Introduzione alla fotografia digitale in Astronomia Antonio Forcina

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1 Introduzione alla fotografia digitale in Astronomia Antonio Forcina Programma: Introduzione e indicazioni bibliografiche, Parte teorica: - lunghezza focale e apertura, - sensori digitali: profondità in bit, rumore, pixel caldi, bias. - leggere l istogramma, - somme di immagini, medie, mediane, - sensori monocromatici o a colori? - La matrice di Bayer - CCD o reflex? Parte pratica: - allineamento, sottrazione del dark, somma, - Cosmetica: stretching, bilanciamento del bianco, ravvivamento dei colori

2 Introduzione La fotografia digitale è un argomento troppo vasto per sbrigarlo in una serata. Stasera ci soffermeremo solo su alcune problematiche su cui ho qualche competenza. Molte info in materia sono disponibili sul web e molti software di elaborazione (DeepSkyStacker, Astroart, Maxim, Nebulosity) contengono sotto l help un manuale con una trattazione della materia. Molti astrofotografi affermati mettono in rete ampie descrizioni delle loro tecniche. Circa i sensori digitali, una trattazione sistematica ma un po datata si trova sul libro di Camaiti. Il libro di Berry e Burrell Astronomical Image Processing contiene una trattazione più professionale.

3 Telescopi: focale e apertura La lunghezza focale determina la dimensione di un oggetto celeste sul sensore. Conoscendo la dimensione angolare di un oggetto, si può calcolare la grandezza dell immagine prodotta dal telescopio e, conoscendo la dimensione del sensore, si può stabilire se è in grado di contenerla e la percentuale di spazio occupato. L apertura (rapporto fra focale e diametro) determina la quantità di luce raccolta. In realtà il rapporto andrebbe calcolato fra l area della lente (o specchio) e la focale. Ad esempio, per ottenere una immagine simile a quella di un telescopio a F5 dopo una posa di 1 minuto mediante un telescopio a F8 occorrerebbe una posa di 2 e 17 (64/25).

4 Sensori digitali Senza entrare in dettagli tecnici, possiamo immaginare un sensore come un rettangolo diviso in quadratini (pixel), ad esempio la 20dA ha pixel di 6.4 micron in une snsore di 22.2 x 14.8 mm. In teoria, un sensore misura la quantità di luce che colpisce ciascun pixel durante un intervallo di tempo; questi valori variano da 0 a un massimo. Per compattare l informazione da immagazzinare, si usano valori interi di una certa scala, ad esempio, 8 bit vuol dire che la luminosità vera viene approssimata su una scala in cui 0=nero perfetto e 255=bianco perfetto.

5 Quanti bit? Perché il numero di bit è importante? Anzitutto perché più sono i bit e più l informazione è accurata. Inoltre, se non ci sono pixel su certe zone estreme della scala, tanto vale spostare il punto di bianco o quello di nero adattando la scala teorica all immagine effettiva, ma così facendo si riducono le gradazioni di luce disponibili. Inoltre, quando una immagine viene elaborata, le luminosità dei pixel vengono prima ricalcolate e poi approssimate, di nuovo, al numero di bit dell immagine. In questo modo, se lavoriamo con 8 bit, può accadere che su molti gradini della scala non ci sono pixel, quindi l immagine diventa sgranata.

6 Da dove nasce il rumore? Semplificando al massimo, la misurazione della luce avviene mediante il conteggio degli elettroni che colpiscono la superficie di ciascun pixel, un fenomeno che, in condizioni di luce scarsa, è un pò come mettersi a contare le auto che passano su una strada poco trafficata, in 5 minuti magari non passa nessuno! Cioè il valore registrato dipende dal caso per cui è quasi certo che 2 pisel vicini, che corrispondono a 2 zone simili del cielo, registrareranno una quantità di luce diversa. A questo si aggiungono imperfezioni tecniche nella costruzione dei sensori.

7 Rumore o pixel caldi? In teoria, se avessimo due immagini perfettamente allineate dello stesso oggetto celeste, il rumore sarebbe misurato dalle differenze di luminosità riscontrate sugli stessi pixel. Sempre in teoria, un pixel è caldo se riporta una luminosità nettamente in eccesso in tutte le immagini prese durante una serata o, addirittura, in tutte le immagini prese con lo stesso sensore alla stessa temperatura. Purtroppo la realtà è più complicata in quanto ci sono pixel che diventano caldi dopo un certo tempo, e la quantità di caldo di un pixel varia da una immagine all altra. Per questo in pratica la distinzione non è così netta.

8 Immagini dark Sempre in teoria, una immagine presa al buio dovrebbe registrare 0 su tutti i pixel. Purtroppo questo non è vero anzitutto perché ci sono diversi pixel che diventano più o meno caldi durante una esposizione prolungata. Immagini Bias In realtà, luminosità 0 non si ottiene neppure prendendo una immagine di 1/2000 di sec. al buio totale. Infatti, sempre per motivi tecnici, i sensori registrano un valore di luminosità positivo e che varia da un pixel all altro.

9 L istogramma Si tratta di un grafico che, per ogni possibile valore di luminosità riportato sull asse orizzontale, ci dà il numero di pixel dell immagine che hanno quella luminosità. Esso fornisce una diagnosi di alcune caratteristiche importanti di una immagine ed è la base per eventuali spostamenti del punto di bianco e di nero e per operazioni di stretching. In prima approssimazione un istogramma che ha delle zone vuote, cioè valori di luminosità senza pixel indica una immagine difettosa, con poca dinamica o troppo elaborata e quindi impoverita.

10 Somme o medie? Per un principio matematico, la media di 4 immagini dovrebbe avere un rumore 2 volte più piccolo di quello delle singole immagini e mediando 100 immagini il rumore si riduce di 10 volte. Senza entrare in dettagli tecnici, un risultato analogo si ottiene con l operazione matematica di somma o, anche, prendendo una posa con un tempo 100 volte più lungo, se questo non satura troppi pixel. In pratica conviene trovare un giusto compromesso facendo pose abbastanza lunghe e ricche di informazione senza saturare troppi pixel.

11 Mediana, perché? Con delle immagini dark la media non funziona bene perché, per farla breve, tratta allo stesso modo rumore e pixel caldi. Ad esempio, se su 6 ipotetiche immagini un pixel avesse i seguenti valori in 8 bit mentre la mediana è 18, la media è 57 perché prende il valore 255 per rumore mentre è quasi certamente un pixel caldo. Questa è la ragione per cui per elaborare imagini dark conviene usare la mediana.

12 Sensori RGB Siccome i sensori digitali non distinguono i colori, per ottenere i colori occorre anteporre al sensore dei filtri che fanno passare solo delle bande di colore. I sensori RGB usano di solito uno schema di microfiltri posti davanti al sensore e noti come matrice di Bayer; questa è costituita da blocchetti di 4 filtri del tipo R G G B Siccome ogni pixel può registrare un solo colore, per ottenere una immagine a colori occorre ricostruire i colori filrati (mancanti). Ad esempio per sapere quanta luce blù cade sui pixel di tipo R si occorre fare una media della luce sui pixel B confinanti

13 Reflex o CCD? Ci sono due differenze principali: il numero di bit che sono, in genere, 16 nei CCD e 12 nelle comuni reflex, questo vuol dire una maggiore dinamica e una maggiore flessibilità nel settare i punti di bianco e di nero; il raffreddamento: è noto che il rumore nei sensori aumenta con la temperatura, e che, a temperature molto basse, questo dovrebbe essere sostanzialmente più ridotto nei CCD.