Поговорим о шумах.

Для начала попробуем определить, что такое шум и чем он отличается от всего остального.
Определение из Википелии :
Шум — совокупность непериодических звуков различной интенсивности и частоты.
Радиоэлектронные шумы — случайные колебания токов и напряжений в радиоэлектронных устройствах.
Белый шум — стационарный шум, спектральные составляющие которого равномерно распределены по всему диапазону задействованных частот.

Исходя из выжимки, отмеченной болдом, можно составить краткое определение шума.
Шум - это непериодические, случайные, равномерно распределенные колебания в заданном диапазоне. Шумы имеют хаотичную структуру, потому они и называются шумом.

Что мы можем к ним отнести? Все, что носит случайный характер. Шумы камеры, например. Матрица показывает то, что на нее кладут. Если она показывает то, чего на нее не клали, это шумы матрицы. В первую очередь это шумы чтения. А тепловой шум матрицы это что? Это тоже шум, но он не случайный, а системный. Почему системный? Потому что он копится со временем и от него можно избавиться вычитанием дарка. Системные шумы, от которых можно избавиться назовем офсетом.

Непрозрачность оптического тракта вашего телескопа вносит свою составляющую, снижая пропускную способность системы, а значит и уменьшает доступный для полезного сигнала динамический диапазон (ДД). Это тоже офсет. Лечится флэтом.

Небо тоже шумит, в определенном смысле. Атмосфера имеет свою полосу пропускания и вносит свои коррективы в сигнал. Это турбуленция, засветка, рефракция, прозрачность и пр. замечательные вещи. Что-то из перчисленного имеет свои шумовые составляющие, что-то имеет постоянную природу.

Как с точки зрения астрофото сюда относится засветка? Она местами пропадает на мгновение или меняет знак? Нет. Она имеет всплески и присутствует во всем диапазоне? Нет. Тогда должна ли она считаться шумом? Нет.

Засветка это системный паразитный сигнал, а если он системный и копится, то это не шум, хоть он промодулирован хаотичным шумом, но в общем и целом для данной местности и времени это величина постоянная. Засветка убирается растягиванием гистограммы и обрезкой ее снизу. После обрезки остается белый шум, т.е. зерно. Его вы просто так уже не уберете. Засветка это офсет.​

На рис. ниже представлены 2 графика.
Левый показывает суммарные шумы в зависимости от времени накопления и собственных шумов камеры для разных уровней засветки.
Правый показывает отношение сигнал/шум (SNR) в зависимости от динамического диапазона полезного сигнала ДД для разных уровней засветки



Офсет это системный паразитный сигнал, снижающий ДД полезного сигнала на снимке, т.е. по сути он ограничивает разрядность вашей камеры. Например, засветка и тепловой шум усердно копятся на лайте и чем больше экспозиция, тем больше они снижают дд снимка и его контраст.
Технически победить засветку можно, если уехать под максимально темное небо и стремиться к максимально коротким экспозициям при максимальной чувствительности камеры.

Можно ли сравнивать засветку с шумами чтения камеры? Да, в том смысле, что засветка быстро перекрывает шумы камеры по уровню и модулируется мелкими шумами, в т.ч. шумами чтения матрицы, поскольку они высокочастотны. Левый график иллюстрирует именно это.

После того, как мы что-то сняли в соответствии с левым графиком, на нашей матрице получился заполненный чем-то ДД. Доля полезного сигнала в этом ДД равна разрядности камеры минус разрядность накопленных шумов.

Правый график показывает зависимость отношения сигнал/шум (SNR) от эффективного ДД для разных зон засветки. Для темного неба при прочих равных условиях SNR будет всегда выше.
По шкале X выберите разрядность своей камеры и вычтите из нее шумы. Вертикаль от этой точки до пересечения с линией вашей засветки даст на оси Y ваш SNR.

Значения на графиках показаны условно и приведены в целях демонстрации зависимостей. Конкретные значения лучше всего измерять опытным путем в ходе экспериментов с вашим оборудованием, с разными выдержками и под разным небом. А после проведения съемки проанализировать полученные снимки в программах, умеющих вычислять SNR.

С этим не все так просто. Все программы делают это по-разному. Какие-то программы считают их в попугаях, а попугаев надо на что-то умножать, чтобы получить длину удава. Это не наш метод. SNR измеряют в децибелах(dB). Шумы считаются по не самым очевидным формулам. Например, в PGMania они измеряются и считаются итерационно по всем звездам по отношению средней яркости звезды (mean) и сигмы (ст. распределение), с учетом уровня фона вокруг каждой звезды. После обсчета всего снимка вычисляются средние значения.

Еще один график, демонстрирующий лимиты накопления для разных зон.
Полезный сигнал это разница между накопленным ДД на матрице (полезный сигнал + засветка) и уровнем мусора (засветка + шумы). Для красной зоны эти границы намного уже, потому и пределы накопления наступают раньше. Они зависят и от ДД камеры, чувствительности, 1/f и т.д.



Соответственно, выше определенного предела копить бессмысленно, потому как засветка копится наравне с полезным сигналом, а кривые сигнала и засветки перестают расходиться. Т.е. ДД полезного сигнала не увеличивается, сколько кадров ни складывай. Выдержка тут определяющей роли не играет и влияет больше на зашумленность отдельного кадра, т.е. на начальную область графика (ближе к нулям), но не на SNR итоговой суммы в перспективе. В серой зоне эти лимиты намного шире и не так быстро выравниваются. А значит и пределы времени накопления намного шире, но тоже не безграничны.

Чем сильнее шумит матрица, тем большая экспозиция потребуется, чтобы засветка перекрыла шумы матрицы по уровню. Чем больше уровень засветки, тем короче должны быть экспозиции для одной и той же матрицы. Малошумящей камере под темным небом понадобится наибольшее время для накопления одного и того же уровня шумов. При этом эффективный ДД и SNR будут максимальными.

Фильтры, типа CLS, ограничивающие влияние белого шума от засвеченного неба, в каком то смысле решают проблему, но создают другие проблемы. Выходом может являться переход на монохром и сужение полосы пропускания при съемке в городе. Но и тут не все так кучеряво, как может показаться.

Истинно темное небо решает проблему кардинально. Чтобы избежать появления проблем, их не надо порождать, тогда не придется с ними бороться. Простая аналогия - если проявлять фотопленку в недостаточно темной комнате, пленка окажется частично засвеченной и картинка на ней будет испорчена.



(С)p.v., 01.2022
Санкт-Петербург