Por Javier Gómez Laina

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ÍNDICE

1.- PROCESAMIENTO DIGITAL DE IMAGENES

2.- LA CALIBRACION AVANZADA CON TOMAS BIAS

3.- AIP4WIN, MAXIMDL Y ASTROART: CALIBRACIÓN, COMBINACIÓN, ALINEACIÓN Y DECONVOLUCIÓN

4.- MAXIMDL Y PHOTOSHOP: COMBINACIÓN RGB, RETOQUE Y NIVELES

5.- PIXINSIGHT Y PHOTOSHOP: ELINIMACIÓN DE GRADIENTES

6.- PHOTOSHOP: MÁSCARA DE SOBREXPOSICIÓN,

7.- PHOTOSHOP Y PIXINSIGHT: PROCESADO DE IMAGEN DE LUMINANCIA

8.- PHOTOSHOP: IMAGEN FINAL

1.- PROCESAMIENTO DIGITAL DE IMAGENES

ÍNDICE

En este artículo trataré de explicar cómo, a partir de imágenes astronómicas como la de la izquierda podemos obtener imágenes como la de la derecha.

La sesión de astrofotografía comenzará con una buena puesta en estación de la montura; en Internet hay multitud de páginas que describen magníficamente esta operación, por lo que no me detendré en ella.

Sí quiero insistir en un aspecto que es FUNDAMENTAL para conseguir buenas imágenes: el enfoque.

La calidad del enfoque del telescopio depende de sus características de diseño:

- Los telescopios refractores no suelen enfocar todas las longitudes de onda en el mismo punto (salvo lo apocromáticos más sofisticados).
- La relación focal influye en la tolerancia del enfoque; cuanto mayor es ésta, más suave es el cono de luz; en la imagen lo podemos comprobar gráficamente

 

Es mejor que nos olvidemos de enfocar "a ojo"  en astrofotografía;  tendremos que utilizar alguna de las técnicas que se han desarrollado específicamente para esta operación.

Los métodos más tradicionales consisten bien en conseguir el máximo valor de la intensidad en una estrella débil (cuanto mejor sea el enfoque, mayor intensidad tendremos), o en el conteo de estrellas débiles en una zona de la imagen (a mejor enfoque, más estrellas aparecerán).

Otro método muy utilizado es el empleo de máscaras de enfoque. Máscaras desde las típicas con dos o tres agujeros hasta las más modernas que sólo se basan en los efectos de la difracción.:

 

Estas últimas son más sensibles al enfoque. En la siguiente imagen, la de la izquierda tiene un enfoque perfecto, mientras que en la de la derecha se puede observar un ligero desdoblamiento de las líneas de difracción, que delata un enfoque aún mejorable.  esta pequeña diferencia (menos de 1/100 de vuelta en enfoque de un S/C) sería prácticamente indetectable por cualquier otro método.

2.- LA CALIBRACION AVANZADA CON TOMAS BIAS

La calibración de imágenes consiste en aplicar tomas oscuras (darks) y tomas planas (flats) para corregir el ruido térmico y las pequeñas irregularidades existentes tanto en la iluminación del detector (debidas al sistema óptico) como en la propia CCD (píxeles con diferente sensibilidad).

Creo que los mecanismos básicos de estos procesos son, en principio, conocidos por los aficionados con cierta  dedicación, por lo que sólo incidiré en un aspecto: el empleo de tomas Bias (no me atrevo a traducirlo) en la calibración del  ruido térmico de la cámara.

El método estándar consiste en promediar  varios Darks para obtener un Master Dark  que se resta a la imagen; posteriormente se aplica, mediante división, el flat  (también convenientemente calibrado).  El esquema del proceso es:

El método avanzado de calibración, en el que entra en juego el empleo de tomas Bias, sería así:

La utilización de tomas Bias  tine una gran ventaja: los darks no necesitan estar tomados a la misma temperatura que la imagen a calibrar ni, incluso, tener  el  mismo tiempo de exposición.   Al restar primero las tomas Bias de la imagen, eliminamos la parte de la señal de la imagen correspondiente tanto al ruido de lectura como al umbral de intensidad introducido por el convertidor AD para asegurar que no existan valores de intensidad negativos.  Una vez restado el Bias, teóricamente sólo nos quedará el ruido térmico de la cámara que, por su propia naturaleza, es proporcional a la temperatura y a la duración de la exposición, por lo que el software de procesamiento es capaz de analizar la imagen a procesar y "escalar"  el master dark a sus condiciones de ruido térmico.

Como conclusión: si utilizamos el método de calibración con Bias, podremos emplear Master Darks genéricos, con independencia (dentro de unos límites) de la temperatura y tiempo de exposición de la imagen.  En mi caso, con la cámara CCD MX-716, he utilizado satisfactoriamente un Master Dark, obtenido a partir de 60 darks de 60" a 20º de temperatura ambiente (la cámara no tiene regulación del móduklo Peltier), para calibrar imágenes de hasta 180" de exposición y con un rango de temperaturas de 5º - 25º.



SOFTWARE DE PROCESAMIENTO

Afortunadamente cada vez  hay más programas para el tratamiento de imágenes astronómicas; a continuación detallo los que yo empleo:

AIP4WIN   para la calibración de imágenes. Acaba de aparecer la v2.0 del programa que, al parecer, está muy orientada a las nuevas cámaras DSLR (Canon 350d y silmilares).

AstroArt  para la previsualización, deconvolución y tratamiento aritmético.

MaximDL  para la alineación, combinación, creación RGB, mosaicos y eliminación de gradientes.

PixInsight  para la eliminación de gradientes; un freeware muy potente de Pleiades Astrofoto, aunque requiere algo de esfuerzo para aprender su manejo; en su web hay tutoriales muy interesantes. .

PhotoShop  para  los ajustes de niveles, curvas, combinación LRGB y últimos retoques.

Sigma  un excelente freeware desarrollado por Ray Gralak para la combinación sigma de imágenes FIT.

 

3.- PROCESAMIENTO DE UNA IMAGEN

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Ahora vamos a ver paso a paso el procesamiento de una imagen  CCD.

Se trata de una composición LRGB (luminancia y color RGB) de la conocida galaxia M51.  Las tomas se efectuaron en diferentes noches; las de luminancia, sin filtro, el 14 y 27 de mayo de 2005, y las RGB, cada una a través de su respectivo filtro de color, el 8 de mayo.  En conjunto vamos a emplear:

L: 203 tomas de 60", en modo binning 1x1.
RGB:    31-37-61  tomas de 60", en modo binning 2x2.

En total  5 horas y 32 minutos de exposición.  Se ha utilizado un Celestron C-8 de 203mm a f/6.3; aquí podéis ver el equipo utilizado.


Calibración

Primero calibramos las tomas en AIPWIN; utilizamos el proceso avanzado descrito en la página anterior, seleccionando la adaptación automática del dark.   La cámara MX-716 tiene un nivel bajo de ruido térmico, por lo que los Master Dark duran mucho tiempo: los que he empleado son del año pasado.  Los flats sólo pueden ser empleados hasta que se produce algún cambio en el sistema óptico; si dejamos la cámara acoplada en el telescopio podremos utilizar un mismo juego de flats durante varias sesiones (siempre y cuando no se realicen grandes movimientos de enfoque).

Una vez que hemos determinado los parámetros de calibración, calibramos las imágenes; como la combinación se hará más adelante y en otro programa, marcamos la casilla "Individual" y determinamos el directorio en el que se archivarán las imágenes calibradas.

Combinación

Ahora  vamos a combinar las imágenes; lo haremos en el programa MaximDL v4.01, con los comandos  File-Combine files...
En la pantalla de opciones  seleccionamos el modo de alineación de las imágenes  Auto star matching, la imagen que vamos a utilizar como referencia para la alineación y el modo de promediado  Output-SD Mask; los parámetros que vienen por defecto en SD Mask suelen ser válidos.

La combinación SD Mask es un método realmente potente; básicamente consiste en una adaptación del promediado común (average), en la que los valores de pixel que se desvían del valor medio (en la imagen promediada) más de 0.5 veces (el factor sigma) la desviación típica son descartados, siendo su valor sustituido por el valor medio; esta operación se realiza en pases sucesivos (por defecto 3).  En cristiano, lo que hace el algoritmo es descartar en cada imagen los píxeles que tienen valores muy distintos a los del resto de las imágenes.

Después de esta parrafada, creo que lo mas convincente es ver las bondades del método en una comparativa:

Haz clic en la imagen para ver la leyenda

La imagen de la izquierda  es una combinación de tipo mediana (median), la del centro de tipo promedio (average) y la de la derecha SDMask; vemos que la median tiene un ruido mayor que la average, aunque elimina los trazos brillantes y oscuros presentes en esta última; estos trazos son debidos a los píxeles calientes y fríos  que se van "desplazando" por la imagen debido a los movimientos relativos entre los telecopios principal y de guiado en el transcurso de la sesión de observación.  Por último, la imagen SD Mask  tiene el menor nivel de ruido y, además, también elimina los trazos.

Como medida cuantitativa del nivel de ruido, podemos emplear la Desviación Típica (Standard Deviation - StD) de cada imagen; cuanto menor es ésta, menor es el nivel de ruido.


Alineación

Después de promediar las tomas L, R, G y B, el siguiente paso es redimensionar y alinear las imágenes en MaximDL; abrimos las 4 imagánes y, en el comando Align Images, seleccionamos la imagen  de luminancia como referencia y Auto star matching como modo de alineación.  Pulsamos OK y automáticamente el programa alinea y redimensiona las imágenes (las tomas de color se habián realizado en modo binning 2x2, por lo que tenían la mitad de tamaño que la de luminancia).

Ahora nos vamos a AstroArt  v3.0 para recortar y efectuar un tratamiento de deconvolución a las imágenes.

Es conveniente recortar los bordes negros que resultan de alinear las imágenes antes de efectuar cualquier tratamiento; los de convolución son especialmente propensos a crear artefactos en las imagénes cuando tienen que trasegar con estos bordes; de la misma forma, es muy importante recortar idénticamente las imágenes ya alineadas.

En AstroArt abrimos las 4 imágenes ya alineadas (L, R, G y B) y determinamos cuántos píxeles hay que recortar en cada lado; aplicamos Image Borders a todas las imágenes.

Deconvolución

Una vez archivadas las imágenes recortadas, haremos la deconvolución con el plug-in Smart Star Bloat; utilizaré unos parámetros algo más fuertes (3, 1000) en la imagen de luminancia que en las RGB (2, 1000), ya que la primera tiene una mejor relación S/R y "soporta" mejor la deconvolución.

Con esto ya tenemos listas las imágenes para la combinación RGB en MaximDL.

4.- PROCESAMIENTO DE UNA IMAGEN (continuación)

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Combinación RGB

En MaximDL haremos la combinación de las imágenes R, G y B , que ya hemos calibrado, combinado, alineado, recortado y deconvolucionado, en una imagen TIFF en color.

Abrimos las tres imágenes  y utilizamos el comando Combine Color..

Hay que marcar la casilla Background Auto Equalize para igualar el nivel de fondo de cada imagen.  En las casillas diagonales hay que poner los pesos especificos de cada color.  Primero tenemos que tener una primera estimación de cómo maneja los colores el conjunto de nuestro sistema óptico, formado por: telescopio, reductores/adaptadores, filtros y CCD.

Para ello he empleado el sistema de calibración G2V.  Consiste en efectuar tomas de una estrella del tipo espectral G2V, que es el del Sol, a través de los filtros RGB; de esta forma tenemos una imagen de un objeto de luz blanca pura que, por definición, es la del Sol.  Cuidando que los niveles de la intensidad de la estrella en la toma se encuentren dentro del rango de linealidad del CCD, obtendremos de esta forma la respuesta de nuestra configuración óptica; por ejemplo, si obtenemos en cada una de las tomas RGB niveles relativos de 1, 0.83 y 0.45, sabremos que, con respecto al rojo, la respuesta al verde es del 83% y la del azul del 45%, por lo que tendremos que tomas con más tiempo de exposición (o en mayor número) a través de los filtros verde y azul, en la relación RGB 1, 1.2,  2.2

A la hora de la verdad, hay que efectuar ligeros retoques sobre los coeficientes hallados anteriormente, ya que pueden variar a causa de la extinción atmosférica y/o la contaminación lumínica.  En el caso de procesar una imagen astronómica con fines estéticos (como lo son la inmensa mayoría de las fotos en color de aficionados), mi método consiste simplemente en ir variando los coeficientes de cada color hasta encontrar el que parece más equilibrado.

Una vez realizada la combinación RGB en MaximDL, guardamos la imagen en formato TIFF. para su procesamiento en PhotoShop.



Retoques en PhotoShop

He empleado la versión 8 (CS) de PhotoShop; en versiones anteriores algunos de las operaciones no se pueden realizar en modo 16 bits, por lo que tendremos que cambiar a 8 bits, con la perdida de información en la imagen que supone.   La versión utilizada está en inglés, por lo que la denominación de los comandos será distinta en la versión en español, aunque creo que no habrá problema en su traducción.

Hasta ahora hemos procesado dos imágenes, la de luminancia y la de color.  En el procesamiento en PhotoShop vamos a tratarlas por separado hasta que efectuemos la combinación LRGB.



Ajuste de niveles

Abrimos la imagen RGB y, como es bastante habitual en las imágenes astronómicas, nos encontraremos una imagen prácticamente negra.

Como vemos en el histograma (comando Levels), la información de la imagen está contenida en una estrecha franja, por lo que tendremos que ajustar los niveles de la iamgen hasta conseguir "ensanchar" el histograma.  Haremos esta operación con varias aplicaciones del comando levels, lo que nos permitirá un ajuste mucho más fino que si lo hiciéramos en un solo paso.

En la imagen he ido aplicando  estos niveles:
0 - 80
15 - 100
15 - 100
20 - 150
20 - 120
hasta que se obtiene una imagen con buenas características.

El problema es que, para obtener un buen nivel en los brazos de la galaxia, los núcleos quedan claramente sobreexpuestos.  Para solucionar esto, deshacemos el último cambio de niveles (el de 20 - 120):

Ahora el nucleo de la galaxia está menos saturado, aunque los brazos han perdido  mucha definición; guardamos la imagen como RGB1.tif y aplicamos de nuevo los niveles  20  - 120; archivamos la imagen ahora como RGB2.tif .     La imagen RGB1.tif la emplearemos más adelante para crear una máscara que evite la sobreexposición en el núcleo.


Nos toca cambiar de nuevo de programa; esta vez nos vamos a PixInsight v1.0.2

 

5.- PROCESAMIENTO DE UNA IMAGEN (continuación)

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Eliminación de gradientes

PixInsight tiene una potentísima herramienta para la eliminación de gradientes: Dynamic Background Extraction (DBE).

Abrimos RGB2.tif  y cargamos el modo DBE  (Image-Mode-Dynamic Background Extraction); pinchamos sobre la imagen y aparecerá la pantalla de parámetros del modo DBE; puedes ver un magnífico tutorial sobre DBE de Juan Conejero en la página de Pleiades-astrophoto.

Ajusto la tolerancia al máximo:  0.7, aunque  tenga que mover manualmente las casillas para que no haya ninguna estrella brillante en su interior, y muevo/elimino las casillas para que no se encuentren sobre la galaxia.

Generamos el modelo de fondo de imagen; como no me manejo lo suficientemente bien en PixInsight, archivaré el fondo de imagen y lo aplicaré en Photoshop.  Hay que tener cuidado en archivar el fondo como TIFF 16 bits (por defecto el programa emplea 8 bits).


Volvemos a PhotoShop y abrimos la imagen de fondo.  Por defecto PixInsight la reduce un 50%, por lo que tenemos que ampliarla un 200%.

Seleccionamos toda la imagen de fondo ampliada (Ctrl+a), la copiamos en el portapapeles (Ctrl+c) y la pegamos encima de la imagen RGB (Ctrl+v).   Esto nos crea una nueva capa (Layer 1) en la imagen RGB; cambiamos el modo de esta capa a Difference:

Una vez restada la imagen de fondo, hemos eliminado la práctica totalidad de los gradientes luminosos en la imagen.  Podemos todavía mejorar algo la imagen RGB mediante el comando Curves:

Ya hemos prácticamente finalizado el procesado de la imagen RGB; sólo nos queda eliminar la sobreexposición del núcleo de la galaxia.  Guardamos la  imagen como RGB3.tif.

 

6.- PROCESAMIENTO DE UNA IMAGEN (continuación)

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Máscaras para sobreexposición

Este método ha sido desarrollado por el astrofotógrafo Jerry Lodriguss, estando muy bien documentado en sus páginas web.

En PhotoShop, abrimos las imágenes RGB3.tif (sobreexpuesta) y RGB1.tif (la que archivamos anteriormente sin sobreexposición)

Seleccionamos  RGB1 (Ctrl+a), la copiamos en el portapapeles (Ctrl+c) y la pegamos en RGB3 (Ctrl+v).  Esto nos crea una nueva capa en RGB3: Layer1.  Añadimos una máscara a Layer1 pinchando sobre este icono:

Ahora ya podemos cerrar RGB1; en RGB3, activamos la capa original (Background), la seleccionamos (Ctrl+a) y la copiamos en el portapapeles (Ctrl+c):

Activamos la máscara en Layer 1, pinchando sobre el rectángulo blanco a la vez que pulsamos Alt; una vez que aparezca el fondo blanco de la máscara sobre la imagen, pegamos la capa Background que tenemos en portapapeles (Ctrl+v).

Deseleccionamos Backgroung (Ctrl+d); tenemos activada la máscara y aplicamos un filtro de desenfoque Gaussiano (Filter-Blur-Gaussian blur...) con un radio de 3.5 píxeles.

Con la herramienta Lazo  seleccionamos en la máscara las zonas saturadas (con la opción de añadir selección marcada); aplicamos Feather con 12 píxeles.

Invertimos la selección (Select-Inverse) y oscurecemos toda la máscara, excepto las zonas saturadas seleccionadas en el paso anterior, llevando el marcador izquierdo de los niveles al extremo derecho del histograma.

Deseleccionar (Ctrl+d) y unir las capas con el comando Flatten.  Podemos comparar  la imagen antes y después de aplicar la máscara de sobreexposición; vemos como hemos aumentado el detalle en los núcleos sin alterar el resto de la imagen.

Ya tenemos procesada la imagen RGB; ahora nos toca aplicar un procesamiento similar al realizado hasta ahora a la imagen de luminancia.

 

7.- PROCESAMIENTO DE UNA IMAGEN (continuación)

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Procesamiento de la imagen de luminancia

Los pasos a seguir son prácticamente los mismos que hemos empleado en el procesamiento de la imagen RGB.

Partimos de la imagen deconvolucionada en AstroArt, que  se encuentra en formato FITS.  Para  abrirla en PhotoShop necesitamos un plug-in específico para este tipo de archivos; puedes descargarlo en la página de Eddie Trimarchi.

Al abrir la imagen en PhotoShop obtenemos, como es habitual en las fotografías de cielo profundo, la pantalla prácticamente en negro:

ajustamos los niveles en varios pasos:
0 - 70
20 - 100
20 - 120
10 - 180
5 - 150
8 - 180
y guardamos la imagen en uno de los ajustes intermedios (el cuarto) para aplicar posteriormente la máscara de sobreexposición.

En PixInsight obtenemos el fondo de la imagen de la misma forma que con la imagen RGB; la aplicamos a la imagen en PhotoShop.

También realizamos el proceso de máscara de sobreexposición:

Para obtener la imagen final de luminancia sólo nos queda aumentar un poco el contraste en la galaxia. Para efectuar el proceso sin introducir ruido en el fondo de la imagen, seleccionamos la zona alrededor de la galaxia con la herramienta Lazo; en la selección determinamos un Feather con 25 píxeles y , finalmente,  aplicamos un filtro Unsharp mask al 80% y con un radio de 0.8 px.

Procedemos ahora a la combinación LRGB.  Seleccionamos toda la imagen de luminancia (Ctrl+a) y la copiamos en el portapapeles (Ctrl+c); abrimos la imagen RGB procesada y pegamos en ella la de luminancia (Ctrl+v).  Modificamos el tipo de la nueva capa a Luminosity.

 

Ya tenemos la imagen LRGB; ahora sólo nos quedan pequeños retoques:en este caso no es necesario tocar la saturación del color, por lo que sólo aplicamos ligeramente Curves y unimos las capas con el comando Flatten.