Сколько кадров нужно? Прямой ответ

«Снимайте как можно больше» — стандартный совет, и он не столько неверен, сколько бесполезен. Он не даёт способа спланировать сессию, понять, когда остановиться, и объяснить, почему два часа на прошлой неделе дали заметно лучший результат, чем три на этой.

Прямой ответ есть, и он следует из одного соотношения.

Арифметика

Сигнал накапливается линейно с числом кадров. Шум, будучи случайным, частично взаимно гасится и растёт только как квадратный корень. Поэтому их отношение улучшается на √N.

Из одного этого факта 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.

Вот почему переход от 10 кадров к 40 преображает картинку, а от 200 к 260 — незаметен. Вы добавили 30 % данных ради улучшения на 14 %, а 14 % — ниже того, что глаз надёжно замечает на фотографии. Ничего не сломалось. Вы купили порцию улучшения, которая не регистрируется.

Практическое правило: чтобы увидеть реальный шаг вверх, планируйте учетверять, а не добавлять чуть-чуть. Если 50 кадров дали что-то приличное, следующий видимый уровень — 200. Не 70.

Шум считывания определяет длину саба

Есть второй источник шума, который так не усредняется. Каждое считывание сенсора добавляет фиксированный штраф. Он не зависит от выдержки — 5-секундный кадр и 500-секундный платят его ровно по одному разу.

Поэтому заданное суммарное накопление несёт шум считывания пропорционально тому, на сколько кусков вы его порезали:

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

Света столько же. Штраф за считывание примерно в тридцать раз меньше.

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

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

Встречное давление очевидно — смазанный 300-секундный кадр не стоит ничего, а потерянный кадр обходится дороже чуть более шумного. Найдите длину, при которой доля годных кадров остаётся высокой, и держитесь её.

Как выглядит «достаточно»

Грубые рабочие числа при разумном небе:

Яркие объекты — ядро Ориона, Плеяды, центр Андромеды, Луна. Двадцать-пятьдесят кадров дают по-настоящему хороший результат. Они настолько яркие, что вы не боретесь с шумовым порогом, и больше времени даёт мало.

Средние объекты — большинство галактик и туманностей Мессье. От ста до трёхсот. Здесь кривая √N делает реальную работу, и каждый дополнительный час ещё виден.

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

Планеты — совершенно другой режим. Вам нужны тысячи, потому что большинство 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 ограничивают вас именно кадры. Три вещи часто оказываются иными:

Вы ограничены шумом считывания. При очень коротких сабах шумовой порог задаётся считыванием, а не фотонами неба. Больше кадров всё ещё помогает, но медленно, и вы снова и снова платите фиксированную цену. Симптом: долгое накопление, упрямо шумный фон, короткие сабы. Лечение: более длинные сабы, а не больше сабов.

Вы ограничены небом. Под ярким небом доминирует фон, и слабый сигнал может никогда над ним не подняться. Отношение сигнал/шум всё ещё улучшается как √N — но √N от «неразличимого» — это по-прежнему неразличимо. Симптом: яркий фон, слабые области, которые не появляются, сколько ни копи. Лечение: более тёмное небо или узкополосные фильтры, отсекающие большую часть засветки.

Вас ограничивает выравнивание. Если выравнивание оставляет ошибки в полпикселя, каждый новый кадр добавляет ещё немного 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 не объясняется фокусом. Лечение: проверьте, что выравнивание учитывает поворот — а это важно на каждой азимутальной монтировке, включая все смарт-телескопы.

Последний случай стоит проверить прежде, чем винить небо, потому что выглядит он в точности как плохой сиинг, и люди теряют на этом сезоны.

Диагностика, которая решает всё за один прогон

Сложите свою сессию. Затем сложите половину — каждый второй кадр — и сравните обе 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, а не на чьих-то чужих.

Отбраковке нужен минимум

Одна вещь, которая действительно зависит от чистого количества: отбраковка выбросов.

По восьми кадрам распределение не оценить. Любой метод клиппинга работает по слишком малой выборке, и агрессивная отбраковка выбрасывает настоящий сигнал, утверждая, что удаляет выбросы. Режим отказа тонкий — изображение выглядит чистым и тихо лишено слабых деталей. Оно не выглядит сломанным. Оно выглядит 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 дрейфующей 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 действительно различаются. Сигма-клиппинг считает кадры на краях диапазона выбросами — а самые тёмные из них часто самые прозрачные кадры ночи. Вы теряете лучшие данные из-за метода, который решил, что они неправильные.

Итак: сколько?

• Сначала длина саба. Самая длинная, которую монтировка надёжно ведёт. Это определяет шум считывания, а шум считывания определяет слабые объекты.
• Потом количество, кратно четырём. 50 → 200 → 800. Добавить 20 % — не план.
• Не меньше 15 кадров, если хотите нормальную отбраковку выбросов.
• Проверяйте тестом с половиной стека, а не доверяйте чему-либо из сказанного выше, включая эту статью.

И когда половина стека выглядит так же, как целый, следующую ясную ночь лучше потратить на другой объект, чем на ещё больше того же самого.