Parte 3:-Darks, flats y bias: que son, como se toman y que hacen. ISO óptimo: tiempo de exposición vs error periódico vs otras aberraciones.Suponiendo que dejaron todo perfecto, puesta en estación, tiempo óptimo de expo, no hay viento que mueva la montura y están sacando una foto a la Vía Láctea, disparan el primer fotograma, 3 mintos de expo a f/5.6 iso 1600, 18mm de focal… y que sale, algo como esto:
¿Y ESTO? Si bien la foto tiene muchísimo detalle, por lo menos mucho mas que una foto sacada con trípode común y 30´´ de expo, dista muchísimo del resultado final que es este:
Como ven no hay que desilusionarse, todo lo malo que ven en el fotograma simple (foto tirando al naranja-rojo, calentamiento del sensor en los bordes, falta de nitidez y contraste, falta de color, muchísimo ruido, etc.), se elimina con varias técnicas y fotos de calibración.
Las técnicas, que hacen pasar de una foto mala a una excelente, que eliminan el ruido, nos hacen ganar nitidez y contraste, color, etc. Son simples fotografías de CALIBRACIÓN y REDUCCIÓN DE RUIDO + un trabajo de APILADO.
Las fotos de calibración y reducción de ruido son:
DARKS, FLATS Y BIAS.
Ya sabemos como colocar todo y como sacar las fotos, sacamos nuestra primera foto y vemos que no es tan buena como Juan promete ¿Qué paso? En realidad, la foto ya de por si va a ser mejor que las que hacían antes, pero nada sobresaliente o sorprendente, el problema es que no estamos haciendo las fotos de CALIBRACIÓN Y REDUCCIÓN DE RUIDO.
Como ya vimos antes, tenemos un montón de tipos de ruido en las fotos y además, un montón de aberraciones (cromática, esférica, viñeteo, coma, etc.), si bien todo hace que la foto final no sea perfecta, hay tres ruidos y unas aberraciones que son la que mas se notan:
Ruido Gaussiano
Ruido por calentamiento del sensor
Ruido eléctrico de los convertidores DD de la cámara
Viñeteo y suciedad de las lentes y sensor
Por suerte, vivimos en la década del avance tecnológico y tenemos herramientas que hace menos de 15 años, solo estaban al alcance de grandes laboratorios y observatorios… ahora las tenemos sin pagar un solo $. Estas herramientas son los programas de apilado y edición de imágenes ¿Qué nos permiten?
Vamos a ver el problema de raíz así se entiende.
En una foto cualquiera, tenemos ruido y aberraciones, si la foto esta impresa mucho no podemos hacer, pero si la tenemos en un formato digital nos podemos imaginar muchos métodos para mejorarla. El primero que se nos viene a la mente es usar un algoritmo de reducción de ruido para el ruido y una base de datos de los distintos lentes para el tema del viñeteo, pero… el primero siempre elimina información de la foto y el segundo no puede adivinar si la lente estaba sucia, o si estaba puesto un filtro, etc.
Entonces lo que se les ocurrió a algunas personas inteligentes fue: “si tuviese una foto del ruido nada mas, y RESTO la misma a la foto original, ¡me va a quedar la original sin el ruido!”
¿Se entiende la idea? Si logamos tener una foto donde solo tengo el ruido por calentamiento del sensor, otra con el ruido eléctrico de los convertidores DD y otra con el viñeteo y suciedades varias y estas tres fotos las resto de la foto que quiero tratar, elimino los tres problemas mayores!
De eso se tratan los Darks, los flats y los bias.
Pero antes, tenemos que ver otra cosa para entenderlos.
En el índice me acabo de dar cuenta que el apilado lo íbamos a ver después, pero lo vamos a adelantar, por lo menos una parte, ya que si no entendemos que hace, no podemos entender que es un “master dark” un “master flat” o un “master bias”
El ruido que mas se nos presenta en las fotografías es el gaussiano, es el que mas se nota pero tenemos la suerte de que es ALEATORIO, osea, si saco dos fotos iguales y las comparo, las dos van a tener casi el mismo nivel de ruido, pero el ruido va a estar distribuido de forma DISTINTA.
¿Que pasa con la información de la foto, osea, lo que nos interesa? En las dos fotos va a ser exactamente igual o casi, ya que la información no es aleatoria (Sino no existirían los libros ni las cámaras fotográficas, ni nada ordenado ¡toma esto entropía!)
Ejemplo: Pongo la cámara en un trípode y le saco una foto a una casa, después otra sin tocar nada, las dos fotos de la casa van a ser iguales, pero si vemos bien las fotos, el ruido en ambas no es igual, se DISTRIBUYE de forma distinta.
Este es el quid de la cuestión:
Agarro esas dos fotos iguales y las sumo, pero previamente reduzco la exposición de cada una a la mitad ¿Qué obtengo? Pues una foto igual a las originales, pero… La información quedó igual ya que en ambas fotos coincidían los pixeles exactamente. ¿Qué paso con el ruido? Al ser aleatorio, cuando sumamos las fotos no coinciden exactamente los pixeles de ruido, pero… HEMOS REDUCIDO EL BRILLO A LA MITAD con lo cual, ¡¡¡el ruido se reduce a la mitad!!! ¿se entiende? La información se suma, pero el ruido al ser aleatorio se resta ¿Cuánto? Un 50% en dos fotos.
Ahora decimos, esto es genial, ¡reduzcamos el ruido a cero! Como muchos ya se imaginaran, esto es imposible, pero nos podemos acercar mucho:
Si saco cuatro fotos, le reduzco el brillo a la mitad a todas, sumo dos por un lado y dos por el otro, al los resultados le vuelvo a reducir el brillo a la mitad y hago el procedimiento de nuevo, reduje el ruido total un 75%, si hago lo mismo con 8 fotos (4 grupos de 2, luego dos grupos de 2 y finalmente las dos restantes) reduzco un 87.5% el ruido, y con 16 un 93.75% y con 32 un….
En fin, cada vez que duplicamos la cantidad de fotos que sumamos, el ruido se reduce un 50% del valor anterior (si todos fuéramos matemáticos esto sería 1000 veces mas fácil de explicar).
Este proceso de sumar fotos reduciendo la exposición es el famoso APILADO.
¿Se dan cuenta lo mágico que es esto? Si la imagen que quiero sacar es estática o sigue un patrón que puedo copiar (como el cielo) ¡puedo reducir el ruido todo lo que quiera!
En realidad, lo que estamos haciendo es aumentar la relación SEÑAL-RUIDO de la imagen. Que quede esto claro por que es IMPORTANTISIMO. ¿por qué? En una foto normal, supongamos un retrato o algo sacado de día, la señal es altísima (exposición correcta) en relación al ruido, esto significa básicamente que el ruido no se ve y como la imagen ya esta correctamente expuesta, no nos interesa bajar el nivel del ruido.
Pero ahora vamos a la fotografía nocturna, donde normalmente tenemos una parte bien expuesta (la composición de la tierra, casas, edificios, árboles y todo lo que su imaginación pueda meter en la foto) y el cielo, pero que pasa, el cielo cuando sacamos la foto siempre esta enormemente SUB-EXPUESTO excepto las estrellas mas brillantes, todo se ve apenas, ¿Qué pasa si queremos levantar la expo de este cielo para mejorar la imagen? Pues también levantamos el ruido… ya que la relación señal ruido es baja. Por eso en fotografía nocturna nos interesa reducir el ruido a valores ínfimos, por que cuando levantemos detalles, vamos a levantar ruido que antes no se veía (ni hablar si ya se veía sin levantar nada).
¿Se entendió todo hasta ahora?
Les recomiendo hacer un pausa y si es posible releer todo, ya que ahora vamos a ver un tema un poco mas complicado.
Como ya dijimos, el ruido gaussiano es aleatorio y lo reducimos apilando fotos, pero ¿Qué pasa con los otros ruidos?
El ruido por calentamiento del sensor, suponiendo que la temperatura ambiente no cambia mucho entre toma y toma es siempre IGUAL, por lo que apilando no lo eliminamos. ¿Qué podemos hacer? Hacer una foto de este ruido solamente y esta la restamos a la original, esta foto se llama DARK.
El dark es una foto que solo contiene el ruido por calentamiento y además, los hots pixels de la cámara que suelen ser los mismos siempre. ¿cómo se hace un dark? Es muy fácil:
Sacamos la foto que nos interesaba o el grupo de fotos iguales (si, ya somos expertos y sacamos 128 fotos), dejamos la cámara tal cual esta y PONEMOS LA TAPA AL OBJETIVO osea, la cámara va ver todo negro, es completamente necesario que la cámara este en manual, ya que los valores de tiempo de exposición e ISO no cambien. En pocas palabras, vamos a hacer la misma foto pero con la tapa puesta ¿Qué logamos con esto?
LA INFORMACIÓN DESAPARECIÓ PERO EL RUIDO SIGUE
Osea, logamos lo que buscábamos, una foto del ruido solo pero sin imagen, ¿simple no? No crean…
Esta es una foto como cualquier otra, por lo que… ¡¡¡TIENE RUIDO GAUSSIANO!!!! Así que, al restarla a la imagen original, restamos el ruido por calentamiento y los hots pixels, pero sumamos ruido gaussiano, seguimos igual…
Me imagino que los súper inteligentes usuarios ya se dieron cuenta de la solución… ¡APILAR DARKS! El ruido gaussiano es aleatorio, también en el dark, por lo que, para tener un dark que solo tenga el ruido que nos interesa, hay que apilarlo como con las imágenes para eliminarle el ruido gaussiano. Al apilado de darks se le llama “master dark”
Así que, para sacar una foto sin ruido gaussiano ni ruido por calentamiento, tenemos que hacer dos apilados, si sacamos 32 fotos para apilar, vamos a tener que sacar 32 darks o 64, para que cuando restemos este a la imagen, no sumemos ruido ¿se entiende?
Vamos por el ruido electrónico:
El mismo se genera en los circuitos de la cámara (normalmente en los convertidores DD) ya sabemos la teoría, ¿Cómo hacemos una imagen que solo tenga el ruido electrónico para restarlo?
Mas simple todavía: ponemos la tapa para que no tengamos la imagen, dejamos el ISO como sacamos la imagen (nos interesa el ruido electrónico al ISO que tomamos la imagen) pero AUMENTAMOS LA VELOCIDAD DE OBTURACIÓN hasta donde podamos 1/4000 o 1/8000, con esto, el sensor ni se calienta, por lo que la imagen contiene solo el ruido que generan los circuitos (que ojo, es bastante).
Esta imagen se llama BIAS. Al igual que la anterior, al sacar un bias metemos ruido gaussiano, por lo que tenemos que apilar bias….si… ya se que es tedioso, para una sola imagen final ya disparamos como 200 fotos, ¡y encima falta! Al apilado de bias se le llama… si, adivinaron “master bias”
Vámos con el último, ¿Cómo corregimos el viñeteo y la suciedad que pueda causar variaciones en la exposición de la imagen?
Igual que siempre, hay que buscar sacar una imagen que no contenga la información de la foto en si y solo tenga viñeteo.
¿Cómo lo podemos hacer? De noche lo que se usa es una “soft box” una caja de luz que tiene una superficie perfectamente iluminada sin variaciones de brillo, si sacamos una foto a esta “superficie perfectamente blanca” la imagen va a contener la información del viñeteo.
Esto seguro lo han visto, en todas las páginas de comparaciones de lentes hay imágenes de cómo viñetéa una lente:
Otra forma es sacarle una foto al cielo bien despejado, el histograma tiene que quedar al medio.
Esta imagen se llama FLAT.
Como siempre, esta imagen también contiene ruido gaussiano, por lo que tenemos que hacer un apilado de flats, el resultado un “master flat”.
Acá no importa el color, el programa de apilado solo utiliza el cambio de brillo en la imagen para calibrar nuestra foto final.
Resumiendo, ahora no vamos a ir al campo y a encuadrar, disparar varias veces y listo, ahora vamos a armar la montura, poner el telescopio con un ocular reticulado, ponerlo en estación, sacar el telescopio si no lo vamos a usar como objetivo, poner la cámara, enfocar perfectamente a infinito, encuadrar, disparar por lo menos 32 fotos para apilar, luego 32 darks (se demora lo mismo que con las fotos ya que la velocidad de obturación debe ser la misma), 32 bías y 32 flats. Y si queremos una foto nueva con otro encuadre, debemos hacer todo de nuevo, por que si cambió la temperatura 5 o 6° o cambiamos el ISO, ya los darks, flats y bias que hicimos no nos sirven. ¿lindo no? Por eso es que, en una noche, se pueden llevar una o a lo sumo dos fotos, por que es muchísimo trabajo, pero esa foto que se llevan, es excelente.
Vamos con el último punto, ¿Cuál es el ISO óptimo entonces? Depende de muchos parámetros, pero principalmente de dos:
Error periódico de la montura y calentamiento del sensor.
El error periódico ya lo vimos, por mas precisa que fue nuestra puesta en estación, de a poco el telescopio se va corriendo, supongamos que estamos sacando con un tele de focal 1000mm, por lo que solo tenemos 30´´ de buen seguimiento, si el tele es un f/5 y están sacando una nebulosa brillante, seguramente el iso para que salga bien expuesta es 800 o 1600. Si es una galaxia, podemos estirar a 3200 para que salga correctamente visible. Pero, si vamos a hacer campos amplios con gran angular, donde podemos obturar 5 o mas minutos, entonces para lograr una correcta exposición podemos reducir el ISO a 400 o 200, total, acá lo que nos sobra es tiempo, ¿Por qué bajamos el ISO si dijimos que el ruido no tiene nada que ver con el mismo? Por que sino la foto se quema osea, reducimos el ISO para poder AUMENTAR EL TIEMPO DE EXPOSICIÓN y con esto, reducir el ruido.
Pero acá tenemos otro problema, en invierno con 5 o 0° C el sensor ni se entera que esta funcionando y se mantiene fresco, pero si la temperatura ambiente sube a unos 18 o 20°… estamos en problemas, en fotografía convencional no se nota ya que la relación señal-ruido térmico es muy grande, pero en cielos, que casi todo es negro, con 5´´ de obturación seguramente les salgan franjas rojas en las fotos, si bien las mismas se pueden reducir con los darks, son complicadas de sacar, así que acá metemos otra variante en la ecuación, para reducir el ruido conviene aumentar el tiempo de exposición, pero ahora si lo aumento ¡METO OTRO RUIDO! ¿Cómo lo solucionamos?: Simple, aumentamos el ISO y disparamos mas cuadros de menos tiempo.
Para que tengan una idea, en una noche calurosa tanto con la d5100 como con la d3100, el calentamiento de sensor era tal, que en solo podía obturar 3 minutos.
Ahora estoy probando una d7000 y parece comportase mejor (el sensor es el mismo que el de la d5100, pero parece que esta acoplado a algún disipador.).
Si entendieron muy bien todo lo anterior y tienen ganas de ampliar un poco mas sobre el tema, les recomiendo leer el siguiente link:
http://www.espacioprofundo.com.ar/verarticulo/Sobre_la_Mejor_Combinacion_de_ISO_y_Tiempo_de_Subexposicion_en_Astrofotografia__con_Camaras_DSLR.htmlEn el mismo se explica con detalle y una buena cantidad de matemática lo explicado anteriormente del ruido vs ISO, pero tienen la ventaja que, sacando unos parámetros del sensor de la cámara (que con complicados de conseguir) podemos sacar cual es el ISO óptimo, osea, el que mete menos ruido electrónico.
Para cerrar el tema y capítulo, ya sabemos que cada cámara tiene un valor de ISO donde el ruido eléctrico es mínimo, normalmente anda entre ISO 400 y 1600, si podemos disparar en esos ISOS es lo ideal, pero, hay un ruido que se nota mas y es cuando falta tiempo de integración de la imagen, por lo que, si bien bajando el ISO es posible que metamos mas ruido eléctrico (casi nada pero bue.. hay que citarlo) podemos aumentar el tiempo de exposición y bajar el ruido gral de la foto.
