Почему на космических фотографиях не видно звёзд?

в 9:00, , рубрики: reddit, астрономия, звезды, космос, фотография, Фототехника

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 1

Один из вопросов, постоянно появляющийся в теме реддита "Космос": «Почему на фото не видно звёзд?» Обычно это фотографии с высадок на Луну миссий «Аполло» или со спутников Земли, но иногда это фотки Юпитера или Луны. В последнее время тут проскакивало много фотографий Falcon Heavy Starman.

Я всё говорил себе о том, что мне надо написать объяснение для непрофессионалов, но у меня вечно не хватало времени. И вот, наконец, меня довели – один комментарий с вопросом, заданным в миллионный раз, наконец, убедил меня сделать это. И теперь, когда кто-то спрашивает об этом, я могу просто дать ему ссылку сюда.

Итак, вот оно. Объяснение того, почему на многих космических фотографиях не видно звёзд, с точки зрения фотографа.

Основы: камеры и экспозиционные числа

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 2

В фотокамере свет проходит через линзы и попадает на датчик, или, в стародавние времена – на плёнку. На сенсоре расположены миллионы маленьких фотоэлементов, собирающих частицы света, фотоны. Если всё немного упростить, то каждый из фотоэлементов соответствует пикселю на конечном изображении, а яркость этого пикселя определяется количеством собранных фотонов. На итоговой фотке тёмные области соответствуют тем местам, в которых с сенсором столкнулось меньше фотонов, а светлые – тем, где фотонов было больше. Вы можете представлять себе их, как кучку вёдер, собирающих фотоны – ведро, собравшее больше фотонов, будет иметь более светлый оттенок на итоговом изображении.

Количество света, попадающего на сенсор, измеряется в экспозиционных числах, каждое последующее из которых удваивает или уполовинивает количество света. Интуитивно это можно представить себе в виде выдержки. Оставляя затвор открытым на период вдвое больший, вы соберёте вдвое больше света в каждое ведёрко. На следующем изображении видно, что это означает. Каждый шаг примерно равен одному дополнительному экспозиционному числу. Выдержка указана внизу.

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 3

Удваивание времени открытия затвора меняет его с 1/500 до 1/250 секунды. Ещё одно удваивание даёт 1/125 секунды. Это экспонента в квадрате. Экспозиция в 1/125 находится в двух шагах от 1/500, но собирает в четыре раза больше света. Ещё одно удвоение, до экспозиции в 1/60 (это приближённые цифры) означает три шага, но в восемь раз больше света. Получается, что на изображении слева направо выполняется увеличение попадание света, равное четырём экспозиционным ступеням – то есть, правая фотография получила в 24, то есть, в 16 раз больше света, чем левая.

Кроме выдержки, в камере есть ещё два способа изменить количество света, попадающего на фотоматрицу – изменить апертуру линз или ISO. Апертура – размер отверстия, через которое проходит свет.

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 4

На числа не обращайте внимания, просто учтите, что чем больше апертура, тем больше через неё проходит света. ISO измеряет чувствительность камеру к свету, и действует примерно так же, как экспозиционные числа – ISO 200 в два раза чувствительнее, чем ISO 100, а ISO 4000 в два раза чувствительнее ISO 200.

Динамический диапазон

На изображении, демонстрирующем разные выдержки, на самой правой фотографии видно, что на ярких участках – небе и облаках – почти невозможно различить детали, они выглядят просто, как белое пятно. Количество яркости, которое способны воспринять сенсоры камеры, ограничено, и самая большая яркость на фото выглядит, как белый цвет. Как только фотоэлемент достигает этого уровня экспозиции, увеличение количества приходящих в него фотонов не даст увеличения яркости. Если представлять себе фотоэлементы в виде ведёрок, то когда ведёрко наполнится, попытка добавить в него дополнительных фотонов не сделает его более полным. Когда яркость сцены выводит фотоэлементы за этот предел, в результате получаются большие белые засветы без всяких деталей – именно это и показано на фото выше.

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 5

На этой фотографии работающих на МКС космонавтов можно увидеть засветы. На скафандре и ящике с инструментами у астронавта, повёрнутого к камере спиной, есть большие участки чисто белого цвета, а ещё их можно заметить на самых ярких частях МКС вверху фотографии.

С другой стороны, у фотоэлементов есть и нижний предел распознавания света. Фотоэлементы, не уловившие достаточного количества фотонов, будут представлены на фото чёрными пикселями. Уменьшение количества света до значений ниже этого предела не сделает пиксель темнее, он и так уже максимально тёмный. Нельзя получить более пустое ведро, чем абсолютно пустое.

Участки изображения, оказавшиеся темнее этого предела, будут выглядеть как чёрные пятна без деталей.

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 6

На этой фотографии третьей ступени и лунного модуля «Сатурн-5» можно увидеть много теневых участков.

Яркостное расстояние между самым тёмным чёрным и самыми яркими белым называется динамическим диапазоном. Он обозначает диапазон яркости, в котором камера сможет запечатлеть детали изображения. Всё, что ниже этого диапазона, будет на фото чёрным, а всё, что выше – белым.

У современных цифровых камер динамический диапазон измеряется 10-15 экспозиционными ступенями. Можете ознакомиться со списком динамических диапазонов самых качественных цифровых камер. Экспозиционные ступени обозначены в списке, как Evs [exposure value]. У плёнки примерно такой же динамический диапазон.

Поскольку динамический диапазон меняется как степень двойки, разница в интенсивности света между чёрными и белыми пикселями камеры с 15 экспозиционными ступенями будет равна 215, или 32 768. Ещё один способ обозначить этот динамический диапазон – это 32 768:1, что означает, что верхний предел запечатления деталей до засветки в 32 768 раз больше нижнего предела, на котором фотоэлемент не срабатывает.

Фото в дневном свете

Одна важная вещь, которую нужно понять про фотографии луны и планет, включая Землю, состоит в том, что они освещаются дневным светом и демонстрируют дневную сторону объекта. Иначе говоря, объект освещается солнечными лучами.

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 7

На этой фотографии Земли показана дневная сторона Земли, повёрнутая к солнцу.

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 8

Это фото с места посадки «Аполло-15» – дневное фото. Вы могли решить, что это ночное фото, поскольку небо тёмное, и это Луна, которую видно ночью – но фото сделано на стороне Луны, обращённой к солнцу, и яркость там такая же, как на Земле днём.

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 9

Это дневная фотография Юпитера. Она не ночная. Небо тёмное, и Юпитер можно увидеть в ночном небе, но это фото демонстрирует дневную сторону планеты, повёрнутую к Солнцу. То же самое верно для недавнего запуска SpaceX Tesla – автомобиль был освещён солнцем.

Сравнение дневных фотографий и фотографий звёздного света

Теперь, когда у нас есть все нужные знания, начнём разбираться в том, как сравнивать фотки Земли и Луны в дневном свете с фотками звёзд ночью. Сначала посмотрим, какие настройки были использованы во время миссий «Аполло» и других фотографий астрономических объектов при дневном свете и наземных фотографий. Затем мы посмотрим на настройки, использованные при съёмке звёзд. Наконец, мы введём различные настройки в калькулятор, и увидим, сколько экспозиционных ступеней находится между фотографиями звёзд с правильной экспозицией и фотографиями с «Аполло» и другими дневными фотографиями астрономических объектов.

Если мы обнаружим, что разница в экспозиционных ступенях превышает 15, это будет означать, что камеры, снимающей такие вещи в космосе, как дневная сторона луны, Земля или другие планеты, или такие объекты в дневном свете, как Tesla, не смогут сделать изображения звёзд. Также вспомним, что 15 – максимальная разница между самыми яркими и самыми тёмными оттенками в камере, поэтому функциональное количество экспозиционных ступеней между объектом и самыми тёмными частями будет меньше, поскольку обычно для объекта съёмки выбирается экспозиция со средней яркостью, а не с максимальной. На фото Земли выше планета находится не на верхнем конце шкалы яркости, поэтому расстояние между яркостью Земли и нижним краем динамического диапазона будет равняться не 15 ступеням, а чему-то вроде 7, поскольку Земля находится где-то посередине динамического диапазона фотографии.

Но чтобы упросить расчёты, мы просто будем использовать 15 ступеней в качестве опорной цифры – если правильно выбранная экспозиция для звёзд будет отстоять более, чем на 15 ступеней от правильно выбранной экспозиции для Земли в дневном свете, или Луны, или любой другой планеты, тогда мы сможем быть уверены, что никакие звёзды на этих дневных снимках не появятся.

Ищем реальные настройки экспозиции – звёздный свет

В качестве примеров снимков звёзд я выбрал три изображения из нашего сабреддита. Для каждого из них фотограф указал настройки экспозиции.

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 10
Биолюминесценция в Малибу и Млечный путь; выдержка: 13 секунд, апертура: f/1.8, ISO: 4000

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 11
Млечный путь перед рассветом над Атлантикой; выдержка: 25 секунд, апертура: f/3.5, ISO: 2500

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 12
Млечный путь над яхтой; выдержка: 13 секунд, апертура: f/4.0, ISO: 6400

Ищем реальные настройки экспозиции – дневной свет

В фотографии есть такое практическое правило под названием «Солнечно 16» (правило F/16), утверждающее, что для выбора правильной экспозиции для фотографии в солнечном свете нужно выставить апертуру на f/16, а выдержку на величину, обратную ISO; фотография, сделанная с ISO 100 должна использовать выдержку в 1/100 секунды. Мы возьмём это правило в качестве первого опорного пункта по подходящим настройкам дневных фотографий: ISO 100, f/16 и выдержка 1/100.

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 13

Вторым опорным пунктом станут лунные снимки «Аполло». На снимке какого-то фотографического оборудования показаны реальные настройки, использованные для фотографий, сделанных на поверхности луны. Взгляните на катушку плёнки слева. ASA – это плёночный эквивалент ISO, поэтому мы имеем ISO 160. Выдержка выставлена в 1/250 с. Инструкция предписывает снимать с апертурой от f/5.6 до f/11. Поскольку средним значением будет f/8, его мы и используем в качестве эталона. Разница между f/5.6 и f/11 составляет всего две ступени, поэтому это не так уж и важно.

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 14

Итоговым эталоном станет этот снимок луны, сделанный астронавтом Паоло Несполи. Настройки камеры перечислены на странице оригинала: ISO 400, f/6.3 и 1/500.

Фото Выдержка Апертура ISO
Солнечно 16 1/100 f/16 100
«Аполло» 1/250 f/8 160
Паоло Несполи 1/500 f/6.3 400

Сводим всё вместе

Так сколько же ступеней между дневными снимками и фотографиями звёзд? Есть несколько онлайн-калькуляторов, считающих экспозицию, но я использовал вот этот. Чтобы провести расчёты, мы вводим настройки двух фотографий, и он выдаёт разницу в экспозиции в ступенях. Вот таблица разницы между дневными и звёздными фотографиями. Помните: волшебный номер – 15. Всё, что больше 15, однозначно говорит о слишком большом динамическом диапазоне, и любая попытка получить изображение обоих объектов приведёт либо к засветке, либо к затенению.

Разница между снимками в ступенях Солнечно 16 Аполло Паоло Несполи
Млечный путь и Малибу 22 20,67 19,67
Млечный Путь над Атлантикой 20,33 19 18
Звёзды над яхтой 20,33 19 18

Вот вам и ответ: разница в яркости между фотографиями дневных объектов, например, поверхности Луны, вида на Землю и другие планеты, и фотографиями звёзд слишком велика, чтобы их можно было запечатлеть на одном изображении. Динамический диапазон в 20 экспозиционных ступеней находится за пределами возможностей наших камер, поэтому на фотографиях освещённых дневным светом объектов в космосе звёзд не видно. Существуют фотографии, где видно тусклые звёзды и объекты, освещённые дневным светом, такие, как Земля или дневная сторона луны. Результат получился очень тёмным. Вот несколько примеров:

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 15

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 16

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 17

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 18

Почему на космических фотографиях не видно звёзд? - 19

Автор: Вячеслав Голованов

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля