Astrofotografía con DSLR

La astrofotografía digital, almacena la información a través de un sensor que a los astrofotógrafos nos gusta situar en el plano focal de la óptica del telescopio (rarezas, ya veis ) Estos sensores, hoy en día, son arrays de píxeles; cada píxel tiene la misión de capturar la luz que nos llega de los objetos celestes a través del telescopio.

La eficiencia con que el sensor y todos sus píxeles son capaces de capturar la luz, es vital para obtener la máxima calidad posible de la imagen obtenida.

La luz capturada es la señal que el astrofotógrafo quiere que la cámara trasncriba fielmente al mundo digital, sin embargo no todo es tan fácil. El propio proceso de captura introduce señal inexistente y molesta que no se encuentra realmente en la fotografía y estropea el objeto fotografiado.  Estamos hablando, por supuesto, del ruido.

Para poder obtener el mejor rendimiento en astrofotografía digital, es interesante (y casi obligatorio) entender qué contribuye a que aumente el ruido en una imagen, qué elementos hay en la cámara que provocan ruido y cómo intentar reducir el impacto visual del ruido en nuestras imágenes. Hace tiempo ya di unos consejos sobre cómo reducir el ruido en astrofotografía.

Antes de nada, unas definiciones de palabras técnicas para que todo quede más claro luego:

• Fotón: Un cuanto d eluz, la intensidad con que se ilumina una superficie es proporcional al número de fotones que la alcanzan por unidad de tiempo.
• ADC: Conversor analógico-digital. Transforma la señal luminosa que ha generado el sensor en una señal digital.
• Valor Raw: Cada uno de los valores digitales que asigna el ADC
• Ganancia: El factor de conversión entre el número de fotones capturado por las células fotosensibles y el valor raw. Si el número de fotones capturados es 1000 y el valor raw es 100, la ganancia sería 10.
• RSR: Relación señal-ruido. Un valor alto indicará que la proporción de ruido con respecto a la imagen es baja. Un valor bajo indicará que la imagen es muy ruidosa. También se suele abreviar como SNR.
• Rango dinámico: El rango entre la señal más pequeña detectable y la más alta del sensor. Podría llamarse también el nivel de iluminación.
• Profundidad de bit: Número de bits usados para registrar el nivel de iluminación de un pixel.
• Darkframe: Imagen que se realiza con el objetivo de la cámara tapado y del mismo tiempo de exposición que las fotografías que vayamos a tomar.

Fuentes de ruido

Existen varias fuentes de ruido:

• Ruido fotónico: La luz está compuestade partículas diminutas de energía llamadas fotones (luz más intensa implica más fotones por segundo). El flujo de fotones tiene un promedio (número de fotones por segundo) que llega al sensor, pero siempre habrá cambios en este promedio. Las leyes estadísticas que goviernan estas fluctuaciones se llaman estadísticas Poisson y son universales. Las fluctuaciones en la señal debido al ruido Poisson se pueden apreciar en la imagen en forma de ruido. Este tipo de ruida no genera patrones, sino que tiene el aspecto de ser bastante aleatorio. Una importante característica de las fluctuaciones que cumplen las leyes de Poisson es que la desviación estándar  es igual a la raíz cuadrada de la media de las cuentas. Esto significa, que si hemos capturado 10000 fotones, la fluctuación media sobre la señal estará alrededor de 100 fotones. ¿Qué quiere decir esto? Pues que si la señal crece, el ruido fotónico también, pero más despacio. De esta manera, en tomas más largas, será menos evidente que en tomas cortas. Por lo tanto es recomendable alargar las exposiciones lo máximo posible según las características de nuestro equipo y nuestro cielo.
• Ruido de lectura del sensor: Los fotones son capturados por las partes fotosensibles de cada pixel. En términos muy generales, los fotones excitan la parte fotosensible, provocando una emisión de electrones que es lo que captura el sensor. La emisión de electrones se realiza de tal manera que cada fotón capturado, corresponde a un electrón. Después de la exposición, la señal acumulada se convierte a un voltaje que se amplifica según el valor determinado por el ISO (o ganancia) utilizado en la cámara. Después el conversor analógico digital (ADC) convierte el voltaje en una señal digital. Los valores digitales que representan a cada fotón, representan los datos RAW (en crudo) de la imagen. Nota: Los valores raw se suelen denominar también ADU (analog to digital units). En un mundo ideal, el número digital almacenado en los datos en crudo (RAW), debería ser directamente proporcional al número de fotones. La constante de proporcionalidad entre el número de fotones y el correspondiente valor ADU es lo que se llama “ganancia” (gain en la mayoría de cámaras CCD o ISO en las réflex digitales). En el mundo real, esto no sucede exactamente así. Esto es debido a que cada componente electrónico o eléctrico de la cámara siempre va a introducir un pequeño ruido de funcionamiento durante el proceso de transmisión y conversión de la señal. Este “ruido” introducido en la señal, es lo que llamamos ruido de lectura del sensor. Este tipo de ruido, introduce claros patrones repetitivos en nuestras imágenes como si las cubriéramos con una especie de malla. Este tipo de ruido es fácilmente eliminable mediante la aplicación de tomas BIAS (también llamadas offsets).
• Ruido térmico: La agitación térmica de los electrones en la parte fotosensible de cada píxel, puede llegar a liberar algunos electrones. Esto se produce por culpa del aumento de la temperatura. El sensor por desgracia no puede distinguir estos electrones provocados por el calor de los electrones que realmente pertenecen a la señal luminosa. El ruido térmico se incrementa de forma constante durante la exposición, luego tenemos que tener cuidado con cuanto alargamos nuestras exposiciones, especialmente en verano o días especialmente calurosos.

Ejemplos de ruido

Aquí un ejemplo de ruido fotónico, como podemos apreciar, es bastante aleatorio.

En esta imagen, tenemos un ejemplo de ruido de lectura. Se puede apreciar claramente el patrón que toma el ruido.

En este gráfico podemos ver cómo aumenta el ruido térmico según aumenta el tiempo de exposición.

Otro problema que tiene el ruido térmico y que provoca las temibles “marcas Canon” por poner un ejemplo, es el “amplifier glow” (no sé muy bien como traducirlo). El caso es que cuando hacemos larga exposición, aparece una mancha en la imagen causada por la radiación infrarroja emitida por el amplificador de lectura.

En la siguiente imagen podeis apreciar (abajo a la derecha), de qué estamos hablando. En los últimos modelos de cámaras reflex Canon, este problema está resuelto (a partir de la Canon 400D), pero en modelos anteriores es un problema a tener en cuenta y que normalmente no queda más remedio que resolver mediante el procesado.

Patron generado por una Canon 20D

• Respuesta de pixel no uniforme (RPNU): Otro de los problemas que presentan los sensores es que no todos los píxeles logran tener la misma eficacia capturando fotones, incluso si no hubiera ruido de ningún otro tipo, habría diferencias entre los resultados obtenidos por cada píxel. El RPNU crece en proporción al nivel de exposición. Por otro lado el ruido fotónico crece en proporción a la raíz cuadrada de la exposición y el ruido de lectura es independiente del nivel de exposición.
• Error de cuantificación: Cuando la señal analógica que representa el voltaje del sensor es digitalizado para convertirlo en valores RAW, en algunas ocasiones es necesario redondear la señal a un número entero (siempre al más cercano). Esto provoca que parte de la señal es eliminada para siempre y otra parte, la cámara se la inventa, aunque tenemos en cuenta que son valores muy pequeños, la señal no es realmente la que ha llegado hasta el sensor.

El error introducido por la cuantización introduce un ruido muy pequeño. En la imagen
de la izquierda, aun amplificándolo 8 veces, este ruido apenas afecta al histograma.

Para todos aquellos que hacen astrofotografía, es sumamente importante conocer estos detalles para saber exactamente lo que hacer y por qué hacerlo. Ya iremos viendo qué hacer para evitar todos estos problemas y trabas que nos pone. En principio con unos buenos bias, darks y flats es suficiente para tener imágenes limpias e inmaculadas (hasta cierto punto), pero también tenemos otras posibilidades.

Este artículo es una traducción (bastante libre por cierto) de un artículo sobre ruido que encontré en una página en inglés. El autor es Emil Martínec (sí, es con C), profesor de física del Instituto Enrico Fermi y de la Universidad de Chicago,  y podeis encontrarlo en esta página: Noise, Dynamic Range and Bit Depth in Digital SLRs . Creí interesante traducirlo ya que no me gustan nada las versiones de los traductores automáticos y que estar disponible en español ayudaría a muchos a entender determinados conceptos.

Seguiré hablando de ruido, que a los astrofotógrafos, más que a nadie, no nos deja dormir por las noches…