La imagen muestra la región del cielo entre las constelaciones del Fénix y el Escultor, y el cometa Lemmon es la cosa borrosa y verde abajo y a la derecha del centro (probablemente quieran hacer click en la imagen para verla a tamaño completo). Fue tomada desde acá el 11 de marzo de 2013, alrededor de las 21:40hs.
No se ve tan grandioso, eh? Bueno, aquí a la derecha tienen un recorte al 100% de la región del cometa, incluyendo una amplificación por 4 de la cabeza. Ahora se ve mucho mejor (de nuevo, hagan click en ella, yo espero). La cabeza y la cola se ven claramente, mostrando el característico color verdoso de este cometa. Este color particular se debe a los gases cianógeno y carbono diatómico que se liberan del núcleo a medida que es calentado por el Sol. Comparando la luminosidad de la cabeza del cometa con estrellas cercanas, yo diría que la magnitud aparente era alrededor de 6.7 en ese momento. En las miniaturas abajo pueden encontrar otras dos imágenes. La primera es una versión blanco y negro con el brillo y contraste incrementados para hacer más visible la tenue cola (la cabeza resulta sobre-expuesta). La mancha arriba del cometa es NGC 55, una galaxia irregular de 8va magnitud ubicada a unos 7 millones de años luz. La segunda imagen muestra una vista más amplia de la región con todas las estrellas de magnitud menor a 5.5 identificadas.
Concedido, no es la mejor imagen jamás tomada del cometa (Google es su amigo, búsquenlas), pero lo que la hace más notable para mí es la forma en que la tomé. No usé un telescopio. No usé una montura ecuatorial con seguimiento. Ni siquiera estaba en la mejor ubicación posible: aún en un lugar oscuro y alto como Bariloche, estar al borde de un mallín y debajo de las luces de la calle no es la definición de "mejor ubicación" para astrofotografía. Lo que sigue a continuación es una descripción de cómo pude hacerlo.
Un humilde viaje hacia la astrofotografía
Primero lo primero: esto no es de ninguna forma un tutorial en astrofotografía. Estoy muy lejos de estar calificado para hacer eso. Esto es sólo una colección de ideas que espero puedan ayudar a otras personas en la misma situación que yo, sacando fotos del cielo con los instrumentos que tengo a mano. Se va a poner un poco técnico en algunos puntos, pero creo que es bueno tener una idea básica de por qué las cosas se hacen así (y cualquiera puede señalar si estoy mal en algún lado...). Se va a focalizar además en objetos del espacio profundo, así que tengan en cuenta que algunos puntos pueden no ser relevantes para cosas "más brillantes" como planetas. Lo que encontré después de un par de sesiones (y especialmente después de procesar estas imágenes) es que tomar buenas fotos del cielo puede ser sorprendentemente fácil si se hace bien.
La astrofotografía no es diferente de cualquier otro estilo fotográfico: se necesita llevar la cantidad justa de luz al sensor de la cámara. El problema aquí es que la "cantidad disponible" de luz es usualmente mucho menor a la "cantidad justa" de luz. Podemos luchar contra esta limitación tanto al tomar la foto (capturando la mayor cantidad posible de luz) como después durante el procesamiento de la imagen (básicamente usando image stacking). Si bien el hardware de la cámara es un factor muy importante, la mayor parte del tiempo lo es a cambio del procesamiento de imágenes. Cuanto mejor sea el hardware, menos procesamiento se necesitará para obtener la imagen final. Actualmente estoy usando una Canon 5D Mark II, y su sensor full frame es una gran ventaja con poca luz (menos ruido). Las fotos en este post fueron tomadas con un lente Canon EF 100mm f/2.8 USM Macro, el cual es muy nítido aún a la máxima apertura y maximiza la cantidad de luz disponible para la imagen. Pero yo diría que cualquier DSLR actual con un lente decente es suficiente, si uno está preparado para invertir el tiempo necesario tomando y procesando las imágenes.
Cuando tomamos fotos con iluminación normal aprendemos que "cuanto más bajo el ISO, menos ruido". Una cosa que me sorprendió cuando empecé a investigar este tema fue que los ISOs más bajos no son usualmente la mejor elección en astrofotografía. Cuando se fotografía el cielo de noche, uno está tomando normalmente una imagen que está severamente sub-expuesta. Bajo estas circunstancias, en muchas cámaras la relación señal-ruido (S/N) estará limitada por el ruido de lectura, el ruido que introduce el conversor analógico-digital (ADC). Crucialmente, el ADC se ubica después de los amplificadores del sensor, por lo que el ruido de lectura es independiente del ISO. En términos del ruido de lectura es mucho mejor tomar una foto a ISO 800 que tomarla a ISO 100 e incrementar la exposición 3 stops durante el post-procesamiento, porque en el segundo caso se está multiplicando el ruido de lectura por 8. Por otro lado, a ISOs muy altos el rango dinámico empieza a caer debido a la capacidad máxima del pixel, lo que perjudica las señales muy bajas. El resultado es que el ISO ideal está en algún lugar en el medio (y depende de la cámara). Los números típicos que he visto para el punto óptimo de la 5D Mk II son ISO 800 y 1600, yo personalmente prefiero el primero (ver nota 1).
La última variable bajo nuestro control directo es el tiempo de exposición (suponiendo que usamos la apertura "decente" más grande del lente). La estadística de la detección de luz implica que la S/N mejora como la raíz cuadrada de la señal (sigue una distribución de Poisson). Esto se llama ruido de conteo de fotones. Para un ISO fijo, cuanto más largo el tiempo de exposición más alta será la señal y mejor será la S/N (ignorando otras fuentes de ruido, ver nota 1 y nota 2). Pero entonces nos chocamos con otra limitación: el cielo se mueve! Como con cualquier otro sujeto que se mueva esto limita por cuánto tiempo podemos exponer el sensor antes de que el movimiento borronee la imagen, y depende de la distancia focal y el tamaño del pixel (nota 3). Yo encontré una pequeña aplicación útil para estimar el tiempo de exposición máximo dadas esas variable y la declinación del objeto en el cielo. Lo mejor es probar diferentes tiempos alrededor de este punto de partida, y buscar el más largo con el que podamos vivir dado el sujeto de la foto (una vista amplia de la galaxia es más indulgente que un cúmulo estelar a la misma distancia focal). Se puede ver en las fotos del cometa que las estrellas empiezan a dejar trazos para estas exposiciones de 5 segundos a 100mm de distancia focal. Si bien el efecto no es dramático en el propio cometa, quizás exposiciones de 4 segundos hubieran sido una mejor elección.
Image stacking
Una vez que hemos decidido cuál es la mejor configuración para la cámara, es el momento de tomar la foto. O fotos, realmente. A menos que nuestro sujeto sea relativamente brillante, una única exposición se verá extremadamente ruidosa como esta:
Esta es exactamente la misma región del cielo de la primera imagen, pero corresponde a una única foto sin procesar. El cometa Lemmon está dentro del círculo. A la izquierda hay una versión animada para que puedan juzgar mejor el cambio entre ambas imágenes. Hay básicamente dos tipos de ruido que afectan la imagen sin procesar. El primer tipo es determinístico, y es producido por las corrientes oscuras ligeramente distintas en cada pixel que resultan en distintos niveles de fondo (probablemente escucharon hablar antes de "hot pixels"). El segundo tipo es ruido al azar, y es el resultado de la combinación del ruido de lectura, térmico y de conteo de fotones. Ambos tipos están presentes en cada imagen que tomamos, pero sólo dominan el resultado final cuando las señales útiles de luz son muy bajas.
Una parte importante del procesamiento de imágenes en astrofotografía es deshacerse de este ruido, y hay formas definidas y probadas de hacerlo. Por ejemplo, para reducir el ruido al azar uno se basa en la estadística: si promediamos N fotos, el ruido al azar típico se reduce en un factor raíz cuadrada de N. Este proceso se llama "image stacking", y puede aumentar drásticamente el rango dinámico de la imagen. Promediemos 10 fotos y el ruido se reduce por 3.3 (1.7 stops), promediemos 100 y el ruido se reduce en un factor 10 (3.3 stops). Notemos que, debido a la raíz cuadrada involucrada, el beneficio real de hacer esto se reduce a medida que el número de fotos aumenta. En la práctica, un número de fotos entre 10 y 100 es normalmente el mejor compromiso entre reducción de ruido y tiempo requerido. Como el cielo rota entre fotos, las imágenes además tienen que alinearse correctamente antes de hacer el promedio. Yo uso el programa gratuito DeepSkyStacker para alinear y promediar las fotos automáticamente (ver nota 4).
Para remover la parte determinística del ruido, por otro lado, debemos substraer un "dark frame": restamos a la foto del cielo (el "light frame") una segunda foto tomada con la tapa del lente puesta (el "dark frame"). Este dark frame debe ser tomado al mismo ISO, misma temperatura de la cámara y mismo tiempo de exposición que el light frame, porque la corriente oscura depende de todo eso. Los dark frames sufren de los mismos problemas de ruido al azar que los light frames, por lo que también debemos hacer un promedio de varios para evitar introducir ruido extra en la imagen final. Este dark frame maestro debería consistir de al menos el mismo número de fotos que el conjunto de light frames (ver nota 5). Uno puede tomar los dark frames entre medio de los light frames o tomarlos todos juntos al final. Yo prefiero la primera opción (5 light, 5 dark, repetir) para asegurarme que cualquier variación de la temperatura a lo largo de la sesión sea tomada en cuenta apropiadamente, pero debo ser cuidadoso de no mover la cámara al cubrir el lente. DeepSkyStacker procesa automáticamente todos los dark frames para generar un dark frame maestro, y luego lo resta de cada light frame antes de alinearlos y promediarlos. Después de que DeepSkyStacker exportó el archivo FITS de 32bit final, uso SAOImage DS9 para separar los tres canales de color y se los paso a un pequeño programa de linea de comando llamado STIFF, el cual produce un TIFF de 16bit con el gamma corregido. Todo esto los hago en Linux, corriendo DeepSkyStacker bajo Wine.
En este caso en particular, la imagen final del cometa es un stack de 50 light frames de 5 segundos cada uno (equivalente a una exposición total de 4 minutes y 10 segundos) y 50 dark frames. Como dije antes, fueron tomadas a un ISO 800 con una apertura f/2.8 y a una distancia focal de 100mm, en una DSLR full frame. El procesamiento debería haberme dado alrededor de 7 veces más rango dinámico (2.8 stops extras) respecto de una foto única. Mirando en un mapa estelar digital (Stellarium) puedo encontrar fácilmente estrellas de hasta 12va magnitud en la imagen final, lo cual me parece espectacular dadas las circunstancias.
Nota 1: Hay un par de puntos extra a tener en cuenta. Si los tiempos de exposición son muy largos (varios minutos), el ruido térmico domina la S/N. Este es proporcional a la raíz cuadrada tanto del tiempo de exposición como del ISO, así que debería ser constante para valores de exposición constantes (un tiempo más largo es compensado por un ISO más bajo, y viceversa) (ver también nota 2). El segundo punto es que en muchas cámaras parece que sólo los ISOs full stop (100, 200, 400, ...) son realmente amplificadores en hardware, los otros son sólo correcciones digitales implementadas después del ADC o directamente en software. Así que usualmente no hay ventaja en usar ISOs no-full stop aquí.
Nota 2: La corriente oscura (la fuente del ruido térmico) tiene otro efecto secundario pernicioso: llena el pixel con electrones no producidos por fotones, lo cual reduce el rango dinámico y disminuye la S/N para tiempos de exposición muy largos.
Nota 3: Obviamente, la solución ideal aquí es usar una montura ecuatorial con seguimiento, la cual sigue la rotación del cielo de forma tal que parece quieto para la cámara. Sin embargo, las buenas monturas ecuatoriales son suficientemente caras como para requerir un cierto nivel de compromiso con la astrofotografía (el cual no tengo por el momento), y las monturas económicas no son suficientemente sólidas como para soportar una DSLR con (posiblemente) un lente grande montado. Probablemente un seguidor de puerta casero es la solución, pero aún no construí ninguno (por ejemplo, este o este otro). De todas formas, tener en cuenta la nota 2.
Nota 4: Le paso al programa los archivos RAW originales de la cámara porque, entonces, el mismo trabaja sobre las imágenes antes de hacer la interpolación de la Matriz de Bayer. Esto debería minimizar el cruce de ruido entre colores con respecto a trabajar sobre archivos TIFF de 16bit ya revelados (en todo caso estos últimos deben ser lineales, no logarítmicos).
Nota 5: Cuánto ruido introduce el dark frame maestro dependerá de cómo el ruido de conteo de fotones se compara con las otras dos fuentes de ruido (los dark frames sólo tienen ruido de lectura y térmico). Si el ruido de conteo de fotones es la fuente dominante de ruido, entonces usar un número similar de dark y light frames no incrementará significativamente el ruido final. Pero si los ruidos de lectura o térmico dominan (lo cual puede pasar para tiempos de exposición muy cortos o muy largos), entonces un número similar de darks va a introducir alrededor de 1/2 stop de ruido al azar extra en la imagen restada. En este último caso, debería considerarse un número más grande de dark frames. Notemos además que la mayoría de las DSLRs pueden substraer el dark frame en la misma cámara (lo llaman "reducción de ruido para exposiciones largas"), pero hay razones prácticas y teóricas para hacerlo manualmente si hay muchas imágenes involucradas. Si se hace manualmente, uno debe asegurarse de que esa opción esté deshabilitada en la cámara.
Más links:
1 - ClarkVision.com
| (this post in English) |
