Astrofotografía: introducción

Sobre esta introducción

La información aquí presentada tiene como objetivo brindar una idea general sobre la astrofotografía, las imágenes digitales, las cámaras, y diferentes aspectos y conceptos de esta actividad. La astrofotografía es muy abarcativa, siendo esta introducción un vistazo acerca de los puntos más importantes del tema, para tener una buena base teórica y varios consejos prácticos para iniciarse en la actividad.

Tipos

La astrofotografía es una actividad que comprende varias diferentes técnicas, abarcando un amplio espectro de posibilidades y de equipos necesarios, desde las imágenes más fáciles de obtener con una sencilla cámara, hasta las más complicadas en donde es requerido todo un conjunto de instrumental y software. A continuación se mencionan algunas:

• Campo amplio sin seguimiento.
• Campo amplio con seguimiento.
• Fotografía lunar, solar y planetaria con telescopio.
• Fotografía de cielo profundo con telescopio.

Para iniciarse en la actividad lo más simple será tomar la cámara que dispongamos y capturar imágenes del paisaje astronómico, por ejemplo conjunciones entre la Luna y algún planeta brillante, en las cuales podría estar incluido el horizonte. Y si la cámara es capaz de realizar tomas de larga exposición, se puede apuntar al cielo y practicar con diferentes tiempos de exposición.

Cámaras

Nos concentraremos exclusivamente en las cámaras digitales. El rango de capacidades de las cámaras es grande, van desde las presentes en los smartphones hasta las especializadas en astronomía. Algunas características comunes a todas las cámaras son las siguientes:

• Sensor – Es el componente de la cámara que detectará la luz que luego será transformada en una imagen digital. Los hay de dos tipos: CMOS y CCD. Un sensor se compone de fotositos. Cada fotosito capturará cierta cantidad de luz que será transformada en una señal eléctrica.
• Resolución – Es el tamaño en pixeles de la imagen digital. Normalmente se utilizan como unidad a los megapixeles (1 millón de pixeles), siendo el resultado de multiplicar el ancho (horizontal) por el alto (vertical). La resolución dependerá del tamaño del sensor y del tamaño de cada fotosito.

Existen muchos tipos de cámaras digitales, de entre las cuales mencionaremos las siguientes:

• Compactas / smartphones – Son las más sencillas. No permiten quitarle el objetivo (quitar o intercambiar las lentes) y pueden estar limitadas en lo referente a funciones manuales avanzadas y tipo de archivos generados (normalmente solo JPG, no RAW).
• DSLR / Mirrorless – Ampliamente utilizadas. Los objetivos se pueden quitar y son intercambiables. Tienen funciones manuales avanzadas y pueden generar archivos en formato RAW (sin procesar).
• CCD / CMOS astronómicas – Son cámaras especialmente diseñadas para astronomía. No son cámaras de uso hogareño, y no tienen las funcionalidades simples de una cámara normal. Han sido pensadas exclusivamente en función de la astrofotografía. Se manejan por medio de un software de captura. Pueden incluir sistemas de refrigeración y otras características dedicadas.
• Webcams – Con las modernas posibilidades digitales y cámaras dedicadas, el uso de webcams en astronomía ha sido dejado un poco de lado. Básicamente se utilizaba la capacidad de grabación de video para capturar la Luna, el Sol, o los planetas. Las secuencias de imágenes luego es procesada para seleccionar, alinear e integrar los mejores cuadros (frames) y obtener una imagen mucho más nítida que cualquier cuadro individual por sí solo. Actualmente existen cámaras astronómicas especializadas en la captura de secuencias de imágenes que reemplazan las funciones que tenía una webcam.

Si está buscando adquirir una cámara digital para iniciarse en la astrofotografía, las opciones podrían ordenarse así:

1. Costo medio/alto – DSLR o Mirrorless. Será la que mayores prestaciones brindará, incluyendo modo manual (larga exposición y otras opciones) y archivos RAW. Es la opción más versátil y se podrán realizar todo tipo de fotografías.
2. Costo bajo/medio – Cámara compacta. Si el presupuesto es acotado y no se puede acceder a una DSLR o Mirrorless, se puede considerar una cámara compacta, siempre y cuando tenga opciones de configuración manual que incluyan larga exposición (idealmente al menos 30 segundos), y mejor aún si puede guardar las imágenes en formato RAW (esto último es algo inusual).
3. Costo bajo – Utilizar un smartphone, quizás ya tenga uno. Con esta opción las limitaciones dependerán de las características de la cámara y de la aplicación que se utilice para capturar las fotos, pero por lo general no serán de larga exposición, y las funciones manuales serán limitadas. Dispositivos modernos de alta gama han incorporado cámaras más sensibles capaces de hacer tomas del cielo nocturno. Si se va a utilizar un smartphone, asegurarse de desactivar el flash.

Cabe mencionar también a las cámaras modificadas. Estas son DSLR a las cuales se les ha reemplazado el filtro infrarrojo que se encuentra sobre el sensor, por otro más permisivo. Esto tiene como finalidad hacerlas más sensibles al H-alpha, las longitudes de onda en las que las nebulosas de emisión brillan con más intensidad. Las cámaras modificadas brindan resultados muy superiores en este tipo de objetos.

Imágenes digitales

Las imágenes digitales se componen de pixeles, cada uno representando numéricamente un valor de brillo. Una imagen puede ser monocromática o color.

Para formar una imagen a color, cada pixel tiene codificado su brillo en tres valores: rojo, verde y azul (RGB = Red, Green, Blue). Cada uno de ellos se denomina canal (ej: canal rojo).

Los sensores de las cámaras son monocromáticos por naturaleza, siendo la información del color generada por medio de la detección filtrada de la luz capturada. La manera más común de lograr esto en las cámaras a color (OSC, One Shot Color) es la denominada Matriz de Bayer, en la cual se dispone por encima del sensor un mosaico de filtros de colores (un pequeño filtro por cada fotosito). Cada color en este conjunto de filtros se distribuye en un patrón predeterminado, formando lo que se llama CFA (Color Filter Array).

Como cada fotosito obtiene únicamente la información de uno solo de los tres canales (R, G o B), para formar una imagen a color en la que cada pixel presente un valor para cada canal (R, G y B), se requiere de un algoritmo para de-Bayerizar la imagen. En este proceso se interpolarán los valores (con diferentes técnicas, dependiendo del algoritmo utilizado) para que cada pixel, aparte del valor original, obtenga también los otros dos valores necesarios para lograr así una imagen a color.

En el caso de las cámaras monocromáticas (menos comunes, generalmente más especializadas en astronomía), se puede lograr una imagen a color insertando filtros delante del sensor y obteniendo imágenes completas con cada filtro (todos los fotositos reciben la luz filtrada con el mismo filtro). Esto abre interesantes posibilidades, ya que aparte de los filtros R, G y B, pueden utilizarse otros, por ejemplo, H-alpha, con los cuales capturar más eficientemente la emisión de las nebulosas, y otros filtros de banda angosta (que dejan pasar únicamente una porción determinada del espectro de luz), como el OIII (oxígeno tres) o SII (sulfuro dos), entre otros.

Estas imágenes de canales individuales luego son combinadas por medio de un software para lograr una imagen RGB (aunque los filtros no sean necesariamente RGB, la imagen final será RGB, y cada canal corresponderá a un filtro o una combinación de filtros, balanceados entre sí).

Relación Señal/Ruido (SNR)

Durante la generación de una imagen digital no solo queda registrada la señal (flujo de fotones de aquello que queremos capturar), sino también el denominado ruido (información no deseada). El ruido puede tener diferentes orígenes, entre los que mencionaremos los siguientes:

• Ruido fotónico (Photon Noise) – Fluctuaciones estadísticas en el flujo de fotones provenientes del objeto fotografiado.
• Ruido de corriente oscura (Dark Current Noise) – De origen térmico, producido, por ejemplo, por el calor generado por la electrónica de la cámara. Es posible calibrarlo con dark frames.
• Ruido de lectura (Read-out Noise) – Variaciones introducidas por la cámara al recolectar la señal al final de la exposición. Es posible calibrarlo con bias frames.

La relación señal/ruido se mide pixel a pixel, y cambia según la zona de la imagen: un área con mucha señal (una zona brillante) tiene una mayor relación señal/ruido que un área más tenue (por ejemplo, los límites difusos de una nebulosa contra el fondo del cielo).

El método más efectivo para lograr una mejor relación señal/ruido es la combinación (integración) de un gran número de tomas, ya que al integrar tomas la señal aumenta en la misma proporción que el número de imágenes, mientras que el ruido, al ser aleatorio, aumenta proporcional a la raíz cuadrada del número de imágenes. En otras palabras, la señal aumenta más rápidamente que el ruido.

En la práctica la idea, algo simplificada, es capturar un gran número de imágenes del mismo objeto, para que luego sean alineadas e integradas por medio de un software diseñado para tal tarea, el cual generará una imagen final (master light) listo para ser procesado.

Tomas de calibración

Las tomas de calibración tienen como finalidad corregir diferentes aspectos de las tomas individuales (light frames), incluyendo ruido térmico, ruido de lectura, gradientes de diferente tipo (ej: viñeteo), diferencias en la respuesta del sensor, etc. Únicamente tienen sentido si la cámara genera imágenes RAW, caso contrario no son útiles.

El tema de la calibración escapa un poco al alcance de esta introducción, pero mencionaré las tomas más comunes:

• Dark Frames – Corrige principalmente el ruido de origen térmico. Son imágenes que se adquieren, en principio, con la misma configuración de tiempo de exposición, ISO, y en lo posible en el mismo rango de temperatura que los light frames, pero sin exponer al sensor a la luz: la cámara debe estar tapada, ninguna fuente de luz puede filtrarse al dark frame. Al igual que en el caso de los light frames, se deben adquirir una gran cantidad de dark frames para generar un master dark con una buena relación señal/ruido.
• Bias Frames – Corrige el ruido de lectura. Son tomas lo más cortas posibles (con la velocidad de exposición más rápida disponible), con el mismo ISO que los light frames, y con la cámara tapada. La idea es registrar únicamente el ruido generado por el proceso de lectura del sensor. Se deben adquirir una gran cantidad de tomas para obtener un master bias con una buena relación señal/ruido.
• Flat Frames – Corrige la iluminación desigual en el campo de la cámara (viñeteo, polvo en el sensor, etc) y la diferente respuesta de cada fotosito a una misma señal. Para estas tomas se utiliza la misma configuración óptica de los light frames (debe ser exactamente la misma, no debe moverse la cámara, de otra forma no quedará correctamente representado el campo), con un fondo luminoso y completamente homogéneo, y con un tiempo de exposición adecuado para no saturar la imagen.

El software que la alineación e integración de los light frames comúnmente también es capaz de calibrar cada light frame individual con cada master generada por cada conjunto de tomas de calibración (masters de calibración) previamente integradas. Se denomina preprocesamiento al conjunto de acciones previas al procesamiento de la imagen, que incluyen:

Calibración → Alineación → Integración

En muchos tipos de fotografía astronómica no se requieren, o no suelen usarse, tomas de calibración. En el caso del paisaje astronómico, muchas veces se utiliza solo una toma individual, y sin calibración. En las fotos de campo amplio (cámara + objetivo) podrían ser útiles los darks y bias, pero al comienzo recomiendo concentrarse en practicar las técnicas de adquisición de tomas, sin preocuparse por la calibración. Será más provechoso tener un buen conjunto de light frames para luego alinear e integrar.

Configuración de la cámara

Una de las condiciones para que una cámara sea apta para practicar la fotografía astronómica es que tenga opciones de configuración manual, entre las que puedan modificarse los siguientes parámetros:

• Foco – Por lo general los sistema de enfoque automático no son útiles en la fotografía nocturna, por lo cual la cámara debe tener una opción de enfoque manual. Esta normalmente se situará en la posición de infinito. Los objetivos intercambiables de las reflex y mirrorless siempre tienen esta posibilidad. Deben hacerse algunas pruebas para asegurarse que el enfoque es correcto, las estrellas deben ser lo más nítidas y pequeñas posibles.
• Tiempo de exposición – Como mínimo sugerido la cámara deberá poder otorgar al menos 30 segundos de exposición. En el caso de las compactas, se debe chequear en las características técnicas para ver cuál es el máximo. Los smartphones, por su parte, suelen estar muy limitados en este aspecto. Las reflex y mirrorless pueden tener un tiempo máximo en modo manual, y un tiempo ilimitado en modo bulbo.
• ISO – La sensibilidad del sensor es intrínseca a su diseño (una característica denominada eficiencia cuántica), por tanto cambiar el ISO no cambia la sensibilidad del sensor, sino el factor de amplificación de la señal. Cada modelo de cámara posee un ISO ideal, y aunque a simple vista parezca que a menor ISO el ruido en la imagen es menor, un análisis en igualdad de condiciones respecto a la señal adquirida revela que un ISO intermedio suele ser el mejor compromiso. Esto se relaciona al concepto de ISO invariance. (Por ejemplo: en una Canon 60D, dos tomas de 5 segundos, una a ISO-100 y otra a ISO-1600, en donde se compensa la exposición para igualar los brillos en +5EV para la de ISO-100 y +1EV para la de ISO-1600, muestra que la imagen en ISO-100 es mucho más ruidosa).
• Apertura – Los objetivos de las cámaras pueden cerrarse o abrirse, lo que permitirá cambiar la cantidad de luz que ingresa al sensor (y en fotografía diurna también variar la profundidad del campo). Aunque parezca que abrirlo por completo sea lo mejor, por lo general los objetivos no se comportan muy bien ópticamente cuando están totalmente abiertos, presentando aberraciones (cromáticas y distorsiones). Suele haber un punto ideal, y dependerá en gran medida de la calidad del objetivo.

Estos puntos están pensados para las cámaras que no son específicas para uso astronómico, principalmente para DSLR y mirrorless, y compactas con buenas características.

Accesorios

Hay varios accesorios para tener en cuenta a la hora de practicar la fotografía nocturna de larga exposición, los dos más utilizados son estos:

• Trípode – Las fotografía nocturna generalmente requiere que la cámara se mantenga totalmente estable mientras dura la exposición, y para esto se utiliza un trípode. El rango de trípodes es grande, y puede resultar útil disponer de uno pequeño y muy portátil para viajes (como este), así como alguno más grande, que soporte más peso, y tenga una mayor versatilidad. Es muy práctico que el cabezal del trípode puede moverse en tres ejes, esto permitirá rotar la cámara para lograr el encuadre deseado.
• Intervalómetro – Es un accesorio muy útil para realizar una gran cantidad de tomas de forma automática (campo amplio, timelapse, trazos, etc). Cada fabricante tiene sus accesorios compatibles, y a veces un mismo fabricante tiene más de un conector, pero la idea general es la siguiente: el intervalómetro se conecta a la cámara, pudiendo configurar la cantidad de tomas, el intervalo entre tomas y el tiempo de exposición de cada una, para que el dispositivo las ejecute de manera automática. Varias cámaras traen incorporado dentro de sus funcionalidades este tipo de programación. Otra opción es manejar la cámara con un software, pero esto requiere de una notebook.

Otros accesorios para tener en cuenta pueden ser los siguientes:

• Batería extra – En condiciones frías las baterías disminuyen mucho su rendimiento, y podrían agotarse rápidamente (para mitigar esto se recomienda minimizar el uso de la pantalla, incluyendo las funcionalidades de live preview y preview de las tomas). Es buena idea tener una batería extra.
• Alimentación externa – Se trata de una suerte de falsa batería que va conectada directamente a la red, con lo cual, en principio, podremos despreocuparnos del agotamiento de la batería. Este accesorio, por supuesto, está limitado a ciertos ámbitos, no siempre hay electricidad disponible.
• Nivel de burbuja – Existen unos niveles que se fijan en el zócalo del flash externo de las réflex. Son muy útiles para alinear horizontalmente la cámara, particularmente en condiciones de mucha oscuridad, en donde el horizonte no es claramente visible, o cuando deseamos una toma horizontal, pero el horizonte no entra en el campo visual. Algunas cámaras traen incorporado un nivel digital que puede ser útil, aunque considero que la burbuja es más básica y a prueba de fallas. (ver un ejemplo del producto)

Fotografía sin telescopio y sin seguimiento

En este tipo de fotografías la cámara se fija sobre el trípode y se realiza una o una serie de exposiciones, que pueden ser de cielo abierto o incluir el paisaje. Así se pueden capturar imágenes de constelaciones, conjunciones, pasos de satélites (como la Estación Espacial Internacional), trazos de estrellas y otras tomas.

En muchos de estos casos se desearán obtener estrellas puntuales. Por la rotación de la Tierra las estrellas comenzarán a formar pequeñas rayas a los pocos segundos de comenzar la exposición. Los factores que influyen en esto son los siguientes:

• Focal del objetivo – A mayor focal, más rápidamente quedará registrado en el sensor el movimiento de las estrellas.
• Resolución del sensor – Cuantos más pixeles tenga el sensor, más rápidamente quedará registrado que una estrella pasa de uno a otro mientras la Tierra mueve consigo la cámara.
• Tiempo de exposición – A mayor tiempo de exposición, más largos serán los trazos de las estrellas.
• Declinación fotografiada – Este concepto se relaciona con las coordenadas ecuatoriales celestes, e implica que cuando más lejos del polo celeste se tome la fotografía (más lejos del eje), más largos serán los trazos en igual tiempo de exposición, siendo máximos en el ecuador celeste.

Aquí deberá experimentarse un poco y llegar a un buen equilibrio entre cantidad de señal capturada en cierto tiempo de exposición, y la visibilidad del trazo estelar, dependiendo también del área del cielo fotografiada (la Cruz del Sur permitirá algo más de tiempo que Orion, por ejemplo). Debe tenerse en cuenta que muchas veces las cámaras tienen una resolución muy grande, y que a la hora de publicar una imagen lo más común es redimensionarla (achicarla) a un tamaño razonable. Eta acción puede disimular cierta cantidad de trazo estelar.

Fotografía sin telescopio y con seguimiento

Este tipo de fotografía permitirá capturar espléndidas tomas del cielo, incluyendo a la Vía Láctea y muchos objetos de cielo profundo (sin las condiciones del cielo lo permiten). Se recomienda adquirir una gran cantidad de tomas, para luego alinearlas, integrarlas y procesar el resultado.

Para evitar por completo el problema de los trazos de las estrellas y poder exponer durante mucho más tiempo (lo que dará imágenes más profundas y con una mejor relación señal/ruido) la cámara se puede fijar sobre una montura o dispositivo de seguimiento, alineado de tal forma que compense el movimiento de rotación de la Tierra. Puede ser la montura ecuatorial de un telescopio, una pequeña montura pensada para cámaras, o algún accesorio que cumpla la misma finalidad (incluso los hay de fabricación casera). El concepto en todos los casos será el mismo: gracias a que el dispositivo está alineado con el eje de rotación de la Tierra y se mueve de manera automática a la velocidad adecuada, la rotación de nuestro planeta es compensada y la cámara se mantiene apuntando al mismo punto del cielo.

El desafío es alinear correctamente la montura, un procedimiento llamado puesta en estación. Con algo de práctica se pueden lograr resultados razonables en poco tiempo. La precisión del alineado limitará el tiempo máximo de exposición (a su vez, se deben seguir tomando en cuenta los otros factores que influyen en esto, como la focal del objetivo y la declinación).

Fotografía lunar, solar y planetaria con telescopio

El primer paso es fijar la cámara al telescopio, por lo general quitando el objetivo de la cámara (modalidad de foco primario). El telescopio se convierte en el objetivo de la cámara. Prácticamente cualquier telescopio puede ser útil para lograr unas tomas interesantes, aunque cuanto mayor focal y mayor apertura, mejor será la resolución del objeto en la imagen final. Algunas consideraciones:

• La calidad de la atmósfera será un factor determinante en la calidad de la imagen, por lo cual lo mejor es hacer las tomas cuando el objeto se encuentre alto sobre el horizonte, evitando, de ser posible, fotografiar a través de algo que pueda afectar la estabilidad del aires entre el telescopio y el objeto (como techos calientes en verano, chimeneas en invierno, etc)
• El foco se ajusta con el sistema de enfoque del telescopio, mirando directamente por el visor de la cámara o, si se dispone, utilizando las funciones de live preview. Se recomienda tomarse unos minutos en este paso para lograr un buen foco.
• La exposición dependerá mucho del objeto. Experimentar hasta lograr una buena exposición, sin saturar las áreas más brillantes.
• Se pueden capturar muchas tomas para luego ser alineadas e integradas, ganando así en calidad final. El software para este tipo de procesamiento debe permitir este tipo de imágenes (que son muy diferentes a las fotos con estrellas).

Fotografía de cielo profundo con telescopio

Este tipo de fotografía es la más compleja. Los detalles de esta rama de la actividad superan las intenciones de esta introducción, por su extensión y profundidad, pero a modo de resumen expongo algunos puntos importantes:

• Cámara – Las cámaras aptas para adquirir imágenes de cielo profundo son las DSLR, mirrorless, y CCD/CMOS astronómicas.
• Puesta en estación – Se requiere de una montura ecuatorial. Será muy importante, ya que se busca exponer durante varios minutos (pueden ser 5, 10, 20...dependerá de varios factores)
• Autoguiado – El procedimiento más utilizado es el de autoguiado, en el cual una cámara auxiliar, pequeña y muy sensible, montada sobre un telescopio guía (pequeño y firmemente sujeto al telescopio principal) sigue de manera automática a una estrella seleccionada en un software dedicado al guiado, el cual corrige la posición del telescopio por medio de señales enviadas a los motores de la montura ecuatorial. Esta técnica permite la precisión requerida para este tipo de fotografía.
• Notebook – El software de guiado, y muchas veces la captura de imágenes, se maneja desde una notebook, que posee los drivers correspondientes a todos los dispositivos que se van a controlar (cámara, cámara guía, montura, etc).
• Tomas de calibración – Normalmente son un requerimiento para lograr imágenes que aprovechen todo el potencial del equipo (cámara y óptica). Los más requeridos son los bias frames y los dark frames, mientras que los flat frames podrían ser necesarios en varias configuraciones (por ejemplo si existe viñeteo).
• Calidad del cielo – Siempre es mejor fotografiar bajo buenos cielos, pero sobre todo si se trata de una cámara color normal (DSLR o mirrorless). Las cámaras dedicadas (CCD astronómicas) pueden brindar excelentes resultados incluso bajo malas condiciones de contaminación lumínica gracias al uso de filtros estrechos (como Ha, OIII, SII).
• Procesamiento – Una vez adquiridas y preprocesadas todas las tomas, la imagen debe ser procesada. Para esto se requiere de algún software, siendo lo más recomendable uno especializado en fotografía astronómica, como PixInsight.

Software

En el siguiente listado se exponen algunas aplicaciones que serán de utilidad en la fotografía nocturna.

• PixInsight – Es la mejor plataforma de procesamiento y análisis de imágenes especializada en astrofotografía, permitiendo llevar adelante todos los procesos, desde el preprocesamiento hasta la publicación final, con una enorme cantidad de herramientas avanzadas. (Ver tutoriales en PixInsight Resources). Sitio web.

• DeepSkyStacker – Gratuito. Esta aplicación permite realizar de manera automática el preprocesamiento de las imágenes (calibración, alineación, integración) para fotografías del cielo (con estrellas, las cuales son utilizadas como referencias para alinear las imágenes entre sí). Sitio web.
• AutoStakker! - Gratuito. Se trata de un software para el procesamiento principalmente de imágenes lunares, solares y planetarias. Sitio web.
• Sequator - Gratuito. Se especializa en paisaje astronómico, en donde se define la zona de cielo y la zona de paisaje para obtener una imagen integrada de ambos. Sitio web.