Использование «автодарков»

Под «автодарками» я понимаю те дарки, которые делает фотоаппарат. Обычно эта функция называется «Шумоподавление при длинных выдержках». Работает она следующим образом: после того, как фотоаппарат снял light (обычный снимок), он автоматически делает еще один снимок с закрытой шторкой — dark (дарк) с теми же самыми параметрами, что и лайт. Дальше процессор фотоаппарата вычитает дарк из лайта и результат отдается как готовый raw-файл.

Ранее, я уже рассказывал об этой возможности (см. Так ли нужны dark'и?) и даже показал, как данная функция отлично справляется с битыми пикселями. В течение полугода я проводил различные эксперименты с этой функцией, пытаясь понять как она работает и, самое главное, как она влияет на качество астрофотографий.

Изначально у меня были большие сомнения и даже опасения, что включенная функция автодарков ухудшит мои снимки, но на практике оказалось ровно наоборот — снимки были чище, на них значительно меньше артефактов, а слабые сигналы, вроде туманностей, проявляются лучше.

«Нечестный» RAW

Вначале нужно затронуть вопрос того, как именно фотоаппарат применяет дарк к лайту. Изначально я предполагал, что делается два raw-файла, а после процессор как-то их комбинирует. Однако, если подумать, то это слишком сложно и затратно. Зачем сохранять файлы, потом их раскодировать, после опять сохранять, если всё сразу можно сделать с «битовой картой» матрицы?

Я думаю, что скорее всего, после того как снят лайт, данные матрицы сохраняются в памяти фотопроцессора (в отдельном буфере) в своём же «сыром» виде без каких-либо преобразований. Запускается съемка дарка, который точно также представляет собой «сырые» данные. Дальше процессору нужно выполнить простые операции вычитания между этими данными, а результат сохраняется как обычный raw-файл.

Таким образом raw-файл с автодарками точно такой же как и без автодарков. Вычитание происходит ещё до формирования raw-файла, а значит нет никаких оснований утверждать что raw'ы какие-то «нечестные».

Непостоянный шум матрицы

Насколько шум матрицы непостоянный? Если мы будем рассматривать «классический» астрофото-процесс, когда дарки делаются в конце астросессии, то можем ли мы быть уверенны, что шум дарка совпадает (хотя бы частично) с шумами лайтов?

С лайтами ещё сложней, поскольку помимо шумов матрицы, фиксируется шум неба. Только когда небо очень темное, то шум матрицы начинает преобладать (по сути это уже дарки). Но при этом мы же всё равно вычитаем дарки, то есть шум дарка вообще из чего тогда вычитается?

Чтобы показать хаотичность шума, я, без дебайеризации (в Fitswork'е) сохранил два соседних кадра астросессии в tif-файлы и открыл их в фотошопе. Вот так выглядит первое изображение (это «Фейерверк»):

Второе изображение по сути точно такое же:

Теперь включим между слоями режим наложения «Difference» (разница):

Несложно заметить, что изображения имеют совершенно разный шум (чем больше они похожи, тем чернее изображение). А ведь между ними всего около 1 минуты разницы.

То есть в каждом лайте свой уникальный шум. В данном случае это шум неба или шум матрицы?

Чтобы ответить на этот вопрос, можно сделать аналогичный эксперимент, только использовать два соседних дарка. Вот готовый результат (я чуть увеличил яркость, чтобы лучше была видна разница):

Ещё раз: это не дарк, а разница между двумя дарками. Если бы дарки имели бы один шум, то получился бы один сплошной черный цвет. Но мы видим, что шум матрицы имеет хаотичную структуру. И это на соседних дарках, которые получены с полуминутной разницей.

Из-за этого, собственно, при сложении все дарки и объединяются в один мастер-дарк по методу медианы. То есть мастер-дарк содержит только самую общую для всех дарков информацию. Очевидно, что чем больше разница во времени между лайтами и дарками, тем больше различается их шум (не только структура, но и яркость, и битые пиксели). В лучшем случае дарки уберут лишь самые-самые общие артефакты лайтов. И для того, чтобы получить эти самые «общие» артефакты, дарков должно быть очень много, хотя бы несколько сотен. Иначе влияние каждого отдельного дарка будет слишком велико и его уникальный шум может негативно сказаться при сложении с лайтом. При этом количество дарков никак не связано с количеством лайтов.

Автодарки

Теперь рассмотрим автодарки. Сам автодарк делается и вычитается сразу же после лайта, а значит есть шанс, что «рисунок» шума изменился не так сильно. В теории можно было бы сравнить два лайта, один с автодарком, другой без и вычислить отношение сигнал/шум. Но, из-за того, что на лайтах не только шум матрицы, но и шум неба, получить какую-то однозначную статистику оказалось проблематично.

Вместо этого мы можем пойти на хитрость и проанализировать только дарки: дарк с автодарком и обычный дарк.

Визуально это выглядит так (масштаб 400%):

Здесь хорошо видно, что дарк с автодарком имеет больше черных пикселей — скорее всего это и есть результат вычитания автодарка (чем больше черного, тем меньше шум). На картинке я вынужден был немного увеличить яркость первого дарка (иначе он очень темный получается), в цифрах же это будет так (статистика Fitswork):

Дарк (автодарк on)
 Mean          : 1.2310176
 Std.Deviation : 2.1169924
 Minimum       : 0
 Maximum       : 124
 
Дарк (автодарк off)
 Mean          : 2.2876483
 Std.Deviation : 2.9581735
 Minimum       : 0
 Maximum       : 1773

В первом дарке максимум всего лишь 124 — это в 14 раз меньше второго дарка. Значение Mean по сути указывает на общую «яркость» шума и она в 1,5..2 раза ниже (по разным участкам). Если перенести это на лайты, то это значит, что шум матрицы за счет автодарка будет уменьшен примерно во столько же раз.

Если на лайте шум неба невысок, то автодарк способен улучшить изображение. Если же шум неба (засветка) высок, то шум матрицы оказывается значительно ниже и влияние дарков (любых) будет уже незначительным. Здесь точно такое же поведение как и при использовании мастер-дарка. Но вот, что касается «косметики», то автодарк прекрасно справился с битыми пикселями.

В данном примере, хотя Mean на дарках и различается примерно в 2 раза, малое значение говорит о том, что уровень шума матрицы достаточно низкий. Для сравнения: участок без звёзд (на реальном астрофото, моё небо) показывает Mean = 130..160 — это значительно больше чем Mean = 1..2 у дарков. То есть дарки в любом случае «убирают» только шум матрицы (+ косметика). Для того, чтобы улучшить шум неба, нужно применять уже сложение лайтов. Другое дело, что лайты с автодарками будут чуть лучше, а значит потенциал у них будет выше.

Итого

Фотоаппараты разные, поэтому прежде, чем использовать автодарки, лучше протестировать эту функцию и убедиться, что она работает должным образом. Я проверял на своём Nikon D5100. Возможно, что на Кэнонах ситуация не такая радужная.

Плюсы:

• По сути это самый «честный» дарк: каждый к своему лайту.
• Практически полное отсутствие битых пикселей.
• Меньший уровень шума матрицы.
• Нет необходимости делать многочисленные дарки после астросессии. Можно забыть про коллекции дарков под разную температуту, ISO и т.д.
• При сложении не нужны отдельные дарки — сложение происходит быстрее. При большом количестве кадров (400..800), это хорошо чувствуется. :-)

К минусам автодарка можно отнести лишь только, то что съемка требует в два раза большего времени. С учетом того, что при этом получается более качественные изображения (а значит можно больше вытянуть деталей), то это уже не такая большая проблема.