos a la matriz ... al tomar marcos oscuros, se podían ver claramente las regiones en las esquinas o en los bordes del marco que tenían más ruido. Nunca he visto tal ocurrencia con mi 7D, y hay momentos en que he tomado exposiciones de 40-50 segundos de largo a 16 mm.

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

Cabe señalar que lo más importante en astrofotografía es la SNR, o la relación señal / ruido. Cuanto mayor sea su SNR por cuadro, mejores serán los resultados ... apilados o no. Puede tomar 120 cuadros de 5 segundos, o 5 cuadros de 120 segundos ... los cinco cuadros de 120 segundos siempre producirán mejores resultados. Incluso podría tomar 500 fotogramas de 5 segundos, y los 5 fotogramas de 120 segundos seguirán produciendo un resultado más rico, ya que la SNR por fotograma es mucho mayor. Cada cuadro contiene información más rica y completa que es poco probable que pueda replicar completamente al apilar exposiciones mucho más cortas.

La siguiente mejor manera de mejorar la SNR es pasar a una cámara con píxeles más grandes. La SNR por píxel es mayor con píxeles más grandes, por lo que, por píxel, sus resultados deberían ser mejores y con una configuración ISO más alta que con una cámara que tiene píxeles más pequeños. Si tuviéramos que comparar el 1D X y el 7D (ambos sensores de 18mp), los píxeles más grandes del 1D X reunirán cada uno 2.6x más luz. Ya está utilizando la 6D, que es una cámara muy buena para la astrofotografía gracias a sus píxeles grandes y su excelente rendimiento ISO alto. Desde un punto de vista SNR puro (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 aumente el ISO, menor será la contribución del ruido de lectura, hasta el punto en que con la configuración ISO más alta, el ruido de lectura puede ser tan pequeño 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 la exposición después del proceso es lo mismo que aumentar la 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 leer, para minimizar el impacto del ruido de lectura. Cabe señalar que aumentar la exposición de una toma ISO 800 en la publicación de manera que se asemeje a una exposición de ISO 6400 probablemente resultaría en MÁS ruido, ya que el ruido de lectura en ISO 800 es más del doble en la configuración ISO más baja (5.1e - vs. 2.0e- según sensorgen.info.)

Para aclarar las cosas un poco, he diagramado un escenario hipotético de astrofotografía. Este escenario supone una exposición de 30 segundos a f / 4, realizada una vez para cada configuración ISO desde 100 hasta 12800, usando 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 salen de color 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 diagrama a continuación, el eje X lineal representa cada ajuste ISO, y el eje Y logarítmico representa el nivel de carga en electrones (e-). Se dibujan líneas rojas y verdes para cada configuración ISO, con el rojo que representa el ruido de lectura y el verde que 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 en esa señal (ruido de disparo de fotones, que es la raíz cuadrada de la señal).

Suponiendo una exposición de 30s f / 4 que alcanza la saturación máxima a ISO 12800, la carga de esa señal es 520e- (según sensorgen.info). Por lo tanto, suponiendo que se use exactamente la misma exposición para todos los demás ajustes ISO ... la señal, así como el ruido de los fotones, será IDÉNTICA . (La carga en el fotodiodo es un producto de la luz con el tiempo ... que se ve afectada 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 800 a 12800 tienen poca diferencia en el ruido de lectura (particularmente 1600 a 12800). Una vez que alcanzamos ISO 400, el ruido de lectura comienza a elevarse hasta el punto en que es una mayor proporción de la señal general que el ruido de fotones.

La diferencia clave entre disparar a ISO 12800 y disparar a 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 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 publicación para que se vea igual que la toma ISO 12800. Si uno dispara a ISO 400 y corrige la exposición en la publicación, el ruido general constituye un factor significativo de la señal. El piso de ruido de lectura, debajo del cual no existe información útil de manera efectiva, es casi tan alto como el ruido de disparo de fotones. Tal aumento de la exposición posterior al proceso daría como resultado un alto grado de bandas y ruido de color, probablemente hasta los tonos medios.

Para un ejemplo extremo, si uno disparara a ISO 100, el ruido de lectura se convierte en el principal contribuyente del ruido (en este ejemplo particular ... tenga en cuenta que, en ISO 100, la imagen está severamente subexpuesta en relación con el punto de saturación). Impulsar una exposición ISO 100 en este caso (que, para simular lo que produjo la toma ISO 12800, tendría que ser un SEXTO DETENCIÓN DE IMPULSO ) daría lugar a bandas significativas y ruido de color. El siguiente diagrama muestra cómo se amplifica el ruido, tanto de lectura como de disparo de fotones, corrigiendo 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 más alta después de la corrección de la exposición posterior.

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

Si todas las estrellas en el universo fueran igualmente brillantes como se ve desde la superficie de la Tierra, el cielo nocturno sería de un blanco sólido. Pausa un momento y deja que se hunda. Hay muy pocos puntos en el cielo, incluso cuando utilizas el campo de visión más estrecho disponible, a los que puedes apuntar un telescopio altamente sensible (como el Hubble) para que no revele 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 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 dichos ajustes y también eleva el nivel de estrellas aún más tenues que ni siquiera eran visibles hasta el punto de que son ahora produce la misma cantidad de señal que el ruido en la imagen. No importa cuán bueno sea el número 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 más tenues son 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 parezca 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 para las imágenes de exposición única está en el procesamiento posterior. 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 desea, baje todo a un 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 modelo a modelo, de cámara a cámara e incluso según las condiciones de disparo. Me arriesgaría a que en una noche fría donde el sensor de imagen se enfríe más, tendrá más 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 Matt Grum mencionó es una opción en algunos casos también.

Personalmente, tiendo a tratar de establecer un lugar en el medio y basar el ISO en lo que produce niveles de ruido aceptables y luego usar la exposición tanto tiempo como sea necesario. En mi 5D Mark iii que termina en algún lugar en el rango 5000-6400.

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

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