Astrofotografía urbana
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Astrofotografía urbana de cielo profundo con cámara réflex digital y CCD: el reto de la
contaminación lumínica
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Objetivo de la web: El objetivo de esta web es compartir mis experiencias como aficionado a la astrofotografía realizada desde la ciudad de Barcelona. No pretendo obtener imágenes de valor científico sino captar una fracción de la belleza que nos ofrece el universo. Me gustaría poder transmitir la idea de que, a pesar de la contaminación lumínica y ambiental, la astrofotografía de cielo profundo es factible desde áreas metropolitanas, animando a personas como yo a disfrutar con esta apasionante afición. He enfocado la mayor parte de los comentarios y explicaciones a partir de astrofotografías realizadas con una cámara réflex digital (DSLR). Se trata de cámaras que actualmente se han popularizado y son accesibles a muchos aficionados. Aunque no están diseñadas pensando en las exigentes condiciones que imponen las imágenes astronómicas, consiguen resultados muy interesantes y nos permiten un acercamiento serio a la astrofotografía. También efectuaré algún apunte sobre las cámaras CCD porque considero que, al menos en mi caso, han supuesto la evolución natural tras una larga etapa “exprimiendo” las posibilidades de las réflex digitales. Finalmente, podréis encontrar un tutorial de procesado básico con Photoshop en el que he intentado exponer de una manera estructurada un flujo de trabajo sencillo y que espero os pueda ser de utilidad para iniciaros en el mundo de la astrofotografía. |
Mirando hacia el mar bajo un cielo sin estrellas |
Unas reflexiones iniciales: |
Vista nocturna de la ciudad de Barcelona ( exposición de 30 segundos a Iso 400)
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¿Es posible la astronomía en estas condiciones...? |
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A la caza y captura de fotones |
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Si no podemos efectuar tomas más largas ni
incrementar la sensibilidad del sensor CCD...¿podemos realmente incrementar la
señal por encima del citado umbral de saturación para nuestro cielo y equipo (la
utilización de filtros antipolución ayuda un poco pero también elimina una parte
de la señal "buena")? |
La relación señal/ruido
Cuando, mediante software, intentamos extraer
y hacer emerger la señal de una toma, el ruido también aparece inevitablemente,
limitando en gran medida las posibilidades de mejorar la imagen. Aumentamos la
señal y también el ruido. Si la señal y el ruido aparecen tan estrechamente
unidos...¿Qué podemos hacer para separar uno del otro?
Utilizando métodos estadísticos podemos aumentar la relación Señal/Ruido. Una de las estimaciones estadísticas más utilizadas es calcular la media de un grupo de tomas, es decir, sumar el valor de cada píxel situado en el mismo lugar y dividirlo por el número de imágenes que se van a combinar. La mejora (aumento) de la relación Señal/Ruido después del promediado es proporcional a la raíz cuadrada del número de imágenes empleadas.
De acuerdo con esta fórmula, promediando 4
imágenes mejoramos la relación Señal/Ruido en un factor 2, con 9 en un factor 3,
etc. Es decir, con un número de imágenes suficientemente elevado podemos, en
teoría, reducir el ruido tanto como queramos y obtener una relación Señal/Ruido
alta. Es importante recalcar que el apilamiento de imágenes no significa un
aumento de la señal presente en cada toma individual. En este sentido, una
imagen individual de 300 segundos bajo un cielo oscuro, contiene más señal,
entendida como información, que apilar 10 tomas de 30 segundos captadas bajo el
mismo cielo. Lo que nos permite el apilar muchas imágenes, y no es poco, es
disminuir significativamente el ruido de la imagen para poder aplicar métodos
intensivos de procesado y "hacer aparecer" la señal, desvelando unos
detalles que hasta ese momento eran invisibles.
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Astrofotografía con cámaras réflex digitales (DSLR)
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El ruido en las cámaras réflex digitales La mayor dificultad con la que nos enfrentamos
en la astrofotografía urbana es, sin duda, la presencia del indeseable "ruido"
en las imágenes captadas. Éste se hace especialmente patente al no poder
acumular la señal suficiente por culpa de la contaminación lumínica. Es decir,
bajo un cielo oscuro y mediante exposiciones individuales largas, podemos
acumular la señal del objeto astronómico de tal manera que se imponga por encima
del ruido que siempre existe (es lo que se llama "enterrar" el ruido bajo la
señal). Por desgracia, esto no es posible desde la ciudad dado que rápidamente
se alcanza el umbral de saturación. Ruido térmico (Dark current noise)
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Dark de 30 segundos a Iso 800 generado con una Canon 50D (amplificado para mejor visualización)
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Esta "falsa señal" puede sustraerse de la imagen original mediante los llamados "darks" o tomas oscuras. Un dark se realiza con el objetivo de la cámara tapado y con la misma duración e Iso de la toma a "limpiar". Es muy conveniente que los darks se realicen durante la misma sesión de astrofotografía para que la temperatura sea lo más similar posible a la de las tomas originales. Como cualquier imagen, un dark también lleva incorporado ruido aleatorio por lo que será conveniente minimizar éste último mediante un apilado de varios darks (50/75 es un buen número), generando lo que se llama un "dark maestro" (master dark). Una buena opción es efectuar un conjunto de darks durante la sesión, la mitad al principio y el resto al final, después de la adquisición de la imágenes astronómicas. Ruido de lectura o Ron (read out noise) Este ruido es ocasionado por la electrónica de
la cámara en el momento de efectuar las operaciones de lectura,
amplificación y recuento de la señal. En las DSLR el Ron está relacionado
directamente con el ajuste de la sensibilidad Iso, siendo proporcional al mismo.
Un ajuste de la Iso más alto producirá un mayor ruido de lectura. |
Comparativa del ruido de lectura (Ron)
a diferentes sensibilidades Iso de una Canon 50D (amplificado con Photoshop para
una mejor visualización en la web) |
En la imagen superior se constata el aumento del ruido de lectura a medida que vamos aumentando el ajuste Iso de la DSLR. Observemos el "brutal" patrón de ruido a partir de las altas Iso que produce la Canon 50D, especialmente a 3200, 6400 y 12800 Iso. El ruido de lectura puede minimizarse (no eliminarse) mediante las denominadas "Bias", es decir, tomas con el objetivo tapado a la mayor velocidad que permita la cámara y con la misma Iso de las tomas originales. Al ser tan cortas únicamente contienen el ruido de lectura ya que no ha habido tiempo de generar ruido térmico. Patrones de ruido digital Si analizamos el ruido presente en cualquier imagen digital, en función de su naturaleza, podemos diferenciarlo en dos tipos:
El ruido "genérico" que muestra una
distribución normalmente presente por toda la imagen y que podríamos asimilar al
"grano" de la fotografía analógica/química, es de naturaleza aleatoria y, en
consecuencia, susceptible de ser reducido en gran medida mediante el apilado de
un número suficiente de imágenes individuales. |
Ejemplo de ruido genérico aleatorio( fondo de la imagen) Ejemplo de ruido térmico Ejemplo de ruido de lectura con la presencia del "banding" " |
Mi experiencia personal con las cámaras DSLR
(réflex digitales) y con en el procesado de astrofotografías urbanas en
las que la señal obtenida es muy débil, me indica que el tipo de ruido que
representa un mayor problema es el de lectura (RON / "read out noise"). Se trata
de un ruido absolutamente "incrustado" en las imágenes y que en los procesados
exigentes, aparece rápidamente y se hace muy visible. Al tratarse de un ruido no
aleatorio, debería poderse paliar mediante la resta de un "Bias" (un Master Bias
obtenido apilando 30 ó más Bias individuales con la misma Iso que las imágenes
astronómicas ). Sin embargo, no he conseguido reducciones significativas del
ruido de lectura por sustracción de Bias de las tomas individuales. Dentro de la multitud de pruebas y ensayos que voy efectuando fotografiando el cielo de mi ciudad, realizo exposiciones de varios minutos (entre 1 y 4) para poder utilizar ajustes Iso bajos (100/200 Iso). Esto es interesante porque permite operar con la máxima calidad del sensor CMOS de la Canon, es decir, con el mínimo nivel de producción de ruido y también porque al captarse más fotones (son directamente proporcionales al tiempo de exposición) se aprovecha mejor el rango dinámico de la cámara, esto es, la capacidad para representar los distintos niveles de grises. Estos tiempos de exposición requieren efectuar autoguiado para que no se pongan de manifiesto los movimientos estelares en las tomas individuales. Un correcto y preciso autoguiado consigue que prácticamente no se produzca deriva del objeto fotografiado y del fondo del cielo entre toma y toma, es decir, la situación de los píxeles con la información es la misma en cada imagen. Esto, que puede parecer bueno y deseable, genera problemas desde el punto de vista de eliminación del ruido no aleatorio, muy especialmente, del ruido de lectura. Efectivamente, cuanto mejor y más preciso es el autoguiado, más patente se hace el ruido de lectura durante el procesado de las imágenes. Al recaer el patrón de ruido en los mismos píxeles de las sucesivas imágenes, lejos de reducirse o eliminarse, se refuerza (es tratado como si de "señal buena" se tratase). Utilizando la deriva del telescopio como "dithering" La técnica denominada "dithering" (del inglés dither: temblar, agitar...), consiste en efectuar pequeños desplazamientos del campo fotografiado entre toma y toma (unos pocos píxeles). Este desplazamiento puede conseguirse de 3 maneras:
El dithering es un procedimiento muy potente
para luchar contra los patrones de ruido no aleatorios porque, una vez alineadas
las estrellas de las diferentes imágenes individuales, podemos aplicar una
combinación estadística que descarte los valores de los píxeles que se ven
afectados por el citado ruido. Lo que nos proporciona el dithering es la
posibilidad de convertir un patrón de ruido no aleatorio en uno que podríamos
definir como "pseudo" aleatorio. El ajuste de la sensibilidad Iso en las DSLR Considero necesario efectuar una aclaración
sobre el concepto de la Iso en las DSLR, mal denominado ajuste de sensibilidad.
La sensibilidad o eficiencia quántica del sensor es una característica propia
del mismo y puede definirse como la capacidad para convertir el mayor número de
fotones recibidos del cielo en electrones que, posteriormente, serán
interpretados en una estructura de píxeles, creando la imagen. La eficiencia del
sensor es la que es en función de los materiales y el diseño empleados en el
momento de su fabricación y, por lo tanto, no es modificable electrónicamente a
posteriori. El ajuste Iso actúa amplificando el valor de los electrones
recogidos en cada celdilla del sensor, en el momento de efectuar la lectura,
pero eso no significa que el sensor "haya captado mas fotones del objeto
astronómico". Esta amplificación electrónica conlleva también aumentar
dramáticamente el ruido de lectura (Ron) siendo, para astrofotografía, peor el
remedio que la enfermedad. En la práctica, los ajustes elevados de la "sensibilidad"
Iso (superiores a Iso 1600) deben, en principio, descartarse (salvo que apilemos
centenares de imágenes individuales capturadas con "dithering").
Atacando la galaxia de Andrómeda desde una
ciudad La galaxia de Andrómeda fotografiada desde la ciudad de Barcelona |
La imagen después del apilado y antes del procesado La misma toma después del procesado |
(Imagen captada entre el 30 de octubre y el 10 de noviembre del 2007)
Conclusiones: Cada cielo tiene sus posibilidades. En efecto, lo importante es volver a "mirar
hacia arriba" y hacer de las dificultades un reto motivador. No pretendo dar el
mensaje de que los cielos urbanos actuales son ideales para la práctica de la
astronomía pero, estoy convencido, esconden mucha más "magia" de la que creemos. Sólo hay
que comparar la imagen obtenida directamente de la cámara (antes del procesado)
con la resultante final tras el procesado. En este sentido, todo lo que podamos
hacer para intentar mejorar, por poco que sea, las tomas individuales, permitirá
conseguir resultados de más calidad. Afortunadamente no es imprescindible un
equipo de coste prohibitivo ya que en la ciudad no es tan determinante como
la metodología utilizada (muchas tomas individuales y el procesado posterior).
La oferta de cámaras digitales réflex las ha situado en un segmento de precios
mucho más asequible y lo mismo puede decirse de los telescopios (reflectores,
refractores o catadióptricos). Estoy convencido de que la astrofotografía desde
las ciudades es posible, eso sí, sin pretender en ningún momento entrar en
competencia o compararla con la que puede realizarse bajo cielos oscuros y
limpios. Digamos que se trata, sencillamente, de "una categoría diferente". Observatorio y equipo
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Galería de fotos captadas con cámara réflex digital |
El cometa C/2007 N3 Lulin
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La estrella Sirio
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La galaxia del
remolino (M51)
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M27 (Dumbbell)
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La galaxia de Andrómeda
(M31)
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Cúmulo globular M3
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Cúmulo globular M13 +
galaxia NGC 6207
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Cometa 103P/Hartley
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Procesado básico con Photoshop He preparado un tutorial de procesado básico con Photoshop que pretende ser una síntesis de lo que he ido aprendiendo. Está orientado a imágenes captadas con una cámara réflex digital y está estructurado en módulos o herramientas, cada una de las cuales resuelve o reduce un problema concreto de la imagen.
La imagen que utilizo como
ejemplo en el tutorial está obtenida con un apilado de únicamente 25
imágenes de 30 segundos de exposición a Iso 800 y, por supuesto, bajo
los contaminados cielos de mi ciudad de Barcelona. He elegido a
propósito una imagen que, sin duda, está al alcance de la mayoría de
aficionados porque no requiere de autoguiado ni exige demasiado tiempo
en su adquisición. |
Nebulosa de Orión
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Datos de la fotografía: Sistema óptico: Canon 50D a foco primario sobre refractor TS110 25 tomas de 30 segundos a Iso 800 Guiado automático : Sin guiado automático Procesado con Deep sky stacker y Photoshop CS3. Lugar: Desde la ciudad de Barcelona. Fecha: 22-02-2014 |
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Tutorial de
procesado
Imagen utilizada en el tutorial
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Astrofotografía con cámara CCD He sido y seguiré siendo un defensor y un partidario de las DSLR. Desde mis primeras imágenes a foco primario con la Nikon D70, allá por el año 2004, he realizado miles de disparos y la evolución y el progreso constantes en los resultados confirman las posibilidades de estas cámaras. Por otro lado, durante estos años he seguido con interés creciente todo lo relacionado con las CCD astronómicas porque intuía que representaban la siguiente etapa en mi trayectoria astrofotográfica. A principios del año 2011 adquirí una cámara QHY9 monocroma y empecé a realizar pruebas con ella. Ya desde el primer momento se evidenciaron las cualidades de un instrumento diseñado específicamente para astronomía. Si tuviera que utilizar dos palabras para definir el comportamiento de la CCD, serían... “ruido” y “sensibilidad”. En efecto, el nivel de ruido en las imágenes (fundamentalmente el de lectura o RON) es muy inferior al de una réflex. En el campo de la sensibilidad del sensor, también “gana” con claridad la CCD. Sin ninguna duda, al tratarse una cámara monocroma, es decir, sin el filtro de Bayer, se aprovechan muchos más fotones que en un sensor de color. Me ha sorprendido muy especialmente el poder alargar los tiempos de exposición con la CCD muy por encima del umbral de saturación de la réflex. Exposiciones de 5 o 6 minutos (utilizando el filtro IDAS LPS o los filtros RGB para la obtención de imágenes a color) empiezan a ser habituales y, por supuesto, la mayor cantidad de señal captada se nota. Galería de fotos captadas con cámara monocroma CCD QHY9
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Galaxia de Andrómeda
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Zona de la nebulosa de Orión
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Astrofotografía urbana de
“Gran campo” con CCD
Las
bellas fotografías de gran campo, mostrando infinidad de estrellas así
como las increíbles nebulosidades de nuestra Vía Láctea, siempre han
estado captadas desde cielos muy oscuros. Con ausencia prácticamente
total de contaminación lumínica y, por supuesto, alejados de las
ciudades y áreas urbanas.
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Vía Láctea centrada
en la estrella Deneb
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Vía Láctea zona de
Lira y el Cisne (composición RGB)
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Gran campo con
centro en Casiopea (Perseo abajo y Andrómeda a la derecha)
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La nebulosa de
Orión (M42) con filtro de hidrógeno alfa
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El cometa C/2011 L4
Panstarrs (30-03-2013)
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Cúmulo globular M13
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Doble Cúmulo
globular de Perseo (RGB)
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Muchas gracias por visitar esta web.
Autor: David Calabuig /
davidcalabuig@andromedabcn.com
Fecha de última modificación de esta página: 17/12/2023