Часть 12: Контроль за сопровождением во время долгой выдержки
Слабые объекты неба в ночном небе требуют длительного времени экспозиции. Даже если в эпоху цифровой фотографии вместо одной очень длинной экспозиции делается несколько коротких экспозиций, которые затем складываются с помощью программы обработки изображений, при использовании длинных фокусных расстояний автоматическое сопровождение астрономического монтажа не достаточно точно для надежного получения четких фотографий.
Поэтому необходимо контролировать движение монтажа во время экспозиции и, при необходимости, вмешиваться с коррекциями. Этот процесс называется контролем за сопровождением или в новой терминологии «гайдинг», а деятельность — «гайдинг». Когда этот процесс выполняет специальная камера, он называется камерой для сопровождения или «Автогайдер». Контроль за сопровождением становится необходимым, если несмотря на движение по мотору монтажи в течение желаемого времени экспозиции звезды изображаются не точечно, а слегка в виде линии.
Причины этой неточности могут быть разнообразны:
• Механическое исполнение монтажа не соответствует требованиям
• Монтаж плохо ориентирован (см. часть 9 серии учебных пособий по астро- и небесной фотографии «Обращение с астрономическим монтажом»)
• Скорость движения моторного сопровождения не соответствует точной скорости видимого вращения небес
• Призменное действие земной атмосферы (атмосферная рефракция) приводит к тому, что звезды не стоят на месте на 100%
• Движения в системе, например, небольшое наклонение окулярного выноса во время экспозиции
• Периодическая ошибка червячного колеса, которую каждое ведущее червячное колесо производит по отношению к приводимому зубчатому кольцу в течение одного оборота
• Неравномерность зубчатого кольца, приводимого червячным колесом
Хотя многие из этих аспектов можно контролировать тщательно, по крайней мере два последних аспекта остаются проблематичными. Любая механика, даже самая хорошая и соответственно дорогая, будет иметь незначительные расхождения от идеального состояния, что рано или поздно повлияет на фото с длительным временем экспозиции. Простой расчет показывает, какая точность сопровождения должна быть достигнута теоретически.
Давайте возьмем в качестве примера телескоп с фокусным расстоянием 1500 мм, к которому подключена цифровая зеркальная камера. Размер пикселя сенсора примем за 5,7 микрометра, или 5,7 тысячных миллиметра, что соответствует, например, камерам Canon EOS 400D или EOS 1000D. Допустим, что волнение воздуха смещает место звезды на участок в четыре угловые секунды (1 градус = 60 угловых минут = 3600 угловых секунд), что соответствует хорошим до средним условиям в Германии.
Это означает, что воздушные колебания во время экспозиции приводят к тому, что каждая звезда формирует диск диаметром четыре угловых секунды. Так что мы все равно не сможем изображать звезды более четко.
Теперь нужно рассчитать угол, под которым изображается пиксель сенсора. Это делается следующей формулой.
Формула для расчета угла изображения Alpha. «L» в данном случае — длина стороны пикселя, а «f» — фокусное расстояние. Оба значения должны быть указаны в одних и тех же единицах измерения (здесь метрах).
Таким образом, масштаб изображения составляет 0,8 угловых секунд на пиксель. Так что диск звезды будет иметь диаметр 5 пикселей (что равно 4 угловым секундам) на сенсоре. Теперь нам нужно определить допустимую погрешность, прежде чем мы можем говорить о слегка растянутом изображении звезды. Я предлагаю считать приемлемым смещение на 20 процентов. Все, что превышает этот показатель, должно считаться нечёткостью. Этот допуск является довольно щедрым.
Слева идеальное изображение звезды при оптимальном сопровождении. Справа звезда, слегка деформированная, и ось её длинная сторона превышает короткую на 20 процентов.
Для изображения звезды с диаметром пять пикселей 20 процентов соответствуют ровно одному пикселю. Это означает, что во время экспозиции сопровождение должно отклониться от идеального состояния всего на 0,8 угловых секунд. 0,8 угловых секунд это 2,2 десятитысячных градуса (напомним: Полнолуние имеет примерно 0,5 градуса видимого диаметра!). Этот расчет может показать, какое вызов представляет собой сопровождение с длинными фокусными расстояниями и подчеркнуть необходимость контроля за сопровождением.
Контроль за сопровождением на практике
Как уже упоминалось, существует два основных метода контроля за сопровождением: ручной и с использованием автогайдера.
1. Ручной контроль за сопровождением
При ручном контроле за сопровождением используется прицельная окулярная сетка, в центре которой позиционируется звезда. Наблюдатель следит за «главной звездой» на протяжении всего времени экспозиции и следит за тем, чтобы она не смещалась из центра сетки. Если обнаруживается смещение, тогда звезда сразу возвращается на свою заданную позицию путем нажатия кнопок направления на управлении монтажа.
При ручном контроле за сопровождением фотограф контролирует движение монтажа, смотря на звезду в окулярной сетке во время экспозиции, в то время как камера выполняет экспозицию. С помощью ручного блока управления монтажа можно вмешаться и скорректировать.
Если основная труба используется в качестве оптики для съемки, необходимо использовать вторую трубу, которая называется «ведущей трубой» или просто «ведущей трубой». Ведущая труба устанавливается на ту же монтажу вместе с основной трубой и направляется более или менее параллельно. Полная параллельность не требуется. Напротив, многие ведущие трубы установлены в так называемых зажимах ведущих труб, которые крепят ведущую трубу к основной трубе двумя зажимами с тремя винтами по каждой стороне. Регулировкой винтов можно перемещать ведущую трубу относительно основной в определенных пределах. Цель этого размещения состоит в том, чтобы всегда найти достаточно яркую ведущую звезду, так как не все объекты на небе содержат в кадре яркую звезду.
Пара зажимов для ведущей трубы (красные стрелки), закрученных на основную трубу, обеспечивает ведущей трубе свободу движения для выравнивания на более яркую ведущую звезду. Для этого каждое зажимное устройство имеет три винта, которые фиксируют ведущую трубу в любом положении. Если один из винтов откручен, другой должен быть затянут, чтобы обеспечить надежную фиксацию.
Для ручного контроля за сопровождением вам понадобятся следующие вещи:
• a) Дальномер
Качество изображения не имеет большого значения, поэтому в качестве дальномера для наведения можно использовать дешевый вариант. Важно, чтобы фокусное расстояние не было слишком коротким. В идеале фокусное расстояние должно быть вдвое больше фокусного расстояния записи. С использованием барлоу-линзы (оптическая система, аналогичная телеудлинителю) можно увеличить эффективное фокусное расстояние дальномера. Выдвижная трубка дальномера должна быть надежной и не дрожать, так как в противном случае не удастся достичь необходимой точности сопровождения.
• b) Паутинный окуляр
Простые модели имеют две нити под углом 90 градусов; для контроля сопровождения наиболее полезны типы с двойным паутинным перекрестием, при которых звезда-наводчик в своем центральном положении не исчезает за нитями. Обязательно проверьте, чтобы он был подсвечиваем. Это означает, что паутинный перекресток подсвечивается красным светодиодом, питаемым от батареек, так что его можно увидеть даже на темном ночном небе. Обычно устройство подсветки можно регулировать.
На простом паутинном окуляре (слева) перекрывается звезда-наводчик. Окуляр с двойным паутинным перекрестием (справа) избегает такой ситуации.
Паутинный окуляр с регулируемым освещением (красная стрелка). Кнопочные батарейки внутри обеспечивают красный светодиод необходимым напряжением:
• c) Возможность монтажа для дальномера
Дальномер должен быть закреплен на главном телескопе как можно более надежно. Повороты во время экспозиции привели бы к бессмысленному контролю сопровождения. Элегантным решением являются упомянутые выше петли для дальномера. Порядок действий: сначала основной телескоп с установленной камерой направляется на небесный объект. При необходимости путем поворота камеры в выдвижной трубке оптимизируется желаемый кадр. Затем производятся все необходимые настройки на камере. Затем производится фокусировка, для чего при необходимости камера поворачивается на яркую звезду у выбранного кадра неба.
После фокусировки проверяется кадр, что облегчается при немощных объектах посредством пробной экспозиции со временем в одну минуту без контроля сопровождения. Затем дальномер с паутинным окуляром перемещаются в петлях для дальномера до тех пор, пока достаточно яркая звезда не окажется в центре паутины. Теперь паутинный окуляр в его гильзе поворачивается до тех пор, пока две нити точно соответствуют направлению движения двух осей монтажа (ось часов и ось склонения). Для этого скорость движения моторов на управлении устанавливается примерно в 16-кратное значение и монтаж поворачивается вокруг оси часов вперед и назад. Необходимо вращать окуляр до тех пор, пока звезда-наводчик не начнет двигаться вдоль нити в паутинном окуляре.
Взгляд через паутинный окуляр с звездой-наводчиком (слева). Направление движения монтажных осей обозначено голубыми стрелками. Вращая окуляр в выдвижной трубке, добиваются соответствия направления движения с паутинным перекрестком (справа).
Теперь звезда-наводчик при помощи моторов монтажа перемещается в центр паутины, после чего скорость моторов снова уменьшается, лучше всего до обычной (1x) или половинной (0,5x) скорости звезд. Затем стоит запомнить, какую кнопку на управлении нужно нажимать, чтобы звезда двигалась влево, вправо, вверх и вниз, для того чтобы немедленно и целеустремленно компенсировать возникающее смещение звезды из центра паутины. После короткого периода обучения этое умение будет приобретено. Далее начинается: запускается экспозиция. После открытия затвора камеры звезда-наводчик должен постоянно контролироваться.
Если он выходит из центра паутины, немедленно нажмите правильную клавишу на управлении, чтобы вернуть его обратно в центр. При монтировках с хорошими характеристиками сопровождения корректировочные движения могут потребоваться редко, при монтировках с относительно неточным приводом возможно, что коррекции потребуются через небольшие интервалы времени. Здесь ручное управление сопровождением превращается в работу, требующую высокой степени концентрации.
Четыре ключевые кнопки на панели управления монтажем для ручного контроля за сопровождением. С их помощью звезда в окуляре может быть перемещена в любом направлении для компенсации выявленных отклонений звезды-наводчика.
Благодаря высокому увеличению паутинного окуляра и дальнему фокусному расстоянию дальномера даже малейшие отклонения от идеального состояния становятся видимы, прежде чем они приведут к линейному изображению звезды на снимке. То есть, не каждое небольшое отклонение звезды-наводчика от его центрального положения в паутине немедленно портит фото. Однако, естественно, целесообразно сразу же реагировать на обнаруженную неточность соответствующими корректирующими движениями. Только после завершения экспозиции следует прекратить контроль сопровождения.
Если необходимо сделать несколько снимков, между экспозициями можно делать небольшие паузы для отдыха глаз. С некоторой практикой и опытом через ручное управление сопровождением удастся осуществить длительные экспозиции, когда камера подключена к телескопу с длинным фокусным расстоянием. Практически неизбежная недостаточная точность сопровождения при плавной доработке компенсируется техникой ручного управления сопровождением, так что в идеале звезды на фото будут изображены точечно. Максимально разумное время экспозиции при использовании зеркальных камер составляет около 15-20 минут в зависимости от модели камеры. Ручное управление сопровождением в течение такого периода времени может быть утомительным занятием. Поэтому обратите внимание на удобный угол обзора в паутинном окуляре и приятную высоту просмотра, если это возможно. Для многих небесных объектов одного снимка с максимальным временем экспозиции может оказаться недостаточно. Тогда необходимо создавать несколько фотографий, которые впоследствии будут объединены (см. эпизод номер 16 из серии «Астро- и небесной фотографии»: «Как справиться с электронным шумом в изображении»).
Совет: В специализированном магазине в качестве альтернативы для дальномера предлагают так называемые офф-аксис-гайды. Эти устройства устанавливаются между телескопом и камерой и содержат небольшое зеркало, которое направляет свет звезды вдали от оптической оси, за пределы поля зрения камеры, под углом 90 градусов. Это теоретически позволяет использовать главный телескоп во время экспозиции также в качестве дальномера. К сожалению, изображение большинства телескопов вне оси довольно плохое, так что чистое изображение звезды-наводчика не удается увидеть. Кроме того, поиск звезды-наводчика с офф-аксис-гайдером становится трудным квестом и часто заканчивается тем, что нужно неожиданно изменять выбранный кадр для того, чтобы найти звезду-наводчик. Даже если удается найти звезду-наводчик, позиция для обзора часто незаметна, частично требует извращений. В такой позе ручное управление сопровождением становится физическим мучением.
Поэтому я рекомендую отказаться от приобретения и использования офф-аксис-гайдера.
2. Автоматический контроль сопровождения
Подробно рассмотренное ручное сопровождение является довольно глупой работой. Быстро возникает убеждение, что следовало бы можно автоматизировать эту деятельность с помощью технических средств. Хорошая новость заключается в том, что это работает с помощью специальных цифровых камер, которые называются «Автогайдерами». Плохая новость состоит в том, что в области автогайдинга не существует решений типа Plug-And-Play, то есть простого подключения и подключения проводов все равно не достаточно, чтобы заставить автогуидер делать то, что от него ожидают.
При автогайдинге окулярное паутинное колесо ведущего телескопа заменяется на камеру наведения (автогуидер).
Придется предположить наличие начального этапа, на котором еще не создаются астрофотографии, а автогидер должен быть запущен с использованием установленной монтажки. Без опыта потребуется несколько часов или даже ночей! Технически автогайдинг работает следующим образом: в качестве автогайдера используется специальная цифровая камера или видео- или веб-камера. Сенсор этих камер обычно очень мал, количество его пикселей невелико. На сенсор автагида проецируется звезда, позиция которой определяется программным обеспечением. Сенсор автогуидера периодически считывается, и положение звезды повторно измеряется.
Если звезда смещается из своей первоначальной позиции, программное обеспечение способно, через управление двигателями монтажки, выполнить противоположное движение и вернуть звезду на ее желаемую позицию. Для этого необходимо подключить автогайдер или компьютер управления проводами к монтажной системе. Управление монтажей, в свою очередь, должно быть оснащено интерфейсом автогайдера, то есть возможностью подключения.
Пример подключения (схематически). Зеркальная камера подключена к компьютеру через USB-кабель (темно-красной, 2). Для передачи изображений автогайдер использует еще один USB-интерфейс компьютера (синий, 3). Для выполнения корректировок движения монтажа производится дополнительное подключение (красное, 1), в данном случае через последовательный порт (COM1). Поскольку в современных ноутбуках часто отсутствует последовательный порт, единственным выходом является использование USB-последовательного адаптера. В зависимости от используемой монтажи и автогайдера, подключение может отличаться от данной схемы.
То, что кажется в теории вполне тривиальным делом, на практике оказывается вполне сложной задачей. Все начинается с того, что интерфейсы автогайдера не стандартизированы, и в первую очередь необходимо убедиться в наличии подходящих проводов. Кроме того, назначение выводов не фиксировано, квази-стандартом является совместимость с автогайдером "SBIG ST-4", обозначенным, например, как "Совместимый с ST-4 интерфейс автогайдера".
Интерфейс автогайдера управления монтажей (справа) с соответствующим кабелем автогайдера (слева).
Этот регулятор (слева) имеет совершенно другой разъем для подключения автогайдера и поэтому требует другого кабеля (справа):
"Автономные автогайдеры", то есть устройства, обходящиеся без подключенного компьютера, практически не продаются. Обычно работа может выполняться только с компьютером (в полевых условиях - с ноутбуком). Запуск включает в себя следующие шаги:
a) Настройка ведущей звезды в ведущем телескопе и размещение ее в центре поля зрения с помощью окуляра для ведения.
b) Установка автогайдера вместо окуляра для ведения.
Здесь используется «Лунно-планетарный имиджер» от Meade в качестве автогуидера. Для увеличения фокусного расстояния ведущего телескопа используется Барлоу-линза со степенью увеличения в пять раз.
c) Фокусировка ведущей звезды с помощью программного обеспечения автогайдера на ноутбуке.
d) Выбор низкой скорости двигателя на управлении монтажа (например, 1-кратная скорость движения звезд).
e) Размещение ведущей звезды примерно в центре поля изображения.
f) Запуск «калибровочного режима» программы ведения, которая перемещает двигатели монтажа в разные направления, определяя направление движения ведущей звезды и таким образом "учится" тому, в какой манере ей нужно управлять монтажкой, чтобы отклонить ведущую звезду в желаемом направлении.
Экранная отображение программы "MaxIm DSLR" (http://www.cyanogen.com) во время калибровочного режима. До запуска звезда находилась в позиции, обозначенной левой зеленой стрелкой. Во время калибровки две оси монтажа последовательно двигаются в одном направлении (синие стрелки) и обратно. После этого звезда снова или менее менее находится в своем начальном месте (правая зеленая стрелка). Наличие люфта в передачах приводит к тому, что она не попадает в точку, отмеченную первоначальным положением. После калибровки программное обеспечение "знает", какие движения необходимо совершить, чтобы отклонить ведущую звезду в желаемом направлении.
g) Запуск функции автогидирования: если все шаги были выполнены правильно, автогайдер выполняет одну съемку за другой, в зависимости от выбранного времени экспозиции. Оптимальное время экспозиции составляет от двух до пяти секунд и зависит в первую очередь от яркости ведущей звезды.
Он не должен быть переэкспонирован, чтобы избежать перегрузки сенсора автогайдера в месте ведущей звезды. С другой стороны, он должен быть достаточно четко изображен, чтобы программное обеспечение могло точно определить его положение.
Слишком короткое время экспозиции представляет опасность того, что из-за турбулентности воздуха ведущая звезда будет отклонена, и руководитель попытается следовать за этим "дополнительным движением". Слишком долго включенное время экспозиции лишает руководителя возможности быстро реагировать на возможное появление недочетов в работе монтажа.
По окончании каждой отдельной экспозиции программное обеспечение определяет положение ведущей звезды субпиксельной точностью и может таким образом реагировать на малейшие отклонения от заданной позиции. Поэтому для автогайдирования достаточно телескопа с коротким фокусным расстоянием. Если телескоп имеет половину фокусного расстояния главного телескопа, то это вполне достаточно для оптимальной работы автогайдера.
Если программное обеспечение обнаруживает дрейф ведущей звезды, оно управляет двигателями монтажа в противоположном направлении и компенсирует этим неточность в сопровождении. После запуска функции руководства системе следует дать примерно минуту времени для достижения стабильного состояния.
В процессе наблюдения отображается индикатор, который показывает отклонения звёздного луча либо в виде последовательности чисел, либо в виде графика. Когда отклонения находятся в пределах ожидаемых значений, можно начинать экспонирование.
Экранное отображение программы MaxIm во время управления. Справа вверху отображается актуальное изображение снимаемого звёздного луча с паутинкой. Внизу график показывает выявленные отклонения звёздного луча от его желаемого положения по обеим осям.
К сожалению, в рамках обучающих материалов невозможно дать более точные пошаговые инструкции, поскольку способ действий может значительно различаться в зависимости от используемой автогидерской камеры. Поэтому необходимо обращаться к руководству по эксплуатации соответствующих моделей камер.
Тем не менее, несколько общих советов для успешного автогайдинга:
a) Многие автогайдеры работают лучше или даже только в случае правильного их установления, чтобы направление движения осей монтировки соответствовало рядам и столбцам пикселей.
b) Пункт калибровки, указанный выше под f), следует повторять при переходе телескопа в другой район небосферы.
c) Часто необходимо в программе указать, на сколько секунд автогайдеру при калибровочном процессе нужно двигать оси до того момента, пока позиция звёздного луча не будет определена снова. Этот интервал должен быть достаточным, чтобы звезда не покидала область датчика, но её перемещение было достаточно велико для ясного определения направления программой и влияние люфта в передаче монтировки было минимальным. В идеале звёздный луч должен быть перемещён из центра сенсора к его краю в результате калибровки.
В MaxIm значениями в полях "Calibration Time" устанавливается, сколько секунд программе нужно запустить моторы монтировки во время калибровки:
d) Управляющее программное обеспечение многих автогайдеров содержит несколько параметров для оптимизации управления. Важным моментом является «Агрессивность». Она определяет, будет ли при обнаружении смещения звёздного луча следующим шагом предприниматься попытка вернуть звёздный луч на исходное место или программе следует попытаться приблизиться к желаемому значению постепенно. При слишком высокой агрессивности система может качаться, а звёздный луч постоянно колеблется вокруг целевого значения из-за чрезмерной реакции. При низкой агрессивности наблюдается продолжительное отклонение в одном направлении. Таким образом, необходимо путём практического опыта найти среднее значение, зависящее от характеристик используемой монтировки и фокусного расстояния телескопа.
Настройка "Агрессивности" в модуле Guiding программы MaxIm. Значение "8" означает, что при обнаружении смещения звёздного луча его позиция в следующем шаге корректируется на 80 процентов. Стопроцентная коррекция часто приводит к качанию системы.
Какие камеры подходят в качестве автогайдеров?
Тем, кто ищет автономный автогайдер, не требующий подключения к компьютеру, по сути остаётся только один вариант: Baader LVI-SmartGuider, http://www.baader-planetarium.de/sektion/s21/s21.htm.
"LVI SmartGuider" - автономный гайдер, для работы которого не требуется ПК/ноутбук.
Нельзя умалчивать о том, что это новый продукт, и пока нет надёжного практического опыта. На данный момент я не могу рекомендовать или отговаривать от использования данного устройства.
Для работы с этими моделями камер необходимо уточнять, какие кабели и, особенно, какое программное обеспечение может потребоваться для использования в качестве автогайдера. Преимуществом этих камер является то, что они могут быть использованы не только в качестве автогайдеров, но и как камеры, преимущественно для фотографии планет (см. эпизод № 14 серии "Астро- и небесной фотографии": "Съемка планет с веб-камерой").
Классиками автономных автогайдеров являются модели SBIG ST-4 и SBIG ST-V, которые, к сожалению, больше не производятся. В качестве подержанных покупок обе являются безусловными рекомендациями!
Доступные только как подержанные устройства: SBIG ST-4, старый, но добротный автономный автогайдер. Шестизначный дисплей - это скудный интерфейс пользователя, который изначально требует привыкания.
Примеры съемок
Для того чтобы запечатлеть кольцевое скопление "Мессье 13" в созвездии Геркулеса на датчик камеры Canon EOS 450D, потребовалось шесть метров фокусного расстояния. Экспозиция длилась десять минут при ISO 400. Управление проводилось с помощью руководящего телескопа и автоматической гидирующей камеры SBIG ST-4.
Это фото туманности Ориона было сделано с модифицированной для астрофотографии Canon EOS 400D. Общее время экспозиции составило полтора часа при ISO 800. Фокусное расстояние составляло 600 миллиметров при диафрагме 1:6.0. В качестве руководящего телескопа использовался фотообъектив 300 мм, к которому можно было подключить автоматическую гидирующую камеру SBIG ST-4.
Это изображение галактики Андромеды также было сделано с модифицированной EOS 400D. Оптика съемки - линзовый телескоп с диаметром всего 60 миллиметров и фокусным расстоянием 350 мм. Экспонировалось час и 40 минут при ISO 400. В отсутствие автоматического направляющего устройства использовался руководящий телескоп с нитяным перекрестным окуляром для ручного управления направлением.
