Nikon D810a – Prvý full frame na astrofotografiu

Nikon D810a je upravená verzia dobre známeho Nikonu D810, špeciálne prispôsobená na astrofotografiu. Vďaka upravenému infračervenému filtru je ním možné fotografovať emisné hmloviny v spektrálnej čiare Hα, čo neumožňuje skoro žiadny fotoaparát. Takto upravený filter v kombinácii s veľmi kvalitným senzorom, sľubuje excelentné výsledky pod nočnou oblohou. Na prístroj sa dlho čakalo. Mal som možnosť, ako prvý Slovák, otestovať ho priamo v teréne.

Keď firma Nikon 10.2.2015 uviedla fotoaparát D810a, myslím, že na svete nebol fotograf,  ktorého by táto novinka neprekvapila. Kým firma Canon má v takýchto prístrojoch už "tradíciu" (vo svojej histórii vydala dva takéto fotoaparáty), doposiaľ sa DSLR  značky Nikon v astrofografii používali len minimálne. Je preto obdivuhodné, že si Nikon na takýto počin trúfol a tým, že sa pustil do úpravy svojej vlajkovej lode, zanietencom úplne vyrazili dych.

Rozdiely oproti štandardnému Nikonu D810

-       upravený IR filter so zvýšenou citlivosťou na Hα
-       postproces snímku je optimalizovaný na fotografovanie za nízkych hladín osvetlenia
-       nový mód Long-exposure manual (M*), je v podstate zabudovaný intervalometer, ktorý povoľuje expozičné časy až do 900 sekúnd
-       indikácia expozície a meranie sú v noci vypnuté aby fotografa nerušili
-       funkcia virtuálny horizont je na hľadáčiku zobrazená v červenej farbe, tá v noci toľko neoslepuje
-       náhľad pre snímky dlhšie ako 30 sekúnd
-       až 23 násobné zväčšenie v LiveView móde na uľahčenie zaostrovania

Veľký problém s H-alfa

Prečo  na fotografovanie hviezdnej oblohy nie je vhodný obyčajný fotoaparát? Odpoveď je skrytá v samotnej podstate žiarenia objektov hlbokého vesmíru (DSO). Najpočetnejším chemickým prvkom vo vesmíre je vodík. Často sa nachádza v obrovských mračnách, ktorým hovoríme hmloviny. Ak v atóme vodíka klesne elektrón z tretej energetickej hladiny na druhú, vyžiari sa fotón. To sa deje len veľmi zriedka, ale vodíka je v hmlovine toľko, že významne žiari (hovoríme o tzv. emisných hmlovinách). Žiaľ, je pre nás dosť ťažko viditeľným svetlom na vlnovej dĺžke presne 656,28 nm. Tejto špecifickej vlnovej dĺžke hovoríme Hydrogen-alpha emision (skrátene Hα). Vo vesmíre je táto vlna zastúpená suverénne najviac. Sú to v podstate všetky hmloviny červenej farby. No,  napr. aj Slnko vyžaruje v H-alfa nezanedbateľné množstvo energie. Preto sa astrofotografovia v analógových dobách snažili hlavne o to, aby našli čo najcitlivejší film pre túto vlnovú dĺžku. To, zvlášť v našich zemepisných šírkach, nebolo vôbec jednoduché. Keď prišli prvé digitálne fotoaparáty, astrofotografovia ich privítali s veľkým nadšením. CCD snímač fotoaparátu totiž nie je citlivý iba na viditeľné svetlo, ale aj na ultrafialové a hlavne infračervené vlnové dĺžky. To však spôsobuje problém v “dennej” fotografii. Svetlocitlivé bunky sú pri expozícii zasaturované pre oko neviditeľným svetlom, čím dôjde k beznádejnému rozladeniu farieb na výslednej snímke. Preto výrobcovia fotoaparátov umiestňujú pred senzorom fotoaparátu tzv. UV/IR Cut filter. Ten má za úlohu prepustiť na snímač iba viditeľné svetlo (vlnové dĺžky od cca 400 do 700 nm.). Lenže na tej najdôležitejšej, astronomickej vlnovej dĺžke, je už útlm filtra veľmi značný. Profesionálne astronomické CCD kamery takýto filter nemajú. Ich cena je veľmi vysoká a tým sa stávajú pre väčšinu amatérov nedostupnými. Najšikovnejších fotografov napadlo, aby odstránili z fotoaparátu UV/IR Cut filter a tým výrazne zlepšili citlivosť na emisiu H-alfa. Daňou za to bolo znemožnenie fotografovať pri bežných “denných” podmienkach. Práve teraz prišiel Nikon D810a s upraveným UV/IR Cut filtrom, ktorý ponúka pre astrofotografov hotové riešenie.

Snímač

Senzor je identický s Nikonom D810. Treba vyzdvihnúť jeho vysoké rozlíšenie. Je obdivuhodné, koľko detailov je možné vtesnať do jediného snímku. Dynamický rozsah je tiež nadštandardný a ten si astrofotografovia cenia určite najviac. A čo sa týka šumu? Nikon prehlasuje, že snímač je optimalizovaný na fotografovanie pri nízkych hladinách osvetlenia. Osobne som bol k tomuto vyjadreniu dosť skeptický, no bolo zaujímavé, ako sa Nikon so šumom pri dlhých expozíciách popasoval. Pri dark framoch je rozdiel úplne zjavný. Obzvlášť sa mi páčil výsledok ISO 6400 pri expozičnom čase 30 sekúnd. Šum je taký nízky, že na nočnej fotografii je len ťažko pozorovateľný. Úpravy museli byť uskutočnené až na úrovni postprocesu a dal som neviem čo za to zistiť aké. Chcem pripomenúť, že kvôli zachovaniu dynamického rozsahu sa v astrofotografii ani neodporúča fotografovať na citlivosť väčšiu ako ISO 1600. Tu podáva fotoaparát excelentný výsledok.  Trúfam si tvrdiť, že pri širokouhlej fotografii sa kalibráciou snímok ani netreba zaoberať (metóda skladania niekoľkých snímok, za účelom zníženia šumu v obraze). Poteší aj to, že citlivosť je možné nastaviť až na extrémnych ISO 51600. Toto môže byť, napr. pri úzkopásmovej fotografii, veľmi  užitočné.

Porovnanie darkframov obyčajného Nikonu D810 a upraveného D810a.

Podrobné meranie vlastností snímača

Na  astrofotografických fotoaparátoch mi vždy vadila jedna vec. Výrobca prezentoval svoj nový super fotoaparát, no s ohľadom na kvalitu priepustnosti na Ha sa zmohol len na vyjadrenie, že fotoaparát je napr. 2× citlivejší ako neupravený model. Je to však irelevantné, ak nepoznáme kvantovú účinnosť neupraveného fotoaparátu. Poznať hodnotu, je navyše extrémne dôležité,  lebo vďaka nej sa dajú napr. spočítať expozičné časy, potrebné na fotografovanie hmlovín. Takže astrofotografom nezostane nič, len sa o tejto hodnote dohadovať. Preto som začal plánovať, ako túto hodnotu presne zmerať. Oslovil som docenta Pátu z katedry rádioelektroniky na mojej alma mater a bol som veľmi milo prekvapený jeho ochotou sa na nový Nikon pozrieť. Osobne na mňa nemal čas, ale pridelil ma jednému doktorandovi. Potešením na mojej strane bolo, že tým doktorantom bol český astrofotograf  Petr Skala. Obaja sa dobre poznáme zo Štefánikovej hvezdárne v Prahe,  kde spolu občas fotíme. Takže sme sa rozhodli, že na novom Nikone D810a sa pokúsime zmerať všetko, čo sa bude dať, hlavne spektrum fotoaparátu, farebné podanie, zosílenie a šum.

PRNU - Photo Response Non Uniformity - Odlišnosť pixelov
Gain - Zosílenie DSLR
Read Noise - Vyčítací šum - V podstate šum prevodníku
Full-well capacity - Kapacita potenciálovej studne

	Nikon D810	Nikon D810a	Canon 60Da
FPN
OECF
Shoot Noise
Total Noise
Spectrum

FPN - Fixed-pattern noise - Slúži k výpočtu PRNU
OECF - Opto-Electronic Conversion Function - Linearita DLSR
Shot Noise - Prevod ADU na elektrony
Total Noise - Celkový šum DSLR
Spectrum - Relatívna odozva senzora

Nakoniec sme si toho na hlavu naložili viac ako sme boli schopný zvládnuť. Meranie zabralo viac ako dva mesiace času. Musím hlavne poďakovať Petrovi za mamutí kus práce, ktorú odviedol pri spracovaní dát. Bez nadsázky môžem povedať, že čo do podrobnosti a rozsahu merania sa jedná o unikátny počin a to aj vo svetovom meradle. Nechcem sa teraz púšťať do detailného rozboru. Ten by bol v rozsahu slušnej diplomovej práce. Ale každý astrofotograf si s týmito výsledkami už určite hravo poradí.

Laikom odporúčam sa pozrieť aspoň na spektrálne charakteristiky. Na nich je vidieť hneď niekoľko faktov. V prvom rade je dobré vedieť, že štandardný Nikon D810 ma citlivosť na Hα iba 15 %. Keď si uvedomíme, ako málo svetla k nám z vesmíru dopadá, tak viac ako tri štvrtiny sa ho utlmí na IR filtri. Takúto hodnotu by sme v podstate namerali pri každom fotoaparáte. Niet sa prečo čudovať, že ho astrofotografovia zo svojich prístrojov odstraňujú. Nikon D810a posunul citlivosť na Hα na viac ako dvojnásobok (32 %), to sa môže zdať málo, ale výsledok na reálnych snímkach je už veľmi zjavný. Prekvapil Canon 60Da, ten má citlivosť najvyššiu - 46 %.  Prečo sú teda výrobcovia takí opatrní, keď modifikovaný fotoaparát má spektrálnu odozvu v podstate až 100 %? Z jednoduchého dôvodu - odstránením IR filtra sa deštruuje farebné podanie. Takéto úpravy sú vždy len o kompromise medzi mierou kontaminácie farieb do červena.

Hmlovina Kalifornia (NGC 1499). Porovnanie citlivosti na Hα.

Farebné podanie

Odfotil som Macbethov farebný terč obyčajným Nikonom D810 a jeho upravenom variantou. Aké bolo prekvapenie? K posunutiu farebného podania síce došlo, ale výsledný rozdiel je veľmi malý. V praxi niečo podobné ani nie je možné pozorovať. Ale ako je to možné pri tak razantne upravenom IR filtri? Už pri uvedení fotoaparátu som podozrieval Nikon, že farby v postprocese umelo posunie na správne miesto. Nič také sa však neudialo. Odpoveď je v spektre fotoaparátu. V rámci zachovania verného farebného podania, Nikon znížil odozvu na vlnové dĺžky okolo 600 nm a zvýšil citlivosť na vlnové dĺžky okolo 650 nm. A práve v tom je celý trik!  Plocha “červeného vrcholu” je rovnaká ako u obyčajného Nikonu D810. Stačí  zmeniť jeho tvar, ale farebné podanie sa nezmení. Geniálne riešenie! O to viac ma prekvapilo, ako Nikon na svojich oficiálnych stránkach  upozorňuje, že fotoaparát nie je vhodný na denné fotografovanie. Chápem Nikon, že sa bráni voči prípadným reklamáciám. Každopádne môžem vyhlásiť, že Nikon D810a má skvelé farebné podanie a je ním možné fotografovať čokoľvek a kedykoľvek.

Porovnanie farebného podania.

Osobné skúsenosti

V prvom rade som si v teréne musel zvyknúť na plnoformátový senzor (doteraz som fotil výhradne s 1,5 - násobným crop factorom,  predsalen predĺženie ohniskovej vzdialenosti je v astrofotografii veľmi praktické). Mal som k dispozícii iba 200 mm objektív, to je na full frame poriadne široký záber a aj tie uhlovo najväčšie DSO, sú na snímke veľmi malé. Každopádne u snímača s týmto rozlíšením, si je možné dovoliť veľký orez a kvalita bude stále lepšia ako pri menšom senzore. Takže si myslím, že je to len záležitosť zvyku. Inak som bol veľmi milo prekvapený vstavaným intervalometrom. Musím povedať, že je to prvý fotoaparát, ktorý túto funkciu dotiahol a je radosť ním fotiť. Pre mňa je nepochopiteľné, prečo túto funkciu nemá zabudovanú každý fotoaparát. A ešte jedna drobnosť mi urobila radosť. Často som používal vstavanú uzávierku okuláru hľadáčika. Používať ju v noci, môže pripadať mnohým divné, ale na pozorovacom stanovišti sa nedá nikdy zabezpečiť úplná tma. Pri expozičných časoch, rádovo v minútach, navyše pri vysokej citlivosti, je však veľmi žiaduce túto možnosť využiť.

Nový mód Long-exposure manual (M*). (Zdroj)
http://i.ytimg.com/vi/hisL4phAQso/maxresdefault.jpg

Čo ma  trochu sklamalo, je mód LiveView. Mnoho kolegov astrofotografov tvrdí, že LiveView mód používajú aj u podstatne starších prístrojov bez väčších problémov. Osobne s tým mám značný problém. Ani pri takej vysokej citlivosti ako ISO 12 800,  skoro nič na displeji nevidím. Pritom by stačila drobnosť,  možnosť nastaviť simuláciu expozície aspoň na 1-2 sekundy. Potom by sa dalo cez LiveView dokonca aj komponovať a stále by sa s fotoaparátom pracovalo komfortne. Ďalej by prístroj veľmi svedčil  výklopný displej. Fotoaparát pri astrofotografovaní často mieri kolmo hore a ak je potrebné niečo vidieť na displeji, nezostane nič iné len si doslova ľahnúť pod statív. Ešte som si všimol zvýšený energetický odber. Batéria sa pri fotení vybíja nezvyčajne rýchlo. Nie je to až také výrazné (absolútne neporovnateľné s CCD snímačmi), ale aj tak by som odporučil zaobstarať si náhradnú batériu. Dosť ma prekvapila veľkosť RAW súborov. 36 Mpx je 36 Mpx, jeden súbor zaberá na pevnom disku skoro 80 MB. Pri úvahe, že nie je neobvyklé na jeden DSO fotografovať aj viac ako 100 snímok, tak budúci majiteľ bude nevyhnutne potrebovať  veľký pevný disk, nehovoriac o výpočtovom výkone. Vysoké rozlíšenie zároveň prináša aj veľké nároky na optiku. Uvádzam, že plný potenciál prístroja využijú iba kvalitné objektívy (teleskopy), ale odmenou budú snímky s obrovským množstvom detailov.

(Zdroj)

Fotografovanie bez paraliktickej montáže.

V poslednej dobe je možné pozorovať snímky mnohých fotografov, ktorí bez paraliktickej montáže dokážu nasnímať krásne fotografie nočnej krajiny, na ktorých vyniká Mliečna dráha. Dnešné fotoaparáty sú totiž natoľko citlivé, že už za ničotných 30 sekúnd sú schopné naexponovať slušné detaily Mliečnej dráhy a fotografia sa netopí v záplave šumu. Takže som sa pokúsil o širokouhlé fotografovanie bez montáže aj ja. Výsledok ma veľmi milo prekvapil. So svetelným objektívom vyzerajú snímky na nerozoznanie od fotografií z paraliktickej montáže. Pritom, ešte pred pár rokmi, by niečo také nebolo možné, ale vďaka moderným fotoaparátom s vysokou citlivosťou je možné nasnímať dostatok svetla z vesmíru skôr, ako sa obloha subjektívne pohne. Ideálny fotoaparát na cesty.

Nikon D810a, Nikon 24mm f/1.4, panoráma 16x30 s, f/1,4, ISO 1600.

Profesionálna CCD kamera vs. Nikon D810a

Profesionálne CCD kamery majú excelentný výstup, ale fotografovanie sa vyznačuje niekoľkými špecifikami. Fotografovať sa môže len s pripojeným notebookom s riadnym napájaním. Nehovoriac o spracovaní výsledných snímok, to je podstatne zložitejšie. Pred časom si astrofotografovia zabezpečovali CCD kamery hlavne kvôli 16 bitovému prevodníku. Bol to oproti 12 bitom na DSLR veľký skok. Dnešné fotoaparáty už majú bežne 14 bitový prevodník, a tak už nemá zmysel riadiť sa týmto kritériom. Výhoda DSLR je práve v energetickej sebestačnosti a v predspracovaní snímok. Pokiaľ nejde o úzkopásmovú fotografiu, výsledky z DSLR a CCD kamery sú na nerozoznanie. Pri CCD kamere by sme navyše museli obetovať viac času a úsilia pri spracovaní snímok. Veľa recenzentov Nikonu D810a tiež vyčíta, že mu chýba chladenie senzora. Dovolím si oponovať. Chladenie senzora umožní v podstate iba to, že nie je potrebné pri kalibrácii používať darkframe. Samozrejme, jednotlivé snímky budú vyzerať lepšie, ale zaplatíme za to daň. Chladenie spotrebuje veľa energie, takže v konečnom dôsledku by bola nutná veľká olovená batéria (nie je vôbec neobvyklé, keď astrofotograf napája celu svoju zostavu z autobatérie). Jedna z ďalších vecí,  ktorú si treba pri fotení uvedomiť, je, aby nebol fotoaparát príliš veľký, ťažký a zbytočne zložitý. Chladený fotoaparát nie je “ani ryba, ani rak”. Nikdy nedosiahne kvality CCD kamery a berie si z nej tie najväčšie neduhy.

(Zdroj) 

Pre koho je prístroj určený?

Dnešná astrofotografia sa uberá dvoma rôznymi smermi. Na jednej strane sú tu  skutoční profesionáli,  ktorí majú kvalitnú optiku, masívnu montáž a profesionálnu CCD kameru. Celá zostava je už veľmi komplikovaná a ťažká. Na svojej záhrade si postavia pozorovací domček a fotia výhradne úzkopásmovo. Na druhej strane sú nadšenci, ktorý majú radi čo najprirodzenejšie fotografie a tak vyhľadávajú miesta s čo najmenším svetelným znečistením. Často im nezostáva nič iné, ako za kvalitnou oblohou cestovať aj tisíce kilometrov. Preto musia hmotnosť svojho vybavenia čo najviac obmedziť. Nikon D810a je určený pre nich, pre prvú skupinu určite nie. 

Centrum našej galaxie. S kvalitnou optikou je možné do jedinej snímky dostať neuveriteľné množstvo detailov.
Nikon D810a, Nikon 70-200mm f/2.8G ED AF-S VR II, 200 s, f/2.8, ISO 800, AstroTrac TT-320.

Konkurencia

Oficiálne jediným konkurentom Nikonu D810a je Canon 60Da. Pre ktorý je lepšie sa rozhodnúť? Ťažká otázka. Canon je podstatne lacnejší,  avšak v parametroch omnoho slabší. Kvalita fotoaparátu zodpovedá cene, takže prípadný záujemca sa bude rozhodovať podľa svojich finančných možností.

Čo sa týka neoficiálnej konkurencie,  tu je situácia omnoho zaujímavejšia. V poslednej dobe si totiž s veľkou obľubou astrofotografovia modifikujú Canon 6D. Takýto fotoaparát ponúkne za priaznivejšiu cenu veľmi porovnateľný výkon.  Problémom je, že jeho prostredníctvom nie je možné fotografovať "denné" snímky (ak Vám niekto bude tvrdiť,  že sa to dá,  neverte mu). Ďalšou exotickou variantou je zadovážiť si chladený a modifikovaný Canon 5D Mark II. Ako som sa už vyjadril, chladený fotoaparát nie je až taká výhra, ako by si mnohí mohli myslieť.  Ale zariadenie je to bezosporu špičkové, s cenou porovnateľnou s Nikonom D810a. Poslednou variantou je profesionálna CCD kamera G3 od firmy Moravské přístroje. Disponuje chladeným, monochromatickým, 10,8 Mpx snímačom. Toto je už skutočne profesionálny prístroj a kto o ňom vie, určite nedočíta tento článok dokonca.

(Zdroj)

Plusy a mínusy

+     zvýšená citlivosť na Hα
+     veľký dynamický rozsah
+     snímač optimalizovaný na dlhé expozície
+     citlivosť až ISO 51600
+     vysoké rozlíšenie
+     zabudovaný intervalometer
+     nezmenené farebné podanie

-       vysoká cena
-       chýba výklopný displej

Záver

Je sympatické, že firma Nikon priniesla tento prístroj. Astrofotografia je veľmi špecifický žáner a treba oceniť, že jedna z najväčších značiek naň myslí. Čím viac podobných prístrojov bude, tým lepšie pre fotografov. Čo sa samotného fotoaparátu týka, disponuje špičkovým senzorom s vysokou citlivosťou na Hα, ktorý má perfektne vyvážené farebné podanie. Zvlášť vyzdvihujem, že sa Nikonu podarilo znížiť šum oproti štandardnému D810. Spolu s obrovským množstvom kompatibilnej optiky ide o výborné riešenie pre všetkých, nielen pre astrofotografov. Profesionálni astrofotografovia po ňom asi nesiahnu, pre nich sú určené profesionálne CCD kamery. No už len fakt, že s Nikonom D810a sa dá zaobísť  bez paraliktickej montáže pri širokoúhlej astrofotografii, robí z neho ideálnu voľbu napr. pre zanietených cestovateľov. Cena je vysoká, ale je potrebné si uvedomiť, že toto nie je obyčajný fotoaparát, ale hneď dva v jednom tele. Kombinuje sa tu štandardný Nikon D810 bez kompromisov s veľmi slušnou astrokamerou. Takže nepochybujem, že tento unikátny prístroj si svojich záujemcov nájde.

Vyslovujem hlbokú úctu a poďakovanie docentovi Pátovi a inžinierovi Skalovi za zmeranie senzora fotoaparátu na ČVUT v Prahe a zároveň firme Nikon, za zapožičanie veľkého množstva techniky.