Elaborazione delle Fotografie astronomiche deep sky-2014

ELABORAZIONE
DELLA FOTOGRAFIA
ASTRONOMICA
DEEP SKY
PRETRATTAMENTO DELLE IMMAGINI
ELABORAZIONE FOTOGRAFICA CON PHOTOSHOP
STRUMENTI PER LA FOTOGRAFIA
La fotografia astronomica può essere effettuata con diversi
strumenti:
REFLEX DIGITALE
Strumento universale
Visualizzazione immediata foto
Mirino e display
Uso senza computer
Sensore poco sensibile nel rosso
Sensore non raffreddato
CCD
Strumento dedicato
Uso esclusivo con computer
Visualizzazione foto con computer
Sensore ad alta efficenza
Sensore molto sensibile nel rosso
Sensore raffreddato
I SENSORI
I sensori usati sono chiamati CCD o CMOS che
sono rivelatori elettronici sensibili alle onde
elettromagnetiche che vanno dalla lunghezza
d'onda dell'infrarosso fino a all’ultravioletto.
Sono composti da una matrice di pixel ossia di
celle disposte affiancate in righe e colonne. I
fotoni che colpiscono il sensore vengono
convertiti in elettroni che si accumulano
all'interno di ogni pixel finché non ne verranno
estratti, al termine della posa.
Le Reflex hanno sensori CCD o CMOS a colori che
altro non è che un sensore monocromatico a cui
viene anteposta una matrice di Bayer che è una
serie di microscopici filtri colorati disposti secondo
un ordine stabilito che vanno a disporsi davanti a
ciascun pixel del sensore di ripresa.
MODALITA’ DI RIPRESA
Nella fotografia digitale sono importanti alcuni fattori:
la sensibiltà da impostare (800 – 1600 ISO)
l’apertura relativa del telescopio (f =F/D)
la lunghezza focale del telescopio
la messa a fuoco
il tempo di esposizione
il numero di esposizioni
Per le fotografie del cielo il rumore è meno importante e si può poi ridurlo con
tecniche di elaborazione.
Per la ripresa conviene disattivare la riduzione del rumore automatica,
altrimenti è facile che il software della reflex cancelli le stelle scambiandole per
rumore.
Si effettuano molte riprese successive scattando con intervalli di pausa per
permettere al sensore di scaricare l’immagine sulla scheda.
Perché si fanno molte immagini?
Per ogni immagine scattata c’è una quota di rumore ed una
quota di segnale (stelle).
Per ogni immagine la quota rumore è casuale, cioè un po’
diversa per ogni scatto, mentre la quota segnale è sempre
la stessa.
Se faccio varie foto dello stesso soggetto e le sommo (o
meglio effettuo una media), il rumore diminuisce rispetto al
segnale, ovvero rispetto al soggetto che intendo
fotografare.
Quindi più foto riprendo è migliore sarà il risultato, vediamo
un esempio.
1 posa da 1”
100 pose da 1”
1100 pose da 1”
Cometa di Holmes ripresa con Nikon D200 a 1600 ISO con
obiettivo 300 mm f/2.8.
L’oggetto si trovava a 45° di declinazione e l’immagine è
stata scalata per evidenziare l’oggetto.
Allora 60 pose da 1” = 1 posa da 60” ?
Sfortunatamente no. Una posa più lunga comunque
registra più segnale e quindi cattura più fotoni e quindi il
risultato è diverso.
E poi per ogni immagine la reflex producono errori di lettura
che vanno a sommarsi e non possono essere eliminati.
1 posa da 1”
20 pose da 1”
in jpg
20 pose da 1”
in raw
Nebulosa di Orione
1 posa da 20”
Rapporto Segnale -Rumore
A causa della natura quantistica della luce, il rilevamento dei fotoni (con
un dispositivo come il CCD) è sempre un processo casuale dominato
dalla statistica di Poisson, che distribuisce i conteggi dei fotoni catturati
secondo una distribuzione a campana
Quando si cerca di misurare un fotone
rilevato da una camera CCD, il rumore di
conteggio associato è dato dalla radice
quadrata del segnale, quindi rapporto
segnale rumore (o S / N o SNR) è:
S
SNR = = S
N
Il sensore CCD o CMOS delle reflex digitali non raccoglie
solo la luce emessa dal corpo celeste, ma anche l’energia
prodotta da altre componenti dovute al processore di
acquisizione:
rumore termico generato dal sensore,
il rumore generato dal processo di trasferimento
dell’immagine,
il rumore generato da campi elettromagnetici dei
dispositivi,
i difetti intrinseci del sensore (pixel caldi, alterazioni
sul colore dei pixel, ecc),
vignettatura, granelli di polvere sul sensore,
rumore di fondo (background noise): inquinamento
luminoso del fondo cielo, sia artificiale che naturale,
come la presenza della Luna.
Quindi il rapporto Segnale - Rumore SNR dice che: maggiore è il
segnale raccolto minore risulta la quota rumore ( in percentuale), quindi
l’oggetto fotografato risulta più evidente.
Un esempio per fissare il concetto:
Supponiamo di scattare 10 fotografie:
SNR = √ 10/10 = ovvero 0,31, in percentuale il 31%
Supponiamo ora di scattare 100 fotografie:
SNR = √ 100/100 = ovvero 0,1, in percentuale il 10%
Supponiamo adesso di scattare 1000 fotografie:
SNR = √ 1000/1000= ovvero 0,031, in percentuale il 3,1%
Per rendere esenti dai difetti suddetti le immagini astronomiche digitali devono
subire una particolare elaborazione. Oltre all’acquisizione delle immagini del
soggetto prescelto che chiameremo Luminanza (L) bisogna riprendere anche
delle immagini “particolari”, il cui concetto è esposto di seguito:
Bias Frame:
è il segnale elettrico del sensore. Esso
dipende solo dalla sensibilità
impostata sulla reflex. Si riprende
impostando il tempo più breve con
macchina tappata.
Dark Frame:
è l’immagine ottenuta dal rumore
termico accumulato nel sensore e
dipende dal tempo di posa, dalla
temperatura e dalla sensibilità
impostata. Si riprende nelle stesse
condizioni della posa in luminanza
tappando l’ottica.
Flat Field:
è l’immagine ottenuta dai difetti dei
pixel del sensore, vignettatura e
granelli di polvere. Non dipende dal
tempo di esposizione ne dalla
temperatura ma è legato alla
configurazione ottica della ripresa. Si
riprende illuminando uniformemente
con luce bianca uno schermo bianco.
Il programma di elaborazione o pretrattamento deve
effettuare una serie di algoritmi matematici su ogni pixel
costituenti l’immagine che può essere riassunto con la
seguente formula:
I(x,y) = [L(x,y) – Dark(x,y) – Bias(x,y)]/Flat(x,y)
Dove I(x,y) è l’immagine finale ottenuta
Pretrattamento delle immagini
Come abbiamo visto nella fotografia astronomica digitale
bisogna effettuare molti scatti dello stesso soggetto in
modo poi da sommarli per ottenere un risultato migliore.
In internet ci sono vari programmi gratuiti adatti a tale
scopo. Uno molto semplice da usare è DeepSkyStaker che
è anche in italiano lo si scarica da:
http://deepskystacker.free.fr/english/index.html
Il programma è molto intuitivo e fa la somma in modo
automatico.
Allinea e combina
Elaborazione
Opzioni
Elenco foto
La prima cosa da fare è selezionare
le immagini da caricare premendo
con il mouse la prima riga "apri
immagini". Si apre una finestra di
caricamento e selezioniamo le
immagini evidenziandole.
Passiamo alla riga
successiva, caricando i
dark.
E’ possibile anche salvare
la lista di immagini
caricate, aprirne una
salvata e svuotare una lista
di immagini per farne una
nuova.
Il programma ha quindi caricato le
foto nell’elenco in basso. Premiamo
"marca tutti" per spuntare tutte le
immagini caricate e siamo pronti per
il passaggio successivo.
Una cosa che dobbiamo tenere sempre presente è che il
programma richiede immagini delle medesime dimensioni e che, al
momento, non è in grado di scalarle.
Il programma comunque è in grado di riconoscere i file raw delle
fotocamere, i tiff, i jpg e i bmp senza alcun problema.
Prima di iniziare l’allineamento
conviene effettuare il settaggio Raw.
Conviene mantenere il
bilanciamento del bianco
“Automatico” ed “Interno alla
Macchina”.
Le fotocamere normali sono
poco sensibili al rosso delle
nebulose quindi si può
correggere il Rosso portando il
valore a 1.1 o 1.2
A questo punto possiamo selezionare
"allinea immagini selezionate" e passare
alla definizione di alcuni parametri.
Si imposta una soglia di rilevamento
stelle al 10% con campi fotografici
ampi. Se il campo fotografico è povero
di stelle si può aumentare tale valore.
A questo punto si clicca su “parametri di
combinazione” e si passa ad una
successiva finestra.
Modo standard dove le immagini che vengono
allineate vengono ritagliate in modo da
mantenere l'immagine di riferimento
modo mosaico nel quale l'immagine ottenuta
comprenderà il campo complessivamente
coperto da tutte le immagini.
Modo intersezione dove le immagini che
vengono allineate vengono ritagliate in modo
da mantenere solo la parte comune a tutte le
immagini
La seconda finestra “Immagine” mette a disposizione dei metodi di
combinazione che sono comuni anche alle successive finestre Dark,
Flat, Bias/Offset. Vediamone la caratteristiche.
MEDIA
E' il metodo più semplice. Calcola la media di tutti i pixel nella
medesima posizione.
MEDIANA
Questo è il metodo usato di default quando viene creato i file master di
dark, di flat e di bias. Per ogni posizione viene preso il valore mediano
dei pixel corrispondenti. Il valore mediano viene ricavato ordinando i
valori in ordine crescente e utilizzando il valore che corrisponde a
quello in mezzo alla lista ordinata.
Per fare un esempio, ammettendo di avere come valori (ordinati) 10,
150, 1550, 1650, 1680 il valore che verrà preso è 1550 mentre se
avessimo preso il valore medio sarebbe stato pari a
(10+150+1550+1650+1680)/5=1008
TAGLIO KAPPA-SIGMA
Questo metodo è usato per scartare pixel di valore anomalo che
possono capitare a causa di raggi cosmici, aerei, satelliti o altro.
Vengono usati due parametri: il numero delle iterazioni e il valore di
moltiplicazione della deviazione standard (Kappa). Per ciascuna
iterazione viene calcolato il valore medio e il valore Sigma di
deviazione standard di ciascun pixel. Ciascun pixel che si discosta dal
valore medio di una quantità pari a kappa * sigma viene rifiutato. Il
valore medio dei pixel rimasti viene calcolato per ciascuna posizione.
TAGLIO MEDIANO KAPPA-SIGMA
Questo metodo è simile al taglio Kappa-Sigma con la differenza che
invece di usare il valore medio viene usata la mediana dei vari pixel.
MEDIA SOPPESATA AUTOADATTIVA
Questa media ponderata è adattata dal lavoro di Stetson. Questo
metodo calcola una media pesata ottenuta iterando il peso di ciascun
pixel dalla media comparandola alla deviazione standard.
MEDIA ENTROPICA (Alta dinamica)
Questo metodo è basato sul lavoro di German, Jenkin e Lesperance
ed è usato per unire le immagini prendendo per ciascuna di esse il
pixel con la miglior dinamica. E' particolarmente utile quando si
uniscono immagini con diverse esposizioni e velocità ISO, creando una
immagine mediata con la massima dinamica possibile. Con questo
sistema è possibile evitare di bruciare i nuclei galattici e le parti centrali
di nebulose tipo M42.
MASSIMA
Questo è un metodo semplicissimo da usare con molta attenzione. Il
valore massimo di tutti i pixel è usato per l'immagine. Può essere usato
per trovare cosa possa essere andato storto nell'unione delle immagini
mostrando tutti i difetti delle immagini calibrate.
Spuntare:
Rilevamento e rimozione pixel caldi
Ottimizzazione del dark
Si clicca su “OK” e si torna alla
finestra “Settaggi Allineamento”
Si clicca su “OK” e si apre
la finestra “Procedura
combinazione”
In questa finestra si
riassumono i passi di
combinazione scelti con il
numero delle foto
Si clicca su “OK” e si
procede alla combinazione
automatica delle foto
Questa ultima fase è quella effettiva di lavorazione da parte del software
che procede in modo automatico all’allineamento e somma delle
immagini.
Dopo il tempo necessario all'elaborazione appare l'ultima schermata
l’immagine allineata e sommata. Il programma salva in un file
autosave.tif (a 32 bit di profondità) il file risultante.
Elaborazione delle immagini
Dopo il pretrattamento delle immagini abbiamo ottenuto un’immagine
“grezza” che deve essere elaborata con un programma di grafica.
Normalmente si utilizza Photoshop che è un potente programma di
ritocco fotografico.
Si può utilizzare anche il programma di fotoritocco GIMP che è
scaricabile gratuitamente da internet e che ha funzioni simili a
Photoshop.
In Photoshop apro l’immagine sommata con DeepSkyStacker che era
stata salvata come autosave.tif a 32 bit di profondità. Per poterla
elaborare devo ridurla a 16 bit nel seguente modo:
compare una finestra: Conversione HDR, ciccare su Ok senza variare
nulla.
A questo punto salvare l’immagine con: File > Salva con nome, nella
casella Nome file indicare un nuovo nome e poi ciccare su salva.
Una finestra importante in
Photoshop è quella dei Livelli o
Layer.
Normalmente c’è sempre un livello
di sfondo a cui si possono
aggiungere altri livelli come strati
sovrapposti. Quando è evidenziato
di blu significa che sto lavorando su
quel livello. Se compare l’occhio
significa che quel livello e
selezionato. Posso ciccare
sull’occhio per deselezionare il
livello. Vedremo in seguito quanto è
importante lavorare con i livelli,
perché ci permette di modificare
quando vogliamo alcuni parametri.
Correzione dei livelli
Come prima operazione devo correggere i livelli in RGB del fondo cielo
che deve essere bilanciato. Attiviamo un nuovo livello di regolazione nel
seguente modo:
Compare la seguente finestra di regolazione
Per bilanciare correttamente i
colori del fondo dell’immagine
conviene operare non in RGB ma
per ogni canale (Rosso, Verde e
Blu) spostando il cursore nero
(toni bassi) a sinistra verso
l’inizio dell’istogramma
Correzione delle curve
Un potente strumento per modificare la gamma tonale dell’immagine è il
comando curve. Con questo strumento possiamo fare una elaborazione
molto più complessa rispetto alla correzione dei livelli, ma nello stesso
tempo l’uso dello strumento è meno intuitivo e richiede più pratica.
Attiviamo un
nuovo livello di
regolazione curve
nel seguente
modo:
Compare la seguente finestra di regolazione
Come si vede il grafico che
appare di default è una retta
inclinata di 45° che indica una
andamento lineare dei toni.
(Nota: per rendere più grande la
finestra cliccare sul bottone in
basso a destra e per infittire la
griglia digitare ALT+clic sinistro)
Si vede come la regione tonale è
rappresentata da differenti aree
della regolazione Curve. Si
passa dai toni scuri in basso a
sinistra fino ai toni chiari in alto a
destra.
Cliccando sulla retta con il
pulsante sinistro si crea un
riferimento (in questo caso è al
centro). Posso creare molti
riferimenti che come vedremo
sono molto utili nella gestione
della regolazione Curve.
Sul riferimento cliccando con il
pulsante sinistro e mantenendo
premuto posso spostare la curva.
Vediamo ora alcuni semplici esempi di regolazione Curve che chiameremo
“stiramento”.
Questo stiramento lineare mi
incrementa la luminosità senza
cambiare la pendenza della curva.
I toni chiari e i toni scuri sono
cambiati il campo tonale è più corto
e ho una grossa differenza sul lato
dei toni scuri. Non ho cambiato il
contrasto.
Questo stiramento lineare mi
abbassa la luminosità senza
cambiare la pendenza della curva.
I toni scuri sono severamente
tagliati e perdo la gran parte dei
toni chiari del campo tonale.
L’immagine diventa scura.
Questo stiramento lineare mi
abbassa la luminosità senza
cambiare la pendenza della curva.
I toni scuri sono severamente
tagliati e perdo la gran parte dei
toni chiari del campo tonale.
L’immagine diventa scura.
Questo stiramento lineare mi
incrementa la luminosità
cambiando la pendenza della
curva. Aumento i toni chiari ed
anche il contrasto (l’area
dell’istogramma è maggiore).
Gli stiramenti della curva servono a esaltare la luminosità del soggetto che
ho fotografato cercando di allargare il più possibile l’istogramma.
Questo stiramento è logaritmico.
Creo un riferimento centrale e lo
sposto verso sinistra. Ho un
incremento della luminosità
cambiando la pendenza della curva.
Aumento i toni chiari ed anche il
contrasto (l’area dell’istogramma è
maggiore). Ho migliorato la
luminosità dei mezzi toni.
Questo stiramento è a forma di S.
Creo due riferimenti centrale e li
sposto in modo da creare una S. Ho
un incremento della luminosità dei
mezzi toni e anche dei toni chiari
senza cambiare il fondo. E’ un
intervento molto più delicato.
Il segreto è quello di creare più fasi di elaborazioni con le curve in
modo da bilanciare bene il gradiente dei toni chiari, medi e scuri,
intercalando anche una correzione dei livelli per bilanciare bene il
fondo cielo. E’ molto importante che siano presenti delle gradevoli
sfumature tra le parti chiare e quelle scure, altrimenti si rischia di
vedere una specie di frittata su uno sfondo nero.
In basso a destra la finestra dei livelli mi indica le operazioni fatte. Se il
risultato ottenuto non ci piace possiamo variare l’effetto di ogni singola
operazione eseguita su ogni livello variando la percentuale dell’opacità
(100% di default) cliccando su > a fianco della percentuale e muovendo il
cursore la posso ridurre
Cliccando due volte sul pallino
bianco/nero si riapre la finestra di
regolazione e posso variare a
piacimento il parametri di curve e livelli
Il livello può essere anche eliminato con
il menù a tendina: Livello > Elimina >
Livello, oppure cliccando sul triangolino
in alto a destra (►) sulla finestra dei
livelli si apre un menù a tendina >
Elimina livello.
Bilanciamento colore
Dopo aver elaborato l’immagine con una serie di funzioni “Livello” e “Curve”
spesso bisogna anche intervenire con lo strumento “Bilanciamento colore”.
Con questo strumento possiamo correggere delle dominanti di colore che
non ci risultano valide, anche se il “colore” risulta sempre molto soggettivo.
Attiviamo un
nuovo livello di
regolazione
bilanciamento
colore nel
seguente modo:
Compare la seguente finestra di regolazione
Normalmente si bilanciano i
colori spostando di poco i cursori
dei mezzi toni ed eventualmente
delle ombre, in modo da ottenere
un risultato a noi gradevole e che
sia il più possibile realistico.
Effetti Cosmetici
Alla fine dell’elaborazione, per motivi puramente estetici, conviene intervenire
con effetti cosmetici, in modo da dare alle nostre immagini maggiore risalto e
“morbidezza”, cosa che con i precedenti passaggi non siamo riusciti a dare.
Per fare questo mi avvalgo di una serie di “azioni” ideate ed elaborate da
astrofili, proprio per fare effetti cosmetici.
Le più note sono le azioni di Noel Carboni:
http://www.prodigitalsoftware.com/Astronomy_Tools_For_Full_Version.html
e quelle di Cristian Fattinnanzi:
http://www.cristianfattinnanzi.it/
Di seguito analizzeremo alcune azioni di Cristian Fattinnanzi
Cosa sono le “Azioni” di Photoshop?
In Photoshop un'azione è una sequenza di operazioni che è stata
registrata e che quindi può essere ripetuta in qualsiasi momento con un
semplice click.
Le azioni sono particolarmente utili per tutte quelle operazioni che hanno
dei parametri standard. Un esempio è l'inserimento della firma in una
foto: con le azioni non dovrete più scegliere ogni volta il colore, il font e la
dimensione, creare il campo di testo, ecc. ma sarà sufficiente selezionare
un'azione precedentemente creata e fare click su Esegui.
Nel nostro caso l’azione è una registrazione di diversi passaggi in
sequenza che danno un certo effetto alla nostra fotografia
Tra le azioni presenti ci sono funzioni per la riduzione della granulosità
dell’immagine, l’attenuazione dell’effetto “blobbing”, che genera chiazze
colorate sul fondo cielo, la possibilità di dare l’effetto a croce alle stelle
più luminose, con vari angoli di rotazione, l’attenuazione del cromatismo.
Con l’azione “Riduci Stelle” si può ridurre la grandezza delle stelle ed
evidenziare l’oggetto nebulare.
Sono presenti inoltre comandi per rendere il cielo più scuro o per
contrastare l’oggetto luminoso: l’uso di questi comandi è strettamente
legato al tipo di immagine trattata, per cui non sempre si otterrà il risultato
perfettamente cercato.
Al termine di ciascuna azione, il nuovo risultato viene proposto su un
livello superiore a quello di partenza. In questo modo, se l’effetto ottenuto
fosse eccessivo o totalmente diverso da quello cercato, sarà possibile
modificarne l’OPACITA’ o eliminarlo del tutto.
Color Blobbing:
frequentemente le riprese digitali
mostrano nelle zone scure degli
anomali aloni colorati, generalmente
rossi e blu, dovuti al rumore
elettronico e termico.
Questa azione è stata studiata per
eliminare questi effetti indesiderati.
Grana Fondo Cielo:
questa azione svolge un intervento di
riduzione della granulosità mirato
sulle parti scure dell’immagine,
lasciando intatte le parti luminose.
Ombre Scure:
questa azione evidenzia le parti
luminose dell’immagine, riducendo la
luminosità delle zone scure, qualora
queste fossero troppo chiare.
Sfocatura Multipla:
questa azione serve a dare un
aspetto più morbido e fumoso alle
zone nebulari o galattiche,
l’intervento è piuttosto evidente, va
quindi attenuato nel caso fosse
eccessivo.
Opacità 50%
riduzione dell’intervento della metà
Riduci Stelle / Riduci Stelle Grandi:
questi due comandi sono finalizzati
allo stesso risultato, cioè ridurre la
dimensione delle stelle, qualora
risultassero un po’ invadenti nei
confronti degli oggetti deboli. Le due
versioni si adattano a diverse riprese,
a secondo della densità stellare
dell’immagine.
Nebulosa Merletto
Una posa da 8 minuti
DeepSkyStacker
Somma di 10 pose da 8 minuti = 80 minuti
Singola posa
Somma di 10 pose
Photoshop
Livelli
Photoshop
Curve
Photoshop
Livelli
Photoshop
Curve
Photoshop
Curve
Photoshop
Bilanciamento colore
Photoshop
Cosmetica bordo
Photoshop
Cosmetica finale
Ingrandimento dell’oggetto
Ammasso delle Pleiadi
Una posa da 5 minuti
DeepSkyStacker
Somma di 27 pose da 5 minuti = 135 minuti
Photoshop
Livelli
Photoshop
Curve
Photoshop
Livelli
Photoshop
Curve
Photoshop
Livelli
Photoshop
Curve
Photoshop
Bilanciamento colore
Photoshop
Cosmetica
Photoshop
Curve
Ingrandimento dell’oggetto

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