ดาวเคลื่อน ดาราคล้อย : บันทึก … เพื่อหยุด “ดาว”

บทความคราวก่อนเรื่อง “Rule 400” ถือเป็นตัวจุดประกายให้เกิดบทความนี้ ในบทความนั้นมีความเข้าใจคลาดเคลื่อนหลายประเด็น โดยเฉพาะอย่างยิ่งคำแนะนำให้ใช้กฎ 400 ในการถ่ายภาพดาว ซึ่งเอาเข้าจริง เมื่อเราลาก Shutter speed ตอนกลางคืนเพื่อถ่ายดาว มักจะได้แสงดาวที่เคลื่อนที่ในภาพ ดังนั้นไม่ว่าจะใช้สูตรการถ่ายดาวแบบไหน สิ่งสำคัญคือ ต้องมีจุดที่เรายอมรับได้ว่า “เปิดหน้ากล้องนานแค่ไหน ที่จะทำให้ดาวไม่ลากเป็นเส้นจนเกินงาม (Tolerance)”

(Credit: คุณ Preedee Kanjanapongkul และคุณ Matipon Tangmatitham) โดยทั่วไป การยืดในระดับ 5-6 pixels เป็นระดับที่ยอมรับได้ว่า ไม่น่าเกลียด และเมื่อมองจากภาพขนาดใหญ่ก็ยังเห็นดาวเป็นจุด สวยงามอยู่ครับ

นอกจากนี้ กฎ 400 ในบทความนั้น ก็เหมาะกับกล้องบางรุ่น ได้แก่ Nikon D800/e, D810 และกล้อง APS-C ขณะที่กล้องรุ่นอื่นๆ อาจเปิดหน้ากล้องเพื่อถ่ายภาพดาวได้ต่ำกว่า หรือสูงกว่ากฎ 400 เช่น Nikon D4s นั้นสามารถใช้กฎ 600 ได้เลย เพราะสิ่งที่ทำให้ดาวเคลื่อนที่เมื่อเปิดหน้ากล้องนานๆ ไม่ได้ขึ้นแต่เฉพาะ ความยาวโฟกัสของเลนส์ (เช่น เลนส์ 20mm., 35 mm., หรือ 50 mm.) เท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับ Pixel pitchของกล้องแต่ละรุ่นด้วย

[ภาพที่ 1: ถ่ายภาพดาวไม่ยาก ยิ่งกล้องรุ่นใหม่ ประสิทธิภาพสูงขึ้น ทำให้การถ่ายดาว/ทางช้างเผือก เห็นผลลัพธ์ได้ตั้งแต่หลังกล้อง … ภาพนี้แยกเก็บฉากหน้า 1 ใบ และดาวอีก 1 ใบ นำมารวมกันใน Post processing … ภาพนี้ถ่ายเมื่อปีก่อน ในใจคิดว่าเก็บดาวมาดีแล้ว แต่พอมาดูทีหลังพบว่า ดาวเคลื่อนที่เป็นเส้น ขนาดภาพเล็กยังเห็นเคลื่อนที่ชัดเจน ภาพพิมพ์ขนาดใหญ่ เช่น 20 x 30 นิ้ว คงไม่ต้องพูดถึงครับ ดังนั้น ข้อสรุปจากการถ่ายภาพปีก่อนก็คือ การถ่ายภาพดาวนั้นใครก็ถ่ายเป็น แต่จะถ่ายให้ดี เป็นเรื่องที่ต้องศึกษาและนำสิ่งที่ได้ไปต่อยอดต่อไปครับ]

อะไรคือ Pixel pitch?

Pixel pitch หมายถึง ระยะห่างระหว่าง Photosite ที่อยู่ติดกัน โดยวัดจากจุดศูนย์กลางจาก Pixel หนึ่งไปอีก Pixel หนึ่ง มีหน่วยวัดระยะห่างเป็นมิลลิเมตร (mm.) … ยิ่งค่าระยะห่างนี้น้อยลง ก็แสดงว่า Photosite ของแต่ละ Pixle นั้นมีขนาดเล็กและอยู่ใกล้กันมากขึ้น ตรงกันข้าม หากกล้องใดที่มีค่านี้สูง แสดงว่ามี Photosite ขนาดใหญ่และแต่ละ Pixel ของ Photoshite นั้นอยู่ห่างกันมากกว่า ซึ่งเป็นที่ทราบกันว่า Photosite ที่มีขนาดใหญ่กว่า ย่อมดีกว่า เพราะมันสามารถเก็บแสงได้ครอบคลุม ไล่รายละเอียดโทนแสงสีได้ดี และมีสัญญาณรบกวนที่ต่ำกว่า

สำหรับการถ่ายภาพดาว กล้องที่มีค่า Pixel pitch ขนาดใหญ่กว่า จะมีกำลังแยกขยายของ Sensor ต่ำ ทำให้สามารถลาก Shutter speed ได้นานกว่ากล้องที่มีค่า Pixel pitch ขนาดเล็ก (ซึ่งสรุปได้ว่า: ยิ่งมี Pixel pitch ขนาดเล็กเท่าไหร่ เราจะเห็นดาวเคลื่อนที่ยาวขึ้น) เช่น Nikon D810 (หรือกล้อง APS-C ทั่วๆ ไป) มี Pixel pitch 4.88 µm จะมีกำลังขยายประมาณ 205 pixel ต่อ 1 mm. ขณะที่ Nikon D4s มี Pixel pitch 7.28 µm จะมีกำลังขยาย 137 pixel ต่อ 1 mm. นั่นแปลว่า เมื่อตั้งกล้องถ่ายดาวแล้วเปิดรับแสงให้ดาวเคลื่อนที่บน Sensor ไป 1 mm. เราจะเห็นดาวเป็นเส้นยาว 205 pixel บน D810 และยาวเพียง 137 pixel บน D4s (ทำให้กล้องที่มี Pixel pitch ขนาดใหญ่ สามารถเปิดรับแสงได้นานขึ้น อย่างในกรณีนี้ Nikon D4s มี Pixel pitch ใหญ่กว่า D810 เกือบๆ 50% ทำให้สามารถเปิดรับแสงได้นานกว่า D810 ประมาณ 50% จึงใช้กฎ 600 ในการถ่ายดาวได้)

เราจะหาขนาดของ Pixel pitch ของกล้องแต่ละรุ่นได้อย่างไร?

ใน Internet เราสามารถหา Pixel pitch ของกล้งแต่ละรุ่นได้ง่ายๆ เช่น การหาจาก www.google.com โดยพิมพ์คำว่า Pixel pitch และชื่อรุ่นกล้องที่ต้องการค้นหา เช่น “pixel pitch nikon d810” จะได้ผลการค้นหา ที่ระบุ Sensor ของกล้องรุ่นนี้ว่ามีขนาด 4.88 µm (ไมครอน) หรืออาจเข้าไปดูในฐานข้อมูลของ www.digicamdb.com ก็ได้เช่นกัน แต่หากใครต้องการรู้ลึกไปกว่านั้นถึงสูตรในการคำนวณ Pixel pitch ก็สามารถคำนวณได้ดังนี้:

Pixel pitch = [ความกว้างของ Sensor (mm.) / ความละเอียดภาพด้านที่ยาวที่สุด (pixels)] x 1000

เช่น Nikon D810 มีความกว้างของ Sensor = 35.90 mm. และมีความละเอียดภาพด้านที่ยาวที่สุด = 7379 pixles เมื่อเข้าสมการ จะได้ค่าดังนี้

Pixel pitch = (35.90 / 7379) x 1000 ได้คำตอบเท่ากับ 4.88 µm

ระยะเวลาที่เหมาะสมในการเปิดหน้ากล้อง (Shutter speed) เพื่อถ่ายดาว

อย่างที่เกริ่นไว้ข้างต้น การถ่ายดาว หรือทางช้างเผือก มี 3 ปัจจัยที่เกี่ยวพันกัน สรุปได้คือ

1. ความยาวโฟกัสของเลนส์ (เช่น เลนส์ 16 mm.)

2. Pixel pitch (เช่น 4.88 µm –> 0.00488 mm.)

3. จำนวน pixel ที่วัดจากแสงดาวที่เคลื่อนที่บนภาพ ซึ่งเป็นจำนวนที่มากที่สุดที่เรายังยอมรับว่าแสงดาวที่ได้ยังไม่เห็นเป็นเส้น (จากนี้ไป ขอใช้คำสั้นๆ เรียกระดับที่ยอมรับได้นี้ว่า Tolerance นะครับ) ในที่นี้จำนวน Pixel ที่ยืดออกไปที่พอรับได้จะอยู่ระหว่าง 4 – 6 pixels (ผมใช้ค่า 6 pixels ครับ)

ดังนั้น เมื่อเราทราบค่าข้างต้นถ้วน เราก็สามารถหาเวลาเปิดหน้ากล้องที่นานที่สุด ที่สามารถลากได้ในการถ่ายดาว ด้วยสูตร

เวลาเปิดหน้ากล้องสูงสุด (วินาที) = [13,751 x Tolerance X Pixel pitch] / ความยาวโฟกัสของเลนส์

เช่น เราใช้เลนส์ 16 mm. บนกล้อง Nikon D810 (ที่มี Pixel pitch = 0.00488 mm.) และมีการยอมรับระยะทางที่ดาวเคลื่อนที่ไม่เกิน 6 pixels นำไปคำนวณเวลาเปิดหน้ากล้องได้ดังนี้:

ระยะเวลาเปิดหน้ากล้องสูงสุด (วินาที) = [13,751 x 6 x 0.00488]/16 = 25 วินาที

และนั่นคือที่มาของกฎ 400 ในบทความก่อนหน้านี้ ที่แนะนำให้เอา 400 หารด้วยความยาวโฟกัสของเลนส์ที่ใช้ ซึ่งจะได้เท่ากับ 400/16 = 25 วินาที ซึ่งกฎนี้จะเหมาะสำหรับกล้อง Nikon D800 (e), 810 และกล้อง APS-C ทั่วๆ ไปครับ

แต่หากเรามีระดับการยอมรับความยืดของดาวน้อยกว่านี้ เช่น 5 pixels และ 4 pixels เมื่อเข้าสูตรจะได้เวลาเปิดหน้ากล้องสูงสุดที่ 21 วินาที และ 17 วินาที ตามลำดับ

แล้วไอ้ค่า 13,751 นั้น คือ ค่าอะไร???

ผมขอออกตัวว่าไม่ใช่นักดาราศาสตร์ และขออ้างอิงข้อความของคุณ Matipon Tangmatitham ที่ได้ให้คำแนะนำที่มีประโยชน์ไว้ดังนี้: “ตัวเลข 13,751 นี้คือความเร็วในการหมุนของโลก บริเวณศูนย์สูตรท้องฟ้า (ในหน่วยวินาทีต่อเรเดียน)… โดยคำนวณได้จาก

โลกหมุน 2*pi เรเดียนภายใน 24 ชั่วโมง เท่ากับ (24*60*60)/2*pi = 13751 วินาทีต่อเรเดียน = 13,751 วินาทีต่อเรเดียน

หากเราถ่ายภาพดาวเหนือ, ใกล้ๆ กลุ่มดาว Crux หรือดาวทางขั้วฟ้าใต้ ดาวจะยิ่งเคลื่อนที่ช้า (อัตราเร็วเชิงเส้น) กว่าบริเวณศูนย์สูตรท้องฟ้า … ตรงนี้ไม่ต้องงงครับ มันหมายถึง “ดาวที่อยู่ใกล้จุดหมุนจะเคลื่อนที่ช้ากว่าดาวที่อยู่ไกลจุดหมุน” เราจึงสามารถใช้ค่าที่มากกว่าค่า 13,751 วินาทีต่อเรเดียน นี้ได้ –> ส่งผลให้เปิดหน้ากล้อง (Exposure time) ได้นานขึ้น แต่โดยปรกติ! … เรามักใช้เลนส์มุมกว้างถ่ายภาพดาว หากใช้ค่าที่สูงกว่านี้แล้วยิงภาพดาวเหนือ อาจจะติดดาวบริเวณศูนย์สูตรฟ้ามาด้วย ซึ่งจะทำให้ดาวที่อยู่ไกลจากจุดหมุนลากเป็นเส้นยาวกว่าดาวที่อยู่ใกล้จุดหมุน ดังนั้นในการคำนวณระยะเวลาเปิดหน้ากล้องสูงสุด จึงควรใช้ค่า 13,751 วินาทีต่อเรเดียน จึงเหมาะสมที่สุด เพื่อป้องกันการลากเป็นเส้นของดาวในแต่ละพื้นที่นั่นเอง

ที่มาของสูตร (อ่อนคณิตศาสตร์แบบผม … อ่านข้ามไปได้ครับ)

ระยะทางที่ภาพดาวเคลื่อนไปบน sensor = จำนวน pixel ของภาพดาวที่เคลื่อน(Pix) x pixel pitch(PP) = focal length(FL) x tan(2πt/86400) เมื่อ t เป็น exposure time (sec) และค่า 2π/86400 คือ radian ต่อวินาที) = 0.000072722

tan(0.000072722t) = (PP x Pix)/FL

ถ้ากำหนด tolerance(T) คือ max Pix ที่รับได้

tan(0.000072722t) = (T x PP)/FL

ทีนี้ถ้า x มีค่าน้อยมาก tan(x) ≈ x จึงแทนที่ด้วย tan(0.000072722t) = 0.000072722t

t = ((T x PP)/(0.000072722 x FL) t = 13751(T x PP)/FL

ตารางสรุปกฎที่เหมาะสม สำหรับกล้องถ่ายภาพ (บางรุ่น) - ปี 2556

ตารางสรุป Pixel pitch และกฎการเปิดหน้ากล้อง (Shutter speed) ที่ผมคิดว่าเหมาะสม กล่าวคือ มีระดับความยืดของดาว (Tolerance) ที่ 6 pixels (ขอแสดงเฉพาะกล้อง FF และกล้องตัวคูณบางรุ่น หากสนใจรุ่นอื่นๆ รบกวนดูข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่: http://www.digicamdb.com) และขอบันทึกไว้ว่า ตารางนี้แนะนำกฎต่างๆ เพื่อให้ตัวเลขที่ง่ายแก่การคำนวณครับ หากใครต้องการทราบ “ระยะเวลาในการเปิดหน้ากล้องสูงสุด (วินาที)” แบบเป๊ะๆ สามารถดูได้จากสูตรข้างต้น …. นอกจากนี้ กล้องตัวคูณที่จะใช้สูตรนี้ เลนส์ที่นำมาคำนวณนั้น *ไม่จำเป็นต้องคูณค่า Crop factor นะครับ ให้นำระยะที่ใช้มาหารตรงๆ เลย เช่น หากใช้เลนส์ 10-20 mm. ที่ระยะ 10 mm. บนกล้องตัวคูณ ก็ให้นำเลข 10 ไปหากฎที่เหมาะสมของกล้องนั้นๆ ได้เลยครับ

[ภาพที่ 2: ตารางสรุปกฎการถ่ายภาพดาว สำหรับกล้อง Nikon, Canon, Sony และ Fuji (เฉพาะรุ่นที่ได้รับความนิยมในปัจจุบัน)]

[ภาพที่ 3: ภาพถ่าย Selfie กับการออกรอบถ่ายดาวที่ Patagonia … ผมคิดว่า การล่าแสงดาว / ทางช้างเผือก / Startrails มีความท้าทายมากๆ และรู้สึกตื่นเต้นในทุกครั้งที่ออกไปล่าแสงดาว ในหัวมีเรื่องให้คิดมากมาย ตั้งแต่การหามุมถ่ายภาพ การวางองค์ประกอบ การเลือกใช้เลนส์ และสุดท้ายการตั้งค่ากล้องเพื่อเก็บแสงดาว ทุกอย่างเป็นศาสตร์และศิลป์ คิดว่ามันยาก … มันก็ยากครับ แต่หากคิดว่ามันเป็นเรื่องที่ดีต่อตัวเอง ทำให้ตัวเองถ่ายรูปดี ถ่ายรูปเก่งขึ้น … มันก็ง่ายและน่าสนใจที่จะศึกษามันนะ ผมเชื่อว่า ทุกคนทำได้ และจะทำได้ดีกว่าตัวคุณเองในวันที่ผ่านๆ มาด้วย เป็นกำลังใจให้ทุกคนครับ]

หวังว่าบทความชุดนี้ พอจะเป็นประโยชน์ให้กลุ่มช่างภาพที่ต้องการต่อยอดแนวคิด และความรู้เรื่องการถ่ายภาพดาว จะสามารถใช้ประโยชน์ข้อมูลนี้เพื่อคำนวณหา ระยะเวลาเปิดหน้ากล้องสูงสุด ที่สามารถใช้ได้ เพื่อให้ภาพที่ได้เนียน สวย และได้ดาวจุดสวยๆ ไม่ยืดเป็นเส้นที่น่าเกลียดนะครับ

สุดท้ายนี้ ต้องขอขอบคุณ คุณ Preedee Kanjanapongkul และคุณ Matipon Tangmatitham เป็นอย่างมาก ที่ให้คำแนะนำ และแชร์ประสบการณ์ที่เป็นประโยชน์ต่อการเขียนบทความในครั้งนี้ หากมีขอผิดพลาดประการใด ต้องขออภัย และสามารถติดต่อผมเพื่อให้ข้อมูลเพิ่มเติมได้ตลอด ขอบคุณล่วงหน้าครับ

แหล่งข้อมูลอ้างอิงเพิ่มเติม:

http://starcircleacademy.com/2012/06/600-rule/

https://photographylife.com/photographing-the-milky-way/3

http://www.clarkvision.com/articles/nightscapes/

http://intothenightphoto.blogspot.com/2013/05/my-450-rule-to-stop-star-trailing.html

http://petapixel.com/2015/01/06/avoid-star-trails-following-500-rule/