astrofotografia digital
ConteÚdo:
- Apresentação
- Motivação
- Astrofotografia e Computação Gráfica
- Diferenças entre o sistema Analógico e o sistema Digital
- Primeiro contato
- O que é um CCD?
- Para que serve ?
- Obtenção e Tratamento de imagens
- Vantagens e desvantagens
- Redução de Dados
- Como fazer o tratamento de imagens com a CCD?
- Como Montar uma Câmera CCD?
- Programas para processar imagens astronômicas
1. Apresentação
O curso Astrofotografia Digital constará de duas aulas teóricas e duas aulas práticas (as últimas) nas quais seguiremos a seqüência das informações contidas no presente texto.Essa apostila não tem como pretensão expor de maneira exaustiva o assunto abordado. Propõe-se apenas que ela contenha o material exposto no curso apresentado de maneira concisa, simples e coerente. Com isso, não se pretende que o texto se torne um manual de como se fazer e tratar imagens digitais. O texto procura seguir uma linguagem o mais simples possível, sem que, com isso, se distancie da terminologia utilizada.
2. MotivaçãoEste curso de Astrofotografia Digital tem o intuito de divulgar a tecnologia atual utilizada na Astronomia profissional e amadora.
Ao contrário do que muitas pessoas pensam, a vida do astrônomo, tanto profissional quanto amador, não é simplesmente ficar olhando para o céu. Isto também faz parte, mas olhar sabiamente para o céu é apenas uma entre as muitas atividades de um astrônomo. Uma atividade que exige anos de prática e conhecimentos básicos das leis e dos fenômenos da natureza, além de uma aguçada percepção para pequenos detalhes.
Uma atividade comum na Astronomia é a obtenção de imagens que traduzam uma parte da natureza que não somos capazes de enxergar diretamente com a nossa visão.
Essa é uma atividade desenvolvida há muito tempo e nos permite enxergar mais longe. Para isso se utilizam chapas fotográficas acopladas a grandes telescópios e processos fotográficos complicados, ou então máquinas fotográficas comuns acopladas em telescópios amadores com filmes sensíveis para encurtar os tempos de exposição. A fotografia através de uma máquina fotográfica comum é um sistema analógico e através de uma câmera CCD um sistema digital.
Mas a partir de 1980 começou a ser implantada uma nova tecnologia de captação e tratamento de imagens: o Sistema Digital de Imagens.
Esse sistema nos permite obter boas imagens do céu em pouco tempo e com uma quantidade enorme de informações, algumas delas impossíveis de serem obtidas com o sistema analógico de imagens.
Nesse curso vamos estudar esse Sistema Digital de Imagens e aprender a manuseá-lo.
3. Astrofotografia e Computação Gráfica
A ciência da computação gráfica vem crescendo muito nos últimos anos e através dela podemos falar hoje da fotografia digital. Vamos ver de que forma a Astrofotografia se encaixa nessa ciência.
A computação gráfica é a área da ciência da computação que estuda a geração, manipulação e interpretação de modelos e imagens de objetos utilizando o computador. Estes modelos e imagens vêm das mais diversas disciplinas, como a física, matemática, engenharia e no nosso caso a astronomia.
A computação gráfica pode ser divide-se em 3 subáreas:
Síntese de imagens: compreende a produção de representações visuais a partir das especificações geométrica e visual de seus componentes. É freqüentemente confundida com a própria computação gráfica;
Processamento de imagens: envolve as técnicas de transformação de imagens. Tanto a imagem original quanto a imagem processada apresentam-se sob uma representação visual (geralmente matricial). As transformações visam melhorar as características visuais da imagem (aumentar contraste, foco, ou mesmo diminuir ruídos e/ou distorções);
Análise de imagens: procura obter a especificação dos componentes de uma imagem a partir da própria.
O processamento de imagens parte de imagens já prontas para serem visualizadas, as quais são transferidas para o computador por mecanismos diversos - digitalização de fotos, tomadas de uma câmera de vídeo, obtidas através de um CCD, etc. - para serem manipuladas visando diferentes objetivos.
Mais adiante nós falaremos da parte de tratamento do imagens para a realização da redução de dados. O significado disso fica para mais tarde, mas o que é interessante notar é que estaremos dentro da área de processamento de imagens.
Em astronomia podemos ter duas formas de fotografar os objetos celestes. A primeira forma é através de uma máquina fotográfica que pode ser montada sobre um tripé, ou acoplada diretamente ao telescópio (a forma como isso é feito não será discutida aqui).
A fotografia por si mesma pode ser digitalizada e processada em um computador, mas existe uma forma mais apropriada de obtenção de imagens para esta finalidade.
Esta maneira é através de uma câmera CCD. A câmera CCD é acoplada diretamente ao computador e os resultados obtidos possuem uma quantidade e versatilidade de trabalho superior aos obtidos por uma máquina fotográfica.
Na seção abaixo, nós faremos uma discussão das vantagens e desvantagens de cada sistema.
4. Diferenças entre o sistema analógico e o sistema digital
O sistema analógico, representado pelas máquinas usando filmes fotográficos, possui grandes desvantagens em relação ao digital.
Entre elas estão:
Em contraposição, para o sistema digital, temos:
- A sensibilidade do filme a luz é baixa. Geralmente é necessário um longo tempo de exposição do filme para o registro do objeto celeste em questão;
- O tempo entre a exposição do filme e o resultado final (foto) é grande, devido ao processamento químico necessário;
- A resolução da imagem final é baixa, pois se utiliza filmes de sensibilidade elevada. Não é possível fazer grandes ampliações;
- O tratamento da imagem é muito limitado (mesmo no computador);
- O material sofre desgaste com o tempo, deteriorando-se;
- O mesmo filme fotográfico não é aproveitável;
- A duplicação da imagem original é muito difícil.
- A matriz é extremamente sensível a luz, o que possibilita um baixo tempo de exposição;
- A imagem final pode ser obtida rapidamente através de passos intermediários que não tornam o processo lento;
- Possibilita grande variedade de tratamentos da imagem;
- Conservação das informações por tempo ilimitado;
- A matriz pode ser utilizada muitas vezes;
- Duplicação integral das informações: fácil e rápida.
Aqui vamos nos encontrar pela primeira vez com uma nova amiga: a Câmera CCD!
Uma câmera CCD é composta basicamente de:
- Matriz CCD: conjunto de fotocélulas formado por linhas e colunas.
- Peltier: dispositivo para resfriamento até a temperatura de operação.
- Placa interna: integrado que controla as funções da câmera.
- Dessecante: elimina a umidade.
- Obturador: controla a entrada de luz.
- Entrada do cabo que conecta a câmera ao computador.
- Janela de quartzo (entrada de luz)
- Adaptador para filtro de ocular.
- Caixa
- Suporte de Fixação
O Dispositivo Acoplado de Carga é formado de um conjunto de sensores, chamados "Fotocélulas", muito mais sensíveis à luz que os filmes convencionais, arranjados em uma matriz de linhas e colunas. O CCD de nossa câmera possui 192 por 165 fotocélulas.
6.2. Princípio Utilizado
Qual o princípio físico utilizado ao se obter uma imagem com o CCD?
Alguns materiais têm a propriedade de, quando iluminados, emitirem elétrons. Essa propriedade é conhecida na física como Efeito Fotoelétrico.
A luz que incide sobre a matriz CCD, sensibiliza as fotocélulas e provoca a emissão de elétrons, proporcional à quantidade de luz. Podemos então fazer uma analogia: pensar nesse processo como a captação e posterior medição da água da chuva para a determinação do índice pluviométrico em várias regiões. Juntando todas as medidas, obtém-se uma imagem da quantidade de chuva numa região muito maior.
A informação luminosa (convertida em elétrons) é transmitida ao computador na forma de números e na tela indicarão a posição de determinado sensor e a intensidade luminosa recebida por ele associado a uma cor ou um tom. O computador mostra a imagem desenhando o ponto de luz na linha e coluna correspondente no monitor.
Para o computador, entretanto, a imagem não passa de um conjunto de números, que podem ser manipulados, de modo a aumentar o contraste da imagem, torná-la mais brilhante ou mais escura, ou ainda ressaltar detalhes que são invisíveis aos nossos olhos.
7. Para Que Serve?
7.1. Obtenção e Tratamento de imagensComo dito acima a imagem obtida é convertida em números de tela que indicam a posição de cada sensor e a intensidade de luz por ele recebida.
Mas os números são facilmente manipuláveis e isso nos permite entrar no campo do tratamento digital de imagens.
Nos filmes fotográficos convencionais, quando o sub ou super expomos à luz, nós podemos perder as horas de exposição gastas e não conseguir um bom resultado da fotografia realizada. Podemos então utilizar recursos químicos para melhorar o resultado. Mas esses recursos são complicados, às vezes caros e irreversíveis. Portanto um pequeno erro pode ser fatal!
O astrônomo que possui uma câmera CCD corre menos riscos, pois o computador passa a ser a sala escura de tratamento fotográfico, e esse tratamento pode ser feito rapidamente, em questão de segundos.
7.2. Vantagens e DesvantagensUm CCD tem uma série de vantagens e desvantagens com relação ao sistema convencional de obtenção de imagens (sistema analógico).
A principal vantagem de um CCD é o fato de se poder tratar a imagem para uma melhor visualização de detalhes, o que é muito difícil quando se usa filmes.
Outra enorme vantagem está nos tempos de exposição das imagens que, devido à grande sensibilidade dos sensores, são muito curtos quando comparados com os filmes convencionais. Além disso, o rendimento de um CCD é de aproximadamente 50 % da luz incidente, enquanto o dos filmes convencionais é de apenas 2 a 3 %.
A principal desvantagem desse sistema de imagens é o fato de envolver uma tecnologia de difícil acesso, cara e complicada.
7.3. Redução de Dados (Básico)Para utilizar as imagens obtidas com a câmara CCD para trabalhos quantitativos é necessário realizar 3 correções em cada imagem obtida antes que qualquer medida seja feita. Estas correções são chamadas de subtração Bias (eletrônica), subtração térmica e divisão flat field.
Como um exemplo, suponha que a meta da observação é a diferença de magnitude entre uma estrela variável e uma estrela de comparação. Vamos assumir que a separação entre as duas estrelas é tal que elas possam estar ambas no mesmo campo de imagem.
Como queremos uma comparação, uma imagem do campo estelar é necessária. Estas imagens são as que realmente interessam (imagem bruta). Se estivermos interessados apenas em uma precisão de 10% podemos parar aqui. De outra forma, se quisermos usar os dados obtidos (imagens) cientificamente, eles devem ser calibrados (reduzidos).
É necessário que se faça uma imagem flat field para cada filtro. As imagens de flat field são usadas para remover variações da sensibilidade e defeitos que ocorrem na superfície da matriz do CCD.
Para o detector de 192 x 165, temos 31.680 detectores individuais, com cada um possuindo uma ligeira diferença na resposta para a mesma intensidade luminosa. Construtores de CCD tentam construir cada fotocélula o mais uniforme possível, mas a porcentagem de fotocélulas com respostas diferentes ainda é grande.
A maneira como a variação de sensibilidade é muitas vezes corrigida é apontando o telescópio para uma tela branca iluminada uniformemente e fazendo uma exposição. Deste processo resulta a resposta de cada fotocélula para a mesma intensidade de luz. Dividindo a imagem bruta pela imagem de flat field, qualquer fotocélula com uma resposta menor terá seu nível de resposta elevado e qualquer fotocélula com um nível de resposta maior será abaixada.
As capturas de imagens flat field podem ser feitas no início ou no fim se uma seção de observação.
É aconselhável tomar várias imagens de flat field e depois obter uma imagem média.
O ruído térmico da matriz CCD é obtido, sendo necessário gravar (armazenar) este ruído para posterior subtração. O tempo de exposição para se obter uma imagem deste tipo é o mesmo utilizado na obtenção da imagem bruta, mas com nenhuma luz incidindo sobre a matriz.
A importância da imagem de ruído térmico depende da temperatura da matriz durante a exposição ao objeto celeste.
É necessário fazer uma imagem térmica sempre que a temperatura atmosférica variar.
A necessidade de se tomar imagens térmicas (ruído térmico) resulta do fato de que as propriedades do material do qual a matriz captadora é construída possui uma forte dependência da temperatura.
De uma forma simples podemos dizer que a sensibilidade da matriz aumenta com a diminuição da temperatura na qual o CCD trabalha. Lembre-se que a matriz trabalha a uma temperatura de 37 graus Celsius abaixo do ambiente.
Finalmente é necessário realizar a tomada de uma imagem de ruído eletrônico (bias). Este é um ruído produzido pelos próprios circuitos do equipamento. Ele deve ser medido (obtido) e depois subtraído de todas as imagens brutas obtidas.
Tecnicamente falando um ruído eletrônico é quando o CCD não produz uma saída com valor zero. Quando uma exposição é feita sem nenhuma luz incidindo sobre a matriz não existe um ruído térmico de valor significativo. A frase "não produz uma saída com valor zero" pode ser interpretada assim:
Queremos fazer (e fazemos) uma imagem do nada, ou seja, uma imagem que não possua nada para ser visto, e de repente aparece alguma coisa lá. Esta "coisa lá" é o ruído eletrônico gerado pelo CCD.
Obs.: Assim como na obtenção do ruído térmico como na do ruído eletrônico, o obturador da câmara é mantido fechado para não incidir luz sobre a matriz.
O software utilizado na obtenção das imagens possui 6 frames (buffers) que são regiões onde as mesmas podem ser armazenadas.
Os 3 primeiros de número entre 1 e 3 são utilizados para armazenar até 3 imagens brutas. O quarto é utilizado para armazenar a imagem de ruído térmico, o quinto para o ruído eletrônico e o sexto para a imagem de flat field.
Após a obtenção e armazenamento das imagens (salvá-las em disco), começa o processo de redução de dados básico propriamente dito.
O primeiro passo é subtrair o ruído eletrônico e o ruído térmico e em seguida normalizar pelo flat field a imagem bruta.
Isto completa o processo de redução básico. Como resultado, nós temos uma imagem final limpa de ruídos e coisas estranhas à imagem bruta decorrente do processo de obtenção.
7.4. Como fazer o tratamento de imagens com a CCD?Os procedimentos utilizados são relativamente simples:
Vamos conhecê-los.
- Inicialização e Integração,
- Processamento,
- Análise.
1. Inicialização e Integração:
O processo de inicialização consiste em ativar a placa de hardware no computador e colocar a câmera em condições de operação.
Para isso nós vamos, depois de tudo montado (vide seção 8), ligar o computador e ativar o programa (digite CCD_P) para operar a câmera em português.
Depois de feito isso, entramos no menu sistema e acionamos a opção refrig: colocando-a na posição ON com um toque da tecla <Enter>. Assim a câmera atingirá a temperatura de operação (37° C abaixo da temperatura ambiente) em 15 minutos.
Agora se obtém imagens de uniformidade e ruído térmico, com o mesmo tempo de exposição da imagem bruta acionando cada uma delas com um toque na tecla <Enter>. Em seguida obtém-se uma imagem de ruído eletrônico acionando-se da mesma forma a opção correspondente.
Saímos do menu Sistema com um toque à tecla <Esc> e entramos no menu Integrar.
É aqui que estão as opções de obtenção de imagens. Agora nós ajustaremos o foco da câmera com a opção Foco Total, acionada com um toque na tecla <Enter>. Assim são feitas várias imagens seguidas com tempo de exposição controlado e curto para a obtenção do melhor foco possível.
Depois de conseguido o foco, pula-se para a opção exp: , onde se ajustará o tempo da imagem final.
Vamos para a opção Integração e a nossa imagem aparece na tela depois de decorrido o tempo da exposição. Se quisermos obter mais imagens, vamos para a opção Imagem no menu principal e escolhemos outro buffer para carregar outra imagem, repetindo todos os passos da integração.
2. Processamento:
Agora que nós já possuímos a nossa imagem, vamos selecionar a parte da informação que nos interessa.
Para tanto, vamos primeiro nos desfazer da informação que foi registrada, mas que faz parte do funcionamento da própria câmera, ou seja, não é informação vinda do nosso objeto.
Acionamos então a opção Ajuste Termi que eliminará de nossa imagem aquelas imagens obtidas no processo de inicialização (Ruído térmico, ruído eletrônico e uniformidade).
A imagem será modificada neste processo necessitando, portanto, de ser salva em sua forma bruta.
Depois, aciona-se a opção expand, que nos dará a quantidade de informações contida em cada tom de cinza na forma de um gráfico. Pode-se mexer nessa distribuição se for conveniente.
Isto acontece quando toda a informação está concentrada em uma pequena região da faixa de tonalidades que se tem à disposição. Se a faixa for estreita demais e concentrada apenas de um lado do gráfico, é conveniente utilizar uma escala logarítmica que é ativada com a opção Escala Log.
Feito isso, nós poderemos analisar a imagem.
Esse procedimento deve ser tomado para cada imagem a ser processada.
3. Análise:
Analisar uma imagem consiste em identificar quais pontos da matriz receberam a mesma quantidade de luz.
Para isso fazemos a leitura do histograma da imagem que é aquele gráfico de luminosidade por tonalidade ou cor.
Podemos também utilizar o artifício de associar aleatoriamente cores à determinada intensidade de luz o que se consegue facilmente utilizando a opção Cor Falsa que aciona uma determinada paleta de acordo com o número escolhido (1 a 6).
Podemos também analisar a distribuição de luminosidade em determinada linha ou coluna, utilizando as funções Eixo-X e Eixo-Y.
Há também como se conseguir a intensidade média de luz em determinado campo de pontos utilizando a função Intensi. Media e movendo o quadradinho para a posição desejada e pressionando <Enter>. Assim sabemos quanta luz há em cada região da imagem, e as partes da imagem que têm a mesma intensidade luminosa recebem o nome de isofotos.
A montagem da câmera CCD é um procedimento um tanto complicado que exige extrema atenção.
Lembre-se sempre de que você NUNCA deve conectar a câmera ao computador enquanto este estiver ligado, sob risco de causar danos ao detector CCD, à placa de controle e ao próprio computador.
O primeiro passo para a montagem é prender a base de acoplamento em forma de rabo de andorinha no instrumento desejado (Grubb, Tripé ou Zeiss). Isto se faz da seguinte forma:
-Grubb e tripé: desaperte o parafuso do rabo de andorinha e coloque a câmera no lugar, reapertando o parafuso logo em seguida, certificando-se de que está bem firme.
Na Grubb pode-se montar a CCD no foco primário, bastando para isso tirar as oculares, como na máquina fotográfica.
No tripé pode-se colocá-la também na barra de contrapeso, utilizando o adaptador.
-Zeiss: Acople a luneta Zeiss na Grubb ou no tripé utilizando o procedimento acima e tire o conjunto de oculares, colocando a câmera CCD em seu lugar, usando o devido adaptador.
Depois de executado o procedimento acima, CERTIFIQUE-SE DE QUE O COMPUTADOR ESTEJA DESLIGADO e conecte o cabo DB15HD na saída da câmera e na devida entrada do computador.
Agora chegou a hora de conectar os cabos auxiliares de instrumentos de guiagem e de monitores auxiliares.
Temos vários equipamentos de guiagem, que são:
Depois de tudo ligado, podemos começar nossa noite de trabalho!
- painel de distribuição de funções,
- controle manual do telescópio,
- controle automático do telescópio.
9. Programas para processar imagens astronômicas
Nós vamos colocar a disposição alguns programas para manipular imagens astronômicas geradas pelo CDA através da nossa Câmara Digital - LYNXXII, cujas imagens têm a extensão. CCD e estão num formato específico desse sistema digital.
De igual modo, nós vamos colocar a disposição um pequeno banco de imagens selecionadas por nós e que poderão ser utilizadas por outros programas que iremos colocar a disposição e permitem manipular imagens da Nasa no formato PDS e FITS e os programas necessários.
Em Português:
Em Inglês:
- Programa LYNXXII - versão adaptada pelo CDA em relação ao original. O item Como fazer o tratamento de Imagens com a CCD tem as instruções mínimas. Em conjunto há um arquivo de lote para converter o formato CCD em formato FITS.
- Programa PDSWIN - Programa em versão WIN 3.1 para visualização de arquivos tipo IMQ, IBG, IMG e etc utilizados pela NASA.
- Programa IMDISP - Programa em versão DOS para manipulação de arquivos utilizados pela NASA. Dentro desse programa há alguns arquivos IMG que serão utilizados no modo DEMO e eles correspondem a algumas imagens da Missão Voyager.
- Banco de Imagens (breve!)
15/01/1999
CDA - CDCC - USP/SC
