En la práctica de la astrofotografía, mantener el ruido de la imagen en niveles aceptables supone un reto mayor que en otras modalidades de fotografía, debido principalmente a que el brillo de los objetos astronómicos es con frecuencia extremadamente tenue.
Suele definirse el ruido como una variación no deseada respecto a una señal, en este caso la imagen que pretendes captar. Sus causas son diversas y también sus consecuencias: granulados en tu imagen, tenues capas de sal y pimienta, bandas horizontales o verticales, puntos aislados con brillos extraños, etc…
Procesar tu imagen puede serte útil para ocultar ruido, aunque para mejorar la calidad de tu fotografía es preferible comprender y mitigar las causas del ruido en lugar de barrerlo bajo la alfombra mediante procesado. En cualquier caso siempre queda la aterradora pregunta de la fotografía (nocturna).
¿Qué es ese ruido?
El causante de ruido en tu imagen se encuentra posiblemente entre los sospechosos habituales:
- Ruido de disparo o ruido fotónico: por la naturaleza cuántica de la luz, cualquier fuente luminosa está físicamente sometida a fluctuaciones aleatorias en la emisión de fotones. En tu imagen, el ruido fotónico puede tener su origen en el propio objeto astronómico que intentas fotografiar o bien en el propio brillo del cielo, que a su vez puede tener causas artificiales (ej. alumbrado urbano) o naturales (ej. luna).
- Ruido térmico: tu sensor fotográfico transforma fotones de luz en electrones cuyo voltaje se lee para dar lugar a la imagen. Al calentarse, los circuitos de tu sensor liberan electrones de forma espontánea y estos acaban incrustados en tu imagen en forma de ruido. Estos electrones térmicos (o ‘corriente oscura’) son indistinguibles de los electrones generados por la luz y leídos junto con ellos.
- Ruido DSNU (Dark-Signal Non-Uniformity): El ruido térmico puede variar de un diodo a otro de tu sensor fotográfico. Esta falta de uniformidad da como resultado un determinado patrón espacial en el ruido térmico, que de otra forma estaría distribuido aleatoriamente de la misma manera en cualquier zona espacial de tu imagen. El DSNU aporta por tanto un ruido de patrón fijo (FPN o Fixed Pattern Noise).
- Ruido PRNU (Photo-Response Non-Uniformity): cada diodo de tu sensor tiene una sensibilidad ligeramente diferente a la luz debida a imperfecciones de manufactura (diferencias en el tamaño o material de los diodos), a interferencia con otros componentes electrónicos o sencillamente al deterioro de algunos diodos. Esta respuesta no uniforme a los fotones genera una componente de ruido con estructura espacial, es decir, que varía según la ubicación en tu imagen y es la causa de que algunos pixeles puedan ser siempre más brillantes (hot pixels) o menos brillantes (cold pixels) que la media. Se trata de nuevo de una componente de ruido de patrón fijo (FPN).
- Ruido de lectura: este epígrafe incorpora ruidos diversos relacionados con la electrónica de tu cámara. Por un lado, la señal electrónica que viaja por los circuitos de tu sensor está también sujeta a ruido de disparo (esta vez electrónico en lugar de fotónico) y esto introduce una componente adicional de ruido aleatorio (ruido blanco). Sin embargo, las inevitables interferencias de los diferentes elementos electrónicos de tu cámara también puede dar lugar a componentes de ruido que muestran estructura en el dominio del espacio (ej. bandas o tramas) o en el dominio de la frecuencia (ej. ruido de Flicker o ruido rosa).
- Ruido de cuantificación: finalmente, construir una imagen digital requiere tomar una medida de una valor analógico (el voltaje) y convertirlo en un número. El proceso de digitalización exige realizar un redondeo (no es posible almacenar infinitos decimales o digitos) y esto introduce una pequeña desviación (es decir, un ruido) respecto al valor analógico arrojado por el sensor.
El ruido de disparo de los objetos astronómicos
Paradójicamente, la física afirma que incluso una luz de intensidad constante dispara fotones de manera aleatoria. Esto implica que un píxel de tu cámara contará una cantidad distinta de fotones en segundos sucesivos. Y que píxeles contiguos registrarán brillos dispares en lugar de un brillo homogéneo, dando lugar al familiar granulado en la imagen.
La luz del sol no parece fluctuar, pero esto es solo debido a que las oscilaciones son diminutas cuando la intensidad luminosa es alta. En astrofotografía, sin embargo, te enfrentas a objetos extremadamente tenues.
Lo inquietante es que esta aleatoriedad no se debe a variaciones en la intensidad de la fuente luminosa ni a defectos en el diseño de tu sensor. Si hemos de creer las modernas y consolidadas interpretaciones de la mecánica cuántica, el azar rige el mundo y la aleatoriedad es inherente a la naturaleza de la luz (y también de la materia), a pesar de la resistencia inicial de Einstein al afirmar que Dios no juega a los dados con el Universo o de Bohr al asegurar que, quien no queda conmocionado por la mecánica cuántica, no la ha comprendido. Si quieres profundizar en la Física del ruido de disparo, las estadísticas fotónicas son un campo donde investigar, no sin advertir antes que esta disciplina exige conocimientos previos de física y matemática.
A efectos de astrofotografía amateur, y quedándonos en la superficie de estas cosas, basta conocer que la luz puede exhibir distintas formas de aleatoriedad y que, afortunadamente, de la mayoría de objetos astronómicos se obtiene luz de tipo Poisson. En lenguaje estadístico: tu señal es una media de fotones registrados por tu sensor y estos aparecen siguiendo una distribución de Poisson cuya desviación típica es tu ruido. Otros tipos de luz, como la radiación térmica, exhiben mayor ruido, aunque también es posible construir luz relativista con menor ruido así como otras formas exóticas de luz como los condensados Bose-Einstein de fotones.
La distribución de Poisson es un caso límite de la familiar aleatoriedad inherente a lanzar una moneda. En el caso de la moneda, la expectativa es obtener siempre un 50% de caras, y la distribución binomial permite calcular las probabilidades de obtener un cierto número de caras en una serie de lanzamientos. Para construir la distribución de Poisson se define una expectativa fija del número de caras a obtener (no de su % respecto al número de lanzamientos) y se realiza matemáticamente un número infinito de lanzamientos de esa «moneda».
En la práctica, para evaluar la calidad de una imagen se emplea la relación señal ruido o SNR (signal-to-noise ratio) que no es más que el resultado de dividir la media por la desviación típica de los fotones registrados. Cuanto mayor sea la SNR, mejor es la calidad de tu imagen. En el caso de Poisson tienes:
Es decir si una fuente emite n=25 fotones, su ruido será la raíz cuadrada (5 fotones) por lo que habitualmente tu sensor captará entre 20 y 30 fotones. Resultado: SNR= 25 / 5 = 5. Tu SNR mejorará conforme aumentes el número medio de fotones recibidos. Por ejemplo, para duplicarla necesitas n=100 fotones (cuatro veces más), con lo que el ruido sería 10 fotones y tu sensor captaría entre 90 y 110, dando SNR= 100 / 10 = 10. Fíjate en que el ruido es mayor en términos absolutos (10 fotones en vez de 5), pero es menor en términos relativos respecto al tamaño de la señal.
En conclusión, el ruido de disparo es inevitable pero puedes mitigarlo (en teoría) tanto como desees: se trata sencillamente de captar cuantos más fotones mejor en cada píxel. ¿Y cómo puedes lograr más fotones en cada píxel?
- Escoge objetos brillantes: cuanto más tenues sean los objetos, peor SNR obtendrás y más dificultades tendrás para obtener una imagen de calidad. Esto puede limitar tus posibilidades, aunque en el fondo se trata tan solo de adecuar tus objetivos a las capacidades de tu equipo.
- Reduce tu relación focal f/ : si duplicas tu apertura, el área de captación (la boca del tubo) se cuadruplica, y también tu captura de fotones por segundo. Esto implica que tu SNR se duplica. Por otro lado, si duplicas tu distancia focal, el área de la imagen del objeto se cuadruplica y por tanto su luz se reparte sobre cuatro veces más píxeles. La señal por píxel disminuye a una cuarta parte y la SNR se reduce a la mitad. Así que para mejorar tu SNR puedes o bien aumentar tu apertura o bien disminuir tu distancia focal.
- Aumenta tu tiempo de exposición: si cuadruplicas el tiempo de exposición, también lo haces con los fotones capturados, por lo que tu SNR se duplicará. Procura integrar tanto tiempo total de exposición como te sea posible realizando varias sesiones sobre un mismo objeto. Este es el motivo principal para apilar subexposiciones mediante software.
- Emplea sensores de alta eficiencia cuántica: hasta ahora hemos hablado de fotones, pero tu sensor debe convertirlos en electrones para poder contarlos y almacenarlos como una imagen digital. Si tu eficiencia es del 100%, cada fotón produce un electrón, pero esto nunca es así. Verifica la eficiencia cuántica de tu cámara para evitar sorpresas.
- Realiza fotografía monocroma: un sensor monocromo capta más luz que uno en color porque el color se obtiene siempre aplicando filtros (tanto si usas LRGB como falso color en banda estrecha o una matriz de bayer…) y lo que hacen los filtros es… filtrar parte de la luz.
- Evita el uso de filtros: esto es una extensión lógica del punto anterior. La ausencia de filtros te permitirá incrementar la señal y por tanto tu SNR, aunque puede ser un factor limitador en función de tus objetivos.
El ruido de disparo del fondo celeste
Cuando realizas astrofotografía, tu sensor no capta únicamente los fotones emitidos por el objeto astronómico al que apuntas. El cielo tiene un brillo propio denominado brillo de fondo (aunque en realidad no está al fondo del objeto que intentas fotografiar sino delante de él). Sus causas son variadas:
- Fuentes artificiales: el alumbrado urbano o el tráfico rodado emiten luz que las partículas de polvo y las moléculas atmosféricas reflejan hacia tu equipo óptico.
- Fuentes naturales: nuestro sistema solar también contiene polvo que refleja la luz del sol de vuelta a la Tierra. Esta luz zodiacal puede acabar incrustada en tu imagen. Por no hablar de la inmensa cantidad de luz que la luna llena esparce por el cielo.
Este brillo de fondo es problemático también por varios motivos:
- Gradientes: cuando el brillo no es homogéneo provoca un degradado en la imagen que dificulta apreciar el objeto retratado. Por ejemplo, si la luna se encontraba cercana al objeto fotografiado, tu fotografía tendrá más luz en el lado en que se encontraba la luna.
- Dominantes de color: cuando el color del cielo no es homogéneo, la imagen adquiere una coloración que deteriora el resultado y exige corrección mediante procesado. Por ejemplo, la mayor parte del alumbrado urbano deja tonalidades naranjas o rosas dependiendo del tipo de lámpara más empleado, aunque la implantación del LED está aportando mayor variabilidad y nuevas dificultades para la astrofotografía.
- Exposición limitada: si el brillo del cielo es elevado, como en un entorno urbano, el tiempo de exposición se ve limitado, ya que la imagen puede saturarse más rápidamente con este brillo indeseado.
- Ruido de disparo del fondo: este es quizás el elemento más problemático de todos y merece un trato diferenciado.
El brillo de fondo es una señal luminosa. No es la señal del objeto que buscas fotografiar pero es una señal al fin y al cabo: el brillo del cielo forma parte de la «realidad». Puedes intentar eliminar esa señal mediante procesado pero, como cualquier señal, ésta viene acompañada de ruido de disparo aleatorio por los mismos motivos explicados en el apartado anterior. Este ruido también sigue una estadística de Poisson, pero cuando el brillo de fondo es muy elevado su ruido asfixiará completamente la débil señal del objeto astronómico y lo volverá imperceptible. Tu SNR puede deteriorarse muchísimo si trabajas en entornos con alta contaminación de luz artificial.
Para mitigar estos inconvenientes puedes:
- Seguir los consejos del apartado anterior: el ruido de fondo sigue una lógica similar tanto si proviene del objeto como del fondo de cielo, así que los puntos del apartado anterior siguen siendo válidos para eliminar el ruido de fondo del cielo.
- Planifica tu sesión: prepara tu sesión de forma que evites la luna llena o la fotografía de objetos próximos a la luna.
- Emplea filtros de contaminación lumínica: el apartado anterior recomendaba evitar el empleo de filtros. Aunque estos filtros también eliminarán parte de la señal del objeto astronómico (con efecto negativo en la SNR), también pueden eliminar una buena parte de la señal procedente del cielo y del ruido asociado con ella, lo que compensa con creces si estás fotografiando en cielos contaminados por luz artificial.
El ruido térmico y la corriente oscura
Este ruido depende de tu elección de cámara y no de la luz. Como sabes, los fotones de luz golpean tu sensor y este los transforma en electrones aprovechando el efecto fotoeléctrico, cuya explicación le valió a Einstein su premio Nobel.
Pero no solo los fotones están sometidos a ruido de disparo. Los electrones que circulan por los circuitos de tu cámara también sufren oscilaciones relacionadas con efectos cuánticos, es decir, ruido de disparo. Por si fuera poco, la agitación térmica también añade de forma espontanea electrones que se suman a los registrados como resultado de la interacción del sensor con la luz: la llamada corriente oscura. Ambos tipos de ruido tienen orígenes diferenciados pero en la práctica resultan difíciles de distinguir. Afortunadamente, en ambos casos se trata de ruido blanco, es decir, de ruido que sigue la distribución de Poisson.
La corriente oscura aumenta con la temperatura y el tiempo de exposición y su valor medio puede variar de pixel a pixel. Para eliminar su señal puedes realizar tomas de calibración oscura o Darks. De esta forma mides la media de corriente oscura generada en cada pixel y la sustraes del valor de las imagen mediante software astronómico (por ejemplo Deep Sky Stacker).
Pero la señal oscura viene acompañada de oscilaciones aleatorias, es decir, de ruido. Al usar darks eliminas la señal de la corriente oscura, pero no el ruido asociado a la misma, que sigue añadiéndose a tu imagen siguiendo de nuevo una distribución de Poisson.
Para mitigar el ruido térmico puedes:
- Realizar tomas oscuras de calibración
- Aprovechar la estación fría o las horas frías de la noche: la diferencia entre realizar fotografía en una noche tórrida de verano o en las noches más frías del invierno es fácilmente apreciable en la calidad del resultado.
- Refrigerar la cámara: algunas CCD llevan incorporada la opción de refrigerar la cámara muchos grados bajo cero. Además de reducir el ruido, esto permite crear una librería fija de tomas oscuras para una temperatura de trabajo prefijada en lugar de realizarlas en cada sesión.
- Realiza subexposiciones cortas: el ruido térmico, al igual que su señal, aumentan con el tiempo de exposición, así que las subexposiciones más cortas contendrán menos ruido térmico que las más largas.
El ruido de lectura
De nuevo es un ruido relacionado con tu elección de cámara. Los electrones generados por tu sensor y a los que se han añadido los de la corriente oscura deben contarse para traducirse a un número que será almacenado como dato de tu imagen digital. Pero el proceso de amplificación y lectura involucrado nunca es perfecto, lo que introduce una pequeña dosis de error en el dato final que representará tu imagen.
La señal de lectura puede obtenerse realizando tomas de calibración Bias. Con esto puedes obtener un valor medio de lectura en cada pixel en ausencia de luz o ruido térmico. Pero al igual que en los casos anteriores, lo que nos interesa no es su valor medio, su señal, sino las variaciones que esta señal presenta, es decir, el ruido de lectura. El software de apilado que emplees se encargará de realizar las operaciones necesarias para calcular el ruido (la desviación típica).
En la mayoría de cámaras actuales el ruido de lectura es limitado, pero es conveniente que verifiques la información del fabricante a este respecto. Y ten en cuenta que para objetos muy tenues, en cielos oscuros y con exposiciones cortas este podría llegar a convertirse en el principal componente de ruido de tu fotografía.
Para mitigarlo:
- Realiza pocas subexposiciones: efectivamente esto contradice al apartado anterior, ya que lo ideal desde el punto de vista de ruido de lectura sería realizar una sola exposición para sufrir el ruido de lectura una sola vez en lugar de dividir el tiempo de integración en múltiples subexposiciones. La duración de tus exposiciones dependerá al final de qué tipo de ruido esté dominando tu fotografía y quieras enfocarte en reducir.