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Matemáticas de pizarra

miércoles, 22 de enero de 2020

Astrofotografía I - Los tipos de tomas: Lights, Darks, Bias, Flats y Flat Darks

(En esta entrada voy a explicar qué son los archivos Lights, Darks, Bias, Flats y Dark Flats cuando se realiza una sesión de astrofotografía con telescopio. Ésta es seguramente la entrada más popular del blog a fecha de 2022. Por cierto, si está empezando, le recomiendo acudir a la siguiente entrada,  que enseña a poner en estación un telescopio con montura ecuatorial)

Aquí le voy a explicar con toda claridad y ejemplos gráficos qué son los lights, darks, bias y flats. Vaya por delante que no soy un astro-fotógrafo profesional. Ahora bien, aprendo rápido y como profesor de matemáticas me gusta enseñar razonándolo todo. Por ello, en estas entradas quiero hacer unos apuntes para dummies empezando por mí, resumiendo y explicando de manera lo más clara posible (eso espero) lo que me ha llevado su tiempo comprender. Cada tipo de frame merecería una entrada independiente, pero por comodidad para el lector si quiere leerlo todo como un conjunto, he preferido hacer una sola entrada completa y larga, razonándolo todo.

    Debido a que esta es una de las entradas más populares de mi blog, aprovecho para decir que poseo otra entrada relacionada con los tipos de imágenes, la importancia del apilado, que va a concluir con un breve manual de como integrar dichas imágenes con el Weighted Batch Preprocessing Script (WBPP) del PixInsight (en un futuro quiero hacer una entrada a modo de chuleta básica de este programa).

    Como he dicho, no soy un astro-fotógrafo profesional, y por ahora no le voy a poder decir cuántos tipos de toma de cada tipo hay que hacer, qué parámetros optimizan las tomas lights... A medida que vaya teniendo respuestas las compartiré, pero al igual que usted, estoy empezando, y el camino a las estrellas es largo... aunque apasionante.

A - Los tipos de Frames en Astrofotografía

    Uno ajeno a este mundo cree que una vez que tiene el telescopio y la cámara basta con hacer fotos a todo lo que se ponga por delante. Vamos a ver que en realidad la cosa es algo más complicada. Comencemos diciendo que FRAME en inglés significa marco. Nosotros podemos traducirlo por toma, o mejor, por foto.

    Antes de nada, las fotos que tomemos que estén en formato RAW, o sin procesar, debido a que tendremos más opciones a la hora de sacarles información, ya que algunos errores que pueden haberse cometido pueden solucionarse a posteriori (no todos). El formato JPEG por ejemplo, ya viene procesado y con unos estándares de luminosidad, color... Es cierto que las fotos JPEG van a ocupar menos, pero también que guardan menos información. Por cierto, las RAW, cuya extensión es CR2, en general serán fotos oscuras. Es normal.

A1 - Los LIGHTS

Son los anfitriones de la fiesta. Si no hago fotos a tal nebulosa o galaxia, los otros tipos de frames no sirven para nada. Se llaman imágenes LIGHT a aquellas que toman al objeto en cuestión

A.1.1. Cuántas más fotos mejor

    Imaginemos que tenemos un telescopio, conectamos la cámara a foco primario, hacemos la foto y obtenemos o siguiente.

La gran nebulosa de Orión a foco primario, 8 segundos de exposición a ISO 640.

    La verdad es que para empezar no está mal, pero si nos fijamos bien en la parte de la derecha, aparecen trazas de satélites (como van juntos seguramente sean los polémicos Starlink). Ello se ve mejor en el siguiente gif animado.


    
Toda una faena; si hacemos una foto en la que acertemos con el enfoque, encuadre, la sensibilidad ISO o el tiempo de exposición puede que la foto no sea tan buena como pensábamos. Moraleja, con una foto puede no bastar, ya que además de la señal que queremos recoger puede venir ruido, natural o artificial.

    En efecto, para evitar que una sola imagen no salga bien lo que se hace es tomar muchas fotos del objeto en cuestión y se usan programas de apilado de imágenes para hacer una media de las mismas (más adelante explicaré con algo más de detalle lo de los diferentes algoritmos). Imagine que un pixel tiene de notas 0, 0, 1, 0, 0, 0, 2, 0, 0, 0. Entonces el programa de apilado le pondrá o un 0, o un 0'3 (ya digo que hay hay diferentes algoritmos), pero la cuestión es que a ese pixel le pondrá una nota cercana al 0, ya que parece que ese 1 y ese 2 se corresponden  a ruido.

    Así funciona el apilado; el programa oportuno lee las fotos que le seleccionemos, las registra (mide sus características para catalogar las mejores) y después aplica un algoritmo para separar la señal del ruido ocasional. Si yo apilo las fotos con las que he hecho el gif anterior obtengo lo siguiente:


    Obsérvese que a la derecha ya no se ven las trazas de esos molestos satélites. Vamos a verlo mejor con una ampliación de la primera y la tercera foto.


    He jugado un poco con el brillo y contraste para hacerlo más visible. En la foto original (izquierda), círculo rojo, aparecen esos trazos, en la foto promedio (derecha), ya no. ¿Qué ha pasado?

    Pues muy sencillo; las fotos que tomamos tienen ruido (nubes, satélites, reflejos...), pero este ruido se distribuye de manera aleatoria, mientras la señal luminosa a captar siempre es la misma, por eso, al apilar imágenes, la señal luminosa objetivo se potencia, mientras el ruido aleatorio se difumina. Por ello... Cuantas más imágenes tomemos, mejor.

    Eso sí, el tomar más fotos no va a hacer que las imágenes tengan más color, brillo... sólo disminuirán el ruido (que no es poco) potenciando la señal. Hablaré de esto en el apartado B.


A.1.2. Cómo elegir la duración de las tomas y la sensibilidad

    Otro asunto es qué tiempo de exposición tomar y a qué sensibilidad ISO. Para la foto del fotografiado del espacio profundo (galaxias, nebulosas...) uso la técnica del fotografiado a foco primario, esto es, conecto la cámara sin objetivo directamente al telescopio, lo que equivale a fotografiar a f/0 o F0 (máxima luminosidad) y a la distancia focal de mi telescopio, 1000mm. Con ello, además de tener la máxima luminosidad (f/0) sólo tengo que preocuparme (además del enfoque y encuadre) del tiempo de exposición y la sensibilidad ISO.

    Demos por hecho que usamos una montura motorizada que nos permite seguir un objeto el tiempo deseado (o las estrellas se verían como trazos). ¿Qué tiempo y sensibilidad tomar? La respuesta a priori es fácil; el mayor tiempo y sensibilidad que no quemen la toma, ahora bien ¿cuáles son?

    Verá, si hace fotos desde ciudad, donde el cielo está contaminado en menor o mayor grado (hay filtros que palían algo este problema pero no lo solucionan al 100%), el fondo del cielo no es negro, y si hace exposiciones muy largas, esta falsa luz del cielo, algo aleatoria eso sí, va a hacerse notar mucho. Si la ISO es elevada, además de potenciarse el cielo parásito aparecerá mucho ruido en las fotografías (los Darks se acercan). Esto es, si queremos hacer tomas de mucho tiempo a mucha sensibilidad, no sólo vamos a capturar mejor lo deseado, sino que vamos a meter mucho ruido.

Por cierto, puede observar la contaminación lumínica de su zona en en el siguiente mapa interactivo.


    Volviendo a las exposiciones, aunque la imagen tomada aparezca prácticamente blanca, velada o quemada, si no la hemos forzado al límite los programas de apilado y procesado con unas sabias manos sabrán sacar el ruido de las mismas, pero va a ser todo un  trabajo. Lo que es evidente es que a mayor tiempo de exposición mejores detalles. A mayor ISO mayores detalles, pero cuidado, mayor tiempo e ISO a la vez... ¡cuidadín, cuidadín!.

    Por ello, hoy no tengo la respuesta exacta de cuántas fotos son necesarias (cuantas más mejor, eso sin duda), de cuánto tiempo tomarlas y a qué sensibilidad. Desde el principio me he decantado por una ISO 1600, que capta muchos detalles y tampoco dispara en demasía el ruido, y por un tiempo de exposición que va de 2 minutos para cúmulos de estrellas, 5 minutos para nebulosas y galaxias, y hasta 10 minutos como galaxias muy difusas como la de Andrómeda. Le muestro unos ejemplos de imágenes sólo apiladas; a la izquierda una sola toma, a la derecha tras sólo apilar (quedaría todavía más proceso con programas adecuados) y el tiempo de exposición. Todas las hago a F0 e ISO 1600, e insisto en que cuantas más fotos, mejor.

M 006 tras 25 tomas de 300'' a F0, Dist.Focal  850, ISO 1600

    Esta primera imagen es de M6 (el 6º objeto Messier también llamado cúmulo de la mariposa), situado en Scorpius, y por eso esa riqueza de de estrellas. La imagen de la izquierda se corresponde con una simple imagen de 300'' (5 minutos). La verdad es que la imagen simple ya se ve bastante bien (usé toma de 5 minutos buscando cierta nebulosidad que rodea al cúmulo). En la imagen de la derecha, tras apilar (quedaría el procesado final) se ven muchas estrellas que no se apreciaban en la imagen simple. Al  apilar las 25 tomas se han separado del ruido.

M 042 tras 50 tomas de 60'' a F0, Dist.Focal 850, ISO 1600

    Aquí podemos ver a M42, Gran Nebulosa de Orión. La imagen de la izquierda se corresponde con una imagen de sólo 60 segundos (la citada nebulosa es muy brillante y de hecho se ve a simple vista en cielos oscuros) en la que se aprecia la traza de un satélite (traza perfectamente horizontal en la parte superior de la imagen marcada con flechas). Al apilar 50 imágenes como las de la izquierda sale la imagen de la derecha en la que también se potencia la señal respecto el ruido, y como la traza del satélite era ruido, desaparece al apilar.

     Difícil pregunta la de la ISO y el tiempo de exposición (si quiere, empiece por ISO 1600 y 2 minutos, donde no es obligatorio el guiado), pero me comprometo a informar de los parámetros que yo use en las fotos que publique para que usted vea qué puede conseguir con los mismos incluso en una ciudad con una zona con bastante contaminación lumínica como la mía (bahía de Cádiz), pero eso sí, cuantas más imágenes LIGHTS tome... mejor.



A2 - Los DARKS

    Sigamos. Tenemos las fotos lights del objeto en cuestión. Imaginemos que para tomarlas hemos elegido exposiciones medias/largas. El asunto es que estas fotos son electrónicas, y para tomarlas ha habido una serie de instrumentos electrónicos que han estado trabajando un tiempo, se han calentado y ese calor ha introducido cierto ruido en las fotografías ¿Cuánto ruido? Después pondré una imagen de ejemplo, pero a mayor exposición y a mayor ISO... mayor ruido.

    Así que tenemos unas fotos que además de la señal que queríamos tomar vienen con un ruido térmico generado en el fotografiado. ¿Se puede eliminar antes del procesado? Sí. (Aunque un buen procesado con un buen programa y unas buenas manos puede hacer maravillas, cuánto más limpias le lleguen las imágenes al programa de procesado, mejor).

    La idea sería localizar y aislar el ruido producido al tomar los lights y restárselo a la imagen original, a mayor ruido detectado y restado, imagen definitiva más pura.


    Esa es la idea, en la imagen superior doy un caso ideal en el que se detecta todo el ruido producido (círculos de color) y al restar el mismo a la toma original desaparece por completo el ruido. No siempre será así y no podremos quitar todo el ruido, pero ayuda a entender la idea.

    Para capturar dicho ruido lo primero que se hace es localizarlo. Si hemos realizado tomas lights por ejemplo de 300 segundos a ISO 800, me interesa localizar el ruido que produce mi cámara al hacer tomas de 300 segundos a ISO 800, por lo que estos parámetros no deberían cambiarse. Por otra, se trata de localizar el ruido térmico; no quiero más señal que la del ruido térmico, por lo que debo tapar la boca del telescopio para que la cámara fotografíe un fondo perfectamente oscuro y negro, y toda señal que aparezca sea la del ruido térmico.

Estos son los dark frames, fotos que se hacen con el tubo del telescopio tapado y con el mismo tiempo de exposición e ISO que las imágenes Lights, para localizar exactamente qué se ha añadido en las fotos. De manera similar a lo hecho con los Lights, tomaremos varios dark frames de los cuales se calculará su media, que se llamará master dark. Doy un ejemplo de masterdark.


Me queda por mencionar un detalle importante. Vamos a sacar varios Darks con el mismo tiempo e ISO que las fotos light para localizar el ruido térmico ya que la temperatura de trabajo de la cámara es importante, pero si la noche es fría la cámara se refrigerará en buena medida sola, si por contra es una noche de verano se calentará más ¿Que dónde quiero ir a parar? Que aunque tengan el mismo tiempo de exposición e ISO, los Darks que haga en agosto a unos 20º van a diferir mucho de los que haga en diciembre a 5º, esto es, conviene hacer los Dark la misma noche que haga los Light o en noches similares a la misma temperatura.

Hay quien afirma que se puede tener una colección de MasterDarks a diferentes tiempos de exposición, diferentes ISOS y en intervalos de temperaturas de unos 3º, por ejemplo a 2º, a 5º, a 8º, 11º... y que cuando hagamos los Lights, recuperemos los Darks que se hicieron con la temperatura más parecida. La idea es interesante teniendo en cuenta que los Darks llevan su tiempo (los Bias y los Flats van a ser más rápidos de tomar), pero pienso que las cámaras de fotos, aunque no dejan de ser máquinas, con el tiempo van cambiando, en particular la disposición de su ruido, y que además hay otros parámetros como la humedad, que también pueden afectar al modo en el que la cámara de fotos se enfría por fuera (y más importante, por dentro). Por ello, yo prefiero hacer los darks la misma noche que los lights.

Creo que no se me escapa nada. Después haré un resumen de todo y daré consejos, pero básicamente los darks se hacen en las mismas condiciones que los lights pero con el telescopio tapado, y lógicamente a más darks mejor, aunque me gusta más tomar lights.

    Una cosa más... cuidado con los reflectores. Le cuento. Durante un tiempo, al fotografiar desde mi casa, bajo un desafortunado índice Bortle 8, a veces me salían unos molestos gradientes.


    Daba igual que apuntase al cénit, que me seguían apareciendo. La explicación fue que ello sucedía en noches en los que algún vecino se había dejado alguna luz encendida de la azotea y se debían a luz parásita que me entraba en el tubo por su parte trasera, en el espacio de separación con el espejo primario..


De hecho, ya a lo bestia, tapé el tubo y con una linterna por detrás iluminé por la rendija anterior mientras fotografiaba; con 4 intensidades distintas y desde distintos sitios. este fue el resultado que demuestra que efectivamente entra luz por detrás.  Nótese que todas las formas se parecen, así como a la fotografía dos posiciones atrás.


Una vez localizado el problema, fue fácil de arreglar. 
Lo solucioné con una losa de goma de estas con las que se forman puzles acolchados para que los niños jueguen (eso sí, cuando fotografío quito la pieza central más clara para que haya algo de ventilación, especialmente si la noche es húmeda).


    El tema es que si está tomando darks con un reflector, no sólo deberá tapar la boca del tubo, sino la parte trasera, ya que lo mismo que se le puede colar luz tomando los lights, se le podría colar luz al tomar los darks.

    Puede ver más información de este invento en la siguiente entrada de mi blog relacionada con los reflejos y pérdidas de luz.

    Una última cosa (hoy me ha dado por actualizar la entrada). Para las cámaras reflex existen unos enfriadores por medio de ventiladores. Lógicamente no llegan al efecto Peltier de las cámaras CCD, pero supongo que funcionan.


    Supongo que funcionarán bien (en los PCs lo hacen enfriando las partes más sensibles), aunque tengo un par de dudas; si estos ventiladores son silenciosos a la hora de tomar vídeos y deseo captar el ruido de pájaros o similares, y sobre todo, si añaden vibraciones a la cámara, ya que lo que le va a dar nitidez a las fotografías es que por ejemplo las estrellas se vean como puntos, y si la cámara está vibrando, no es un buen principio para ello. De todos modos, no son muy caras para hacer una prueba, sobre los 35€, y si no valen, supongo que siempre las puede dejar como un extraño ventilador de mesa.
    Si yo optase por uno de estos aparatos, tendría que tener en cuenta también la temperatura a la que queda la cámara porque ya igual no habría consonancia con la temperatura ambiental (lo digo por esto de las bibliotecas de darks), pero claro, si hubiese menos ruido térmico en la toma porque funcionasen bien, tampoco sería tan trascendente el corregirlo bien.
    A priori, refrigerar la cámara siempre es una opción deseable. Como todavía fotografío con reflex, le daré una vuelta y buscaré un modelo compatible con mi cámara EOS 80D. Ya le informaré.


A3- Los BIAS u OFFSETS

    Cada vez que disparamos la cámara de fotos se activa un procedimiento electrónico que genera, aunque sea mínimamente, ruido mecánico en la fotografía (se mueve el espejo, se produce un proceso de lectura de lo que está delante de la cámara, se vuelve a mover el espejo y se produce un proceso de grabación en la tarjeta). No es que sea un ruido como el que pueda generar una exposición larga a un ISO elevado, pero la verdad es que el ruido aparece, y de la misma forma que los darks, hay que quitárselo a los lights.

    Para ello, tapamos el tubo del telescopio (volvemos a querer registrar el ruido sobre un fondo negro) nos vamos al modo MANUAL de la cámara de fotos, seleccionamos el mismo ISO y apertura de los lights (el enfoque no importa, hacemos las fotos con fondo negro), y elegimos el tiempo de exposición más breve que permita la cámara de fotos (a más tiempo, más ruido térmico, y lo que deseamos es aislar el ruido mecánico de la cámara, no el térmico) y comenzamos a disparar.

    De nuevo los programas de apilado promediarán el ruido Bias producido y al resultado lo llamarán Master Bias. Doy un ejemplo de este tipo de archivos.


    Se ve que el ruido es algo distinto al de los master Dark, parece algo más organizado a lo largo de líneas verticales, pero de todos modos es un ruido que aparece en nuestras fotos y que si se lo quitamos a las imágenes en el proceso de apilado, antes de la edición, pues muchísimo mejor al llegar la señal más limpia..

    Teniendo en cuenta que este tiempo brevísimo con el que tomamos los Bias va a ser 1/4000s o similar, en un minuto podemos tener más de 30 tomas Bias, aunque como siempre, a más tomas mejor. Yo creo que con unas 100 estaría bien.

    Estas tomas no dependen de la temperatura ni del enfoque, se hacen en negro y son muy rápidas, por lo que podrían hacerse en cualquier momento, al día siguiente incluso, aunque yo creo que también es mejor hacerlas en el momento de los Lights, ya que si la cámara lleva un tiempo trabajando y está a cierta temperatura, aunque este ruido sea mecánico quedará mejor registrado si se toma a la misma temperatura en la que se genera el ruido mecánico que pretendemos eliminar.

A4 -  Los FLATS

A4.1. El origen; el viñeteo y otros errores ópticos

    Además de los lights, llevamos ya dos tipos de errores a eliminar por medio de los darks y los bias. Los flats eran para mí otros grandes desconocidos hasta que entré en este mundo de la astrofotografía. Voy a comenzar enseñando una foto medio-procesada con PixInsight. Voy a volver a tomar las fotos de M42, pero en vez de apiladas con el programa DeepSkyStacker, lo voy a hacer con el programa PixInsight.

    A pesar de que sólo se han tomado lights y darks, ahí están soberbias las nebulosas M42 y M43, incluso arriba a la izquierda se aprecia la nebulosa del hombre corriendo. Esta fotografía no está terminada de procesar, pero ya se aprecia un fallo fundamental. De entre todos sus fallos ¿Qué es lo más notable? 


    Efectivamente, ese borde ovalado más oscuro a la derecha. A dicho defecto se le llama viñeteo. Es verdad que con programas de procesado de astrofotografía se puede paliar o incluso eliminar, pero... ¿de dónde procede?

    Muy sencillo, conectemos como conectemos la cámara al telescopio, la fotografía que obtenemos es rectangular, pero la imagen que se ve por un ocular es circular. En este forzar que la imagen circular de lentes/espejos circulares de un telescopio se traslade a una fotografía rectangular se produce el viñeteo, que no se puede evitar cuando conectamos una cámara al telescopio; al hacer las fotos la parte exterior de las imágenes queda más oscura. Puede que no lo apreciemos a primera vista, pero es así, ese defecto viene con las fotos.

    Por cierto, si tomamos las fotos en modo piggyback (cámara de fotos con un objetivo apoyada sobre el telescopio, no mirando a través de él) no debe producirse viñeteo, ya que es tanto como decir que al fotografiar un paisaje con su cámara se produce viñeteo. Le muestro una foto de Orión hecha con piggyback sólo apilada y calibrada, quedaría el procesado final.


    Pero que no haya viñeteo no significa que no haya otros errores. Igual algún ocular o el espejo principal del telescopio, o incluso el espejo de la cámara o su sensor esta sucio o dañado (a todo esto se le llama el tren óptico), y en todas las fotos aparecen manchas. Le pongo un par de ejemplos. Por lo pronto, obsérvese que no hay viñeteo.


    Si mira con detalle esta imagen (un fuego en el cabo Espartel desde la costa gaditana), en la imagen aparecen como tres manchas grasientas. Si miramos otra foto tomada con la misma cámara, en el mismo sitio aparecen las mismas manchas.


    Sí; se corresponden con heridas de guerra de mi vieja cámara CANON EOS 1000D con la que ya he tomado (calculo) más de medio millón de fotos. En cualquier foto que haga con el fondo liso estas manchas aparecen; si el fondo no es uniforme apenas se notan, pero como sea uniforme, canta demasiado.

En efecto, si además del viñeteo la óptica tiene defectos, pues más fallos que aparecen. La pregunta es ¿tienen solución? Sí, para eso están los Flats.

La idea es muy sencilla. Si al conectar la cámara al telescopio se genera viñeteo, y además la óptica puede generar otras manchas ¿por qué no tomamos fotos a una superficie homogéneamente iluminada con la cámara fija al telescopio en la misma posición en la que vamos a tomar los lights? Todos esos fallos quedarán registrados en las fotografías, y de forma parecida a lo hecho con los darks y los bias, esos errores después se los restamos a los lights.

    Así de simple. Con la misma cámara (la de las manchas) conectada al telescopio, le hago una foto a una superficie uniformemente iluminada, después le diré cómo hacerlo , y me sale lo siguiente:


No se ve ningún fallo, pero si fuerzo el contraste con el Photoshop... ¡Sorpresa!


    Se aprecia el viñeteo presente en la fotografía, y además, mis queridas tres marías (como las llamo, siempre he sido un Orion  lover).

    Esta es la idea de los flats; tomar durante la sesión de astrofotografía una serie de fotos a un fondo uniformemente iluminado, promediarlas, hacer un Master Flat, y que el programa de procesado astronómico le  reste estos defectos a la imagen Light original. Si a un fallo le quito el mismo, éste desaparece, o cuando menos, se palia.


A.4.2. Cómo tomar Flats

    Los Flats tienen su importancia, ya que aunque el viñeteo se puede quitar en el procesado de las imágenes (el oscurecimiento es matemáticamente predecible ya que sigue una forma elíptica y tiene una explicación logarítmica lógica), el programa de procesado no sabe que nuestra óptica ha podido generar defectos. En realidad, casi todo se puede quitar con un buen procesado, pero yo creo que cuantas menos transformaciones innecesarias se le hagan a la fotografía, mejor, nos va a quedar una imagen más pura para otros cambios más necesarios.

1- Lo primero a la hora de tomar flats es entender que la cámara no debe moverse del telescopio, ni girarse ni cambiar el enfoque, ya que la idea es que los errores de los lights coincidan con los errores de los flats. Aunque da igual la posición si el defecto es de la cámara (los errores van a aparecer en la misma parte de la imagen oriente como oriente la cámara), si por ejemplo hay un error óptico en el telescopio (círculo rojo), éste aparecerá en todas las fotos (parte de la izquierda de la imagen). Si  hago los flats cambiando la orientación o el enfoque de la cámara (parte del del centro), ese defecto cambiará de lugar o de tamaño en las tomas flats, y al pedirle al sistema que le quite a las fotos lights los errores que deberían aparecer en los flats, no sólo no desaparecerá el primer error (al error no le resto el error), sino que habré generado otro al quitar a una zona donde no había error ese error mal posicionado.


    Esto es fundamental, ya que me dice que los flats deben tomarse al mismo tiempo que se hacen los lights, o en último caso, si los flats no los he hecho durante la sesión, no cambiar enfoque o ISO, y  transportar y guardar el tubo con la cámara agarrada sin mover nada para hacer los flats más adelante (¿le será fácil hacerlo?).

2 - Ok. Aceptamos barco. Interesa que los flats se hagan con el mismo enfoque e ISO que los lights. Podríamos plantearnos que también se hicieran con el mismo tiempo de exposición, pero ello nos generaría ruido térmico como el que corrigen los darks. En realidad, aquí el tiempo de exposición no es importante, sólo registrar los defectos existentes. Para ello, las tomas flats han de hacerse en el modo AV de la cámara de fotos. En dicho modo AV la cámara acepta la ISO con la que hemos hecho los lights, acepta el enfoque, no estamos cambiando la apertura de F0 con la que hemos hecho fotos a foco primario (si usamos piggyback sólo deberíamos hacer flats para corregir errores en la óptica de la cámara de fotos), y al poner el modo AV lo que le estamos pidiendo a la cámara de fotos es que elija el tiempo de exposición mínimo para que localice y registre dichos defectos. Esta es quizás la única ventaja de los flats, que al igual que los bias en un minuto podemos hacer 30 o más, ya que la opción AV va a tomar cada foto en menos de un segundo.

    Por ello, hay quien toma los flats apuntando el telescopio a un cielo uniforme al amanecer, se supone que sin nubes y después de una noche de trabajo (si el amanecer viene con nubes, no hemos aguantado hasta ver el amanecer o queremos cambiar los tipos de toma durante la noche esta idea no nos vale). Hay quien tapa la entrada de luz del telescopio con una tela o un plástico blanco y liso e ilumina el mismo frontalmente con una linterna lo más difusa e uniforme posible, incluso hace las fotos con la pantalla del ordenador portátil pegada a la boca del tubo abriendo un documento de texto vacío (luz uniformemente blanca y brillante, aunque veo un poco incómodo sostener el portátil sobre el tubo del telescopio). 

    Yo los hago con una caja generadora de flats, una especie de tapa circular que se fija a  la boca del tubo por unos tornillos que trae y que genera una luz blanca y uniforme. Ello me permite por lo pronto tener las manos libres. Cuando acabo, suelto los tornillos y a por otro objeto o a por los darks y los bias si no los he hecho aún. Estas cajas son fáciles de obtener por internet (busque "generador de flat", "flat field generator" o "flatbox" y ya se sabe, esta bendita afición no es barata).

Le muestro qué es un flat field generator


    Le ventaja que tienen es que se adaptan perfectamente a la boca del tubo por medio de los tornillos de plástico (eso sí deberá comprar un tamaño cuyo diámetro sea algo mayor que el del tubo), y es específico para lo que se trata. Como inconveniente, no son baratos (a mayor diámetro más caros), son pesados, cerca de 1 kg y ponerlos sobre tubos muy pequeños si opta por tener sólo uno, no es sencillo salvo que el tubo apunte al cénit. Llegan a dar una luz muy intensa, y como poseen un potenciómetro, poseen muchos niveles de iluminación. Requieren un transformador y cargador tipo mechero de coche.

    Una opción más económica podrían ser las llamadas mesas de luz o tableros de copia


    Su misión es poner una imagen, un folio encima y calcar. No las he probado, pero la ventaja es que pesan mucho menos y son mucho más baratas (mientras un generador de flats no le costará menos de 150€, estas mesas podrá encontrarlas por unos 20€), ahora bien, no son específicas de lo que se pide, por lo que no sé lo uniforme o no que es la luz que emiten (siempre se pueden añadir folios blancos para difuminar más la luz), suelen traer 3 niveles de iluminación, sólo 3. 
    Otro inconveniente es que no valen para tubos muy muy grandes, ya que el tamaño de la pantalla es A4, por lo que olvídese para tubos de diámetro superior a los 21cm, y que no tienen tornillos de sujeción, por lo que el tubo, grande o pequeño ha de apuntar al cénit, pero también es cierto que estas pantallas pesan mucho menos que los generadores de flats, por lo que no debe ser difícil dejarlas apoyada sobre el tubo si éste mira al cénit. No requieren transformador y cargador tipo mechero de coche sino un cable USB.

    Me haré con una y la probaré, actualizando la entrada. Lo que más me preocupa es lo uniforme o no que sea la iluminación, ya que hemos visto que si calibrásemos mediante flats corruptos por un defecto que no se captó al fotografiar, añadiríamos ese defecto a las imágenes calibradas.




A5 -  Los DARK FLATS o FLAT DARKS

    Los Dark Flats son los menos necesarios de todos los archivos que se utilizan. Imagine que usted al generar los Flats ha tardado más de la cuenta. En modo AV para generar los flats la cámara, según la cantidad de luz que hay, calcula el tiempo de exposición.
    Por ello, si la iluminación uniforme para captar los flats es adecuada y esa pantalla blanca es brillante, como normalmente trabajaremos a una ISO alta (yo a 1600), cada archivo flat llevará menos de un segundo. Por ello, los archivos flats no llevarán ruido térmico.

Pero imagine que su pantalla uniforme no ha sido tan brillante y para generar un archivo flat se ha podido llevar un par de segundos. Esos archivos flats van con cierto ruido térmico. Muy escaso, pero algo. 
    Pues la misión de los dark-flats es localizar dicho ruido térmico producido al generar los flats en las mismas condiciones de temperatura ambiente que el resto de fotos y quitarlo (como vemos, este ruido será normalmente nulo o mínimo, y por ello que este es el tipo de archivos de calibración menos necesario).

    Para calcular los dark-flats haremos lo siguiente. Nos fijaremos en un archivo flat, y veremos qué tiempo de exposición se ha llevado (como digo, en modo AV es la máquina la que decide el tiempo), por ejemplo 2 segundos.
    A continuación, en modo M de la cámara haremos lo siguiente. Taparemos la óptica con un tapón negro (igual que se hace con los darks), y tomaremos fotos con la misma ISO que los darks, flats... y el mismo tiempo de exposición de los flats. Tomaremos tantos flat-darks como flats.
Esto es, si tenemos 100 flats a ISO 1600 y 2 segundos, taparemos la óptica y en modo M tomaremos 100 fotos a ISO 1600 y 2 segundos. 

La ventaja de este tipo de tomas, además de prescindible (si sus flats tienen menos de un segundo de exposición, olvídese de los dark-flats), es que se realizan en muy poco tiempo. Por ejemplo, 100 tomas de 2 segundos son apenas unos 3 minutos, y en una noche de fotografía, eso es un suspiro.



    Esos son los cinco tipos de imágenes que hemos de conseguir para que el apilado de fotos sea lo más fidedigno posible a la señal original. En general el apilado de foto será mecánico y lo complicado será el procesado de la foto apilada, pero eso será otra historia.

Antes de seguir con el proceso de apilado y qué se hace con las imágenes anteriores, veamos un resumen de lo anterior.

Resumen

A la hora de realizar astrofotografía, vamos a manejar 4 tipos de imágenes o frames. Cuando comenzamos a repetirlas las llamamos subframes:
  • LIGHTS. Es la imagen propiamente dicha. Necesitaremos conectar la cámara a un telescopio dotado de seguimiento de objetos, realizar un buen enfoque y encuadre y a disparar. También serán importantes el tiempo de exposición y la ISO usada. Se van a generar 3 tipos de errores, uno térmico, otro mecánico y otro óptico. Cuantas más fotos lights tengamos mejor, ya que separaremos más la imagen deseada del ruido de fondo.
  • DARKS. Registran el error térmico. Han de hacerse en las mismas condiciones que las fotos lights (F utilizada, tiempo de exposición y sensibilidad ISO) pero con el tubo tapado. Cuantos más Darks, mejor. Nos llevará tanto tiempo tomarlas como el de los lights.
  • BIAS. Registran el error mecánico, Para ello tapamos la boca del telescopio, ponemos la cámara en modo manual, mantenemos la apertura F y la sensibilidad ISO y elegimos el tiempo más rápido que nos permita la cámara. Se hacen rápidas. Hacemos al menos 50.
  • FLATS. Registran los defectos de óptica. En la boca del tubo ponemos una superficie uniformemente iluminada. Nos vamos al modo AV de la cámara. Mantenemos la apertura, la sensibilidad ISO, la orientación de la cámara y el enfoque (esto es muy importante, no tocar la cámara desde la toma de las lights). El modo AV elegirá el tiempo más rápido que permite recoger los defectos ópticos. Se hacen rápidas. Hacemos un mínimo de 50.
  • DARK-FLATS. Totalmente prescindibles si sus flats se hacen en menos de un segundo. Tienen la misión de contrarrestar el ruido térmico producido al captar los flats. En modo M y con la óptica tapada debe hacer tantas fotos como flats ha hecho, con la misma ISO y tiempo de exposición que los flats.

    Los programas de apilado leerán las imágenes en conjunto haciendo una especie de medias creando    masterlights, masterdarks, masterbias y masterflats. Al primero de ellos le quitarán los otros 3 creando una imagen única que procesar (que todavía tendrá ruido y otros fallos).

    Veamos una imagen muy ilustradora. Ha tomado los alrededores de Alnitak, se ve dicha estrella, la nebulosa de la flama y la nebulosa cabeza de caballo. Voy a tomar el programa PixInsight y voy a apilar de una forma muy curiosa, sólo los lights, solo los lights y los bias, solo los lights y los darks, solo los lights y los flats, y todos los archivos. Estos son los resultados

    Solo archivos lights, la foto parece que tiene poca definición, apenas se aprecia la forma del caballo y la nebulosa de la flama, y se aprecia cierto viñeteo en las esquinas.

    
Solo archivos lights y bias. la foto sigue sin definición, quizás algo más, y el viñeteo, lógicamente, sigue.


    Solo archivos lights y darks. La foto es similar a la anterior. Parece que con algo más de contraste que la original, pero apenas se aprecia su contenido. Sigue el viñeteo al no haber usado flats.


    Solo archivos lights y flats. La foto sigue sin mucha claridad y el viñeteo como que se ha invertido (al apilar las distintas tomas se van calibrando unas con otras); las esquinas son ahora más claras.

    
Archivos lights, flats, bias y darks perfectamente apilados. La imagen ahora es mucho más clara y el viñeteo ha desaparecido. A la imagen final le quedaría el procesado final para hacerla redonda, sólo está apilada con las diferentes tomas calibradas entre sí, pero ya se ve la importancia de todos los tipos de archivos. Son como una orquesta, por separado no lucen de forma conjunta sí. Por ello es importante tomar todos los tipos de tomas.

    Para acabar, veamos la comparativa en una sola imagen todo junto a la vez.






B - Consejos finales

    En este apartado yo le voy a decir sencillamente lo que hago. No soy un profesional (ya me gustaría), pero igual algún truco le viene bien.

B1. Puesta en estación. 
    Hago la mejor puesta en estación posible. Como mi montura dispone de introscopio me ayudo de lo siguiente. Delante del telescopio orientado hacia el norte, perfectamente perpendicular al suelo tengo situado en mi azotea un hierro recto vertical (color rojo) que me ayude a que el eje 10H-6H del introscopio sea perfectamente perpendicular al suelo. Para ello, mirando por el introscopio giro el eje de declinación hasta que dicho eje sea paralelo al hierro. A partir de ahí la lectura de la hora a la que tiene que estar la polar es más precisa. 
    Me encanta el pequeño telescopio buscador de mi montura, pero si el estacionamiento no comienza bien y la estrella de alineado se sale del ocular del mismo, localizarla con más estrellas en el cielo puede ser todo un problema. Además de dicho buscador tengo un buscador de punto rojo alineado con el mismo que me ayuda en estos casos a localizar la estrella de alineado. 
 A partir de ahí hago la puesta en estación con un ocular de retículo iluminado y compruebo que sea precisa por ejemplo pidiendo que vaya a una determinada estrella. Observo la distancia aparente que hay desde el centro del ocular del telescopio buscador a dicha estrella. Cuando pida que el GOTO del telescopio vaya a un determinado objeto, esa es la distancia de error a la que estará el objeto del centro del buscador. 
    Si la puesta en estación no es adecuada, vuelvo a hacerla. Este es un paso fundamental para lo que queda de noche 



B2. Obtención de las diferentes imágenes 
    Se supone que he planificado bien el trabajo que voy a hacer, usando para ello de programas como el Stellarium. Intento centrarme en objetivos altos en el horizonte y con menos contaminación lumínica o que considere extraordinarios. Por ejemplo, estos días pasa el cometa C/2017 T2 (Panstarss) cerca del doble cúmulo de Perseo. Ese es un objetivo prioritario ya que no se va a volver a repetir (y un cometa al lado de un cúmulo, nebulosa o galaxia, mola). 
    Comienzo siempre con los lights. Requieren su tiempo y es mejor hacerlos mientras no estoy cansado. Si durante la noche no voy a ser capaz de hacer un buen seguimiento o enfocado, ya me pueden salir los mejores darks, bias o flats que no me van a servir para nada. 
    Una vez que encuentro el objeto, sobre todo si el objeto es grande, o pretendo que en la misma foto aparezcan varios, me preocupo del encuadre, girando la cámara sobre en la conexión al telescopio para tener el mejor encuadre posible. Si hace falta uso una ISO muy alta y exposiciones muy cortas hasta tener el objeto en la posición deseada. Aprieto a fondo los tornillos de la cámara.
    A continuación me ocupo del enfoque; pongo la cámara de fotos al ISO más alto y pulso el botón de live-view que permite ver lo que está delante de la cámara en la pantalla de la misma (y no en el visor del ojo). Con ese máximo ISO deberían verse estrellas, le doy al máximo zoom, 10x, encuadro alguna y ahí hago el enfoque haciendo que sean lo más puntuales posibles. Bloqueo el enfocador del telescopio. 
Si la luna está cerca, la uso para enfocar.
    Una vez que tengo el enfocado y el encuadre voy tomando distintas tomas con diferentes tiempos de exposición e ISOS y veo cómo van quedando las fotos. No suelo pasar de ISO 1600 ya que genera demasiado ruido. 
    Hago una toma a unos 5m a una ISO baja para ver si el seguimiento es óptimo o hay trazos estelares grandes. Algo de trazo sería normal sin autoguiado. 
    Una vez elegido el tiempo de exposición y el ISO, pongo el modo Bulb y conecto un intervalómetro digital, lo programo y dejo que él se ocupe de hacer las fotos. Aunque las buenas cámaras ya traen su intervalómetro, no poseen control sobre el modo Bulb. Con un intervalómetro digital, unos 15 euros por internet, le decimos cuántas fotos queremos, cuánto tiempo entre una y otra y de cuánto tiempo queremos la exposición (esto es, controlamos el Bulb si las fotos son de más de 30 segundos). 
Dejo que la montura, el telescopio, el intervalómetro y la cámara hagan su trabajo. Mientras tanto, hago la cena, acuesto los niños o lo que se tercie. 
Una vez que tengo los suficientes lights, como lo peor que me puede pasar es que se mueva el enfoque y la posición de la cámara, hago los flats. Instalo el flatbox, pongo la cámara en modo AV, copio la ISO y vuelvo a darle al intervalómetro para evitar vibraciones. Hago un par de minutos de flats
A continuación hago los bias. Quito la flatbox, pongo la tapa al telescopio, entro en el modo Manual, copio la ISO, elijo el tiempo mínimo que permite la cámara. Hago otro par de minutos de bias
    A continuación destapo el tubo del telescopio y me voy a por otro objetivo. Es cierto que en astrofotografía no es bueno hacer muchos objetivos en una noche, y es mejor tomar 50 fotos lights de 1 objeto que 10 fotos lights de 5 objetos distintos, pero un sólo objetivo por noche con lo que cuesta montar y desmontar todo me parece poco. Vuelvo a los pasos 2-10 usando el mismo tiempo de exposición y la ISO que en el paso 6 (esto es importante para minimizar los darks). 
    Para acabar, como aún no he hecho los darks (me da pena hacerlos mientras hay buen cielo, igual los hago y cuando quiero volver a hacer lights el cielo se nubla, cae humedad...), cuando llega la hora de desmontar tapo y quito el tubo y comienzo a hacer darks mientras hago el desmontado. Vuelvo a tirar del intervalómetro; de nuevo modo Bulb con el mismo tiempo de exposición e ISO que todos los lights de la noche. Si hace falta, desmonto la cámara del tubo para hacer darks poniéndole la tapa de plástico que sustituye al objetivo y la dejo un rato fuera teniendo todo recogido. 
    Con ello, en una noche, con cambios mínimos de humedad y temperatura hago todos los tipos de fotos, y dejo los Darks para el final, cuando más cansado estoy, estoy recogiendo o igual ya no hay buen cielo. 
    

¡¡¡NUEVO!!! (enero 2024): En la siguiente entrada describo todo lo que sé de la fotografía planetaria (más de 32000 palabras); entre otras cosas, a realizar vídeos como el siguiente.


22 comentarios:

Anónimo dijo...

Me parece un artículo muy interesante, ya que describe de manera lógica los diferentes tipos de errores y cómo reflejarlos. Gracias.

Unknown dijo...

Me ha resultado, en toda su elegancia, el artículo que mejor ha esclarecido para mí, un aprendiz, el tema de las frames en astrofotografía.

Syj dijo...

Magnífico artículo, profesor!! Aparentemente extenso y que sin embargo lo he "ventilao" de un tirón y cinco ganas de más. Muy bien explicado. Le felicito.

Víctor dijo...

Muchas gracias por el artículo: excelente!

Unknown dijo...
Este comentario ha sido eliminado por un administrador del blog.
Salut dijo...

Molt interessant i entenedor. Gràcies!

Salut dijo...

Me puedes decir que cámara usas?

Unknown dijo...

Uso habitualmente una canon EOS 80D para hacer cielo profundo, y un tubo Skywatcher 200PDS. Además de un corrector de coma (pero esto buscando ya la perfección).

Toni Gutiérrez dijo...

Me ha parecido un artículo realmente interesante, didáctico y muy bien explicado, abordando perfectamente los puntos clave de los distintos tipos de tomas. ¡Enhorabuena por el artículo!

Jc dijo...

De lo mejor que he leído en internet hasta ahora . Gracias por el artículo.

TRKO dijo...

Lo interesante aparte del contenido, lo ameno por la sencillez al explicarlo, me ha encantado
Muchas gracias

DIABOLO dijo...

Buenas tardes, buenisima su explicacion, pero tengo algunas dudas que me gustaria que me las saque:

Tengo un celestron 130/650 no tiene autoguiado y la camara que tengo es una nikon d3500 con la cual sacaria a foco primario, que tiempo de exposicion seria lo recomendado para que no aparezcan trazas de las estrellas y sin perder de foco a la nebulosa o salgan movida (claro que tendria que centrarla despues de cada toma).
Cuantas fotos ligth, darks y bias serian recomendables en el caso mio.
Gracias mil de antemano por la respuesta que me brinde.

Diego Melgarejo dijo...

Muy bueno

Gonzalo Pedrera dijo...

Gracias por todos sus amables comentarios. Por cierto, viendo las estadísticas esta es mi entrada más popular, y lo entiendo porque yo también empecé desde cero. Ahora estoy muy liado con el curso escolar, pero Intentaré revisarla y ampliarla pronto, así como revisar los comentarios más a menudo (hace varios meses apenas tenía) como agradecimiento hacia mis lectores, e incluso intentar contestar uno a uno. Vaya siempre por delante que no soy un experto, más bien un aficionado con cierta experiencia. En cuanto a DIABOLO, entiendo que el telescopio no está motorizado, eso limita la toma, ya que a 650 de focal con un par de segundos ya se vería cierto movimiento. Yo tiraría entonces de una ISO muy alta que minimice el tiempo (y vaya probando, igual con un par de segundos ya capta la suficiente luz, de hecho hay nebulosas como M42 muy brillantes o cúmulos estelares). En cuanto la segunda pregunta, cuantas más LIGHTS mejor, y unos 50 darks, 50 bias y flats podrían ser suficientes (eso aumenta la SNR a más de 7). Si puedo experimentaré y dedicaré una entrada a este aspecto y la fotografía extrema (en zonas de contaminación lumínica y cerca de la luna). Gracias.

César Gómez dijo...

Buenas.

Me has quitado de golpe un montón de dudas para la astrofotografía.

¡Qué maravilla de entrada! Mi más sincera enhorabuena.

Yo voy a empezar con un móvil y un programa que se llama deep sky camera y un Mak127.
Para saber manejar el programa, que habla de lights, darks, flats, etc. y no tenía ni papa jejeje, me hacía falta algo así.
Con la magnífica explicación que has dado, al menos, sé lo que estoy haciendo, otra cosa es el resultado con mi pírrico material.

Lo dicho, muchas gracias por el esfuerzo y por compartirlo.

Anónimo dijo...

Sin duda una de las mejores explicaciones del tema que he visto. Una maravilla de explicación
clara y concisa al mismo tiempo. Muchas gracias por su explicación.

Saludos. 3/5/2022


Anónimo dijo...

¿No afecta quitar el tubo y poner la tapa de la cámara para los darás?
Es lo más cómodo porque puedes recoger todo pero nunca me he atrevido a hacerlo porque pienso que al hacerlo se va a "refrescar"la cámara y los dará no serán tan válidos.
Ojalá sea una bobada de novato y se pueda hacer así sin problema porque me ahorraría un buen rato en recoger en el campo.
Muchas gracias anticipadas.

Unknown dijo...

Donde dice "darás" quería decir "darks". Estos correctores...

Gonzalo Pedrera dijo...

Hola Anónimo 8/06/22. Perdón por tardar en responder, estoy a final de curso y con mucho papeleo... de hecho tengo un par de entradas a medias que me gustaría concluir. Sin duda, lo ideal sería que todo se hiciera en las mismas condiciones, y los darks se tomaran con la cámara unida al tubo. efectivamente, al quitarla del tubo podría "refrescarse" o calentarse, depende de donde la pongamos, pero por experiencia no es algo tan importante, el que haya diferencia de varios grados entre los lights y los darks no va a cambiar mucho el resultado final, y la ventaja de tener la cámara fuera permite ir recogiendo todo. Yo suelo hacer una cosa... cuando hay algo "realmente interesante" (cúmulo de galaxias, algún cuásar) me centro en ese objeto, e intento hacer los darks esa misma noche en las mismas condiciones que los lights, si puedo con la cámara conectada al tubo... y para el resto, objetos más visibles, no soy tan sibarita. Pero no se preocupe por quitar la cámara y hacer darks esa misma noche pero fuera, mientras deje la cámara en el exterior en las mismas condiciones (humedad, viento...) todo irá bien.

Rafael dijo...

Muy interesante y didáctico el artículo, como principiante novato en esta materia me resulta enormemente útil y ha sabido resolver numerosas dudas que tenía.

Muchas gracias por tu dedicación y tiempo.

Francisco dijo...

Muchas gracias Gonzalo por compartir tus experiencias y, como buen Profesor, explicarlo todo tan claramente….
En estos días voy a realizar mi primera sesión de astrofotografia, el primer paso de un larguísimo camino….voy a aplicar tus consejos….. saludos desde La Paz, Baja California Sur, México….

Gonzalo Pedrera dijo...

Gracias a ti, Francisco. Lugar el tuyo sin duda fascinante con las ballenas jorobadas, seguro que con unos cielos espectaculares... Todo es ponerse. Aquí seguiremos intentando transmitir lo poquito que vayamos aprendiendo. Mucha suerte con tu maravillosa afición desde San Fernando, Cádiz