Aggiornamento settembre 2007
a cura di Riccardo Di Nasso

Premessa Sensori e importanza del RAW
Il rumore
Comandi di scatto remoto e software Preparazione e impostazione della fotocamera
Sessione di scatto e calibrazione Dark Frame, Flat Field, Offset e calibrazione
Filtri di Convoluzione e Deconvoluzione Esempi di foto astronomiche

 

Il rumore

Il principale antagonista della fotografia astronomica con le reflex digitali è il rumore.

Ad occhio il rumore casuale o localizzato si presenta con l'improprio schiarimento di singoli pixel che, a causa della filtratura Bayer RGB dei sensori, si manifesta con conseguente percezione colorata. Il rumore accresce con l'aumentare dei tempi di posa, adottando valori elevati di sensibilità ISO ed in conseguenza all'innalzamento della temperatura legata alle circuitazioni elettroniche ma anche influenzata dal clima esterno del tipico caldo estivo.
La percezione di pixel luminosi su immagini scure o nere non costituisce un guasto del sensore ma un normale e motivato effetto fisico.

L'aggiunta del rumore al segnale propriamente generato da esposizioni luminose, deteriora la qualità della foto stessa.
Per rendersi conto del rumore basta coprire con il tappo l'obiettivo per scattare con una lunga posa e la disattivazione delle opzioni di riduzione rumore NR una immagine al buio…

…ecco fatto un dark frame che vedremo in seguito come trattare.

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Dark Frame Nikon D80 ISO 800 30sec
Particolare al 100%

Si nota infatti che, anche se la foto è stata scattata al buio e con il tappo su mirino ed obiettivo, esistono sull'immagine dei pixel illuminati ed alcuni saturi denominati Hot Pixel. Le cause di questa anomalia sono variabili e legate a fenomeni fisici complessi difficilmente prevedibili ed annullabili in forma totale ed assoluta. Il rumore è principalmente composto dal Bias Frame, che è il prodotto del movimento degli elettroni nell'attraversamento dei circuiti elettronici, dal Thermal Frame che proviene dall'agitazione termica degli elettroni (infatti se si potesse avere una temperatura al sensore vicino allo zero assoluto di -273, 15°C si avrebbe un rumore quasi nullo) e dal Readout Noise che è generato dagli errori indotti nella fase di lettura del segnale.

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Ingrandimento noise del Dark Frame
Nikon D80

Particolare al 100%

Tutto questo ovviamente altera i valori assegnati ad ogni singolo pixel rispetto a quello che effettivamente è stato percepito, per cui tante di queste informazioni presenti nell'immagine rischiano di inquinare la qualità della foto astronomica.

Per quanto riguarda le nostre reflex il rumore può essere suddiviso in tre particolarità:
Gli hot pixel, il rumore termico di amplificazione ed il rumore termico generico di seguito racchiuso a quello di amplificazione e denominato semplicemente rumore termico.

La prima legata agli hot pixel è costituita da un "difetto" intrinseco nella fabbricazione, limite fisico inevitabile sulle densità pixel dei sensori e quindi presente in ogni sensore che genera un errore fisso e facilmente eliminabile.

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"Via Lattea"
Scatto a 5 minuti di esposizione Nikon D80 (ISO 400 NR disabilitato)
(Hot Pixel + rumore termico)

La seconda legata al rumore termico generato dalla temperatura in generale e dagli amplificatori dei segnali. Questi ultimi sono molto dannosi alla fotografia astronomica perché causano dei grossi aloni rosa-bianco che dipendono molto sia dalla sensibilità che dal tempo di esposizione.

Qui sotto riportiamo alcuni esempi di rumore termico generato a 1600 ISO su diverse macchine reflex di nostro interesse con un tempo di 2 minuti e temperatura esterna di circa 20°C.

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Nikon D70 Nikon D70s Nikon D70IR
(senza filtro ir/uv cut)

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Nikon D50 Nikon D40 Nikon D80

Per verificare effettivamente il rumore dato dall'amplificazione termica del segnale in base alla temperatura possiamo eseguire, come in figura, uno scatto a 1600 ISO con tempo di esposizione di 2 minuti circa a temperatura ambiente ed un altro con i soliti valori ma ad una temperatura inferiore di circa 13°C.

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Nikon D70 ingrandimento rumore
amp ther 20°C
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Nikon D70 ingrandimento rumore
amp ther 7°C

Naturalmente nello scatto ad una temperatura più bassa di quella ambientale (circa 7°C) il velo rosaceo del rumore d'amplificazione termica è minore, pensiamo a cosa sarebbe possibile diminuendo ancora la temperatura del CCD di altri 20°C.

Di seguito, un altro esempio di come varia inoltre il rumore termico generato dagli amplificatori all'aumentare della sensibilità ma con il solito tempo di esposizione.

Nikon D80 con 5minuti di esposizione (NR disabilitato)
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100 ISO 200 ISO 400 ISO

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800 ISO 1600 ISO ISO Hi-1 (3.200 equivalente)

Si può notare che a 100 ISO il rumore d'amplificazione termico è quasi nullo, ma nel nostro caso non verrà utilizzata quasi mai questa sensibilità.
A 200 ISO si inizia a vedere un leggero "bagliore" termico rosaceo agli estremi superiori.
A 400 ISO inizia, oltre al famoso bagliore rosa, anche la presenza di diversi hot pixel.
Ad 800 ISO il bagliore rosa diminuisce a favore di un bagliore violaceo ed una presenza maggiore di hot pixel.
A 1600 ISO il bagliore viola diventa molto presente ed il numero degli hot pixel sale vertiginosamente.
Infine ad ISO Hi-1 gli aloni rosa e viola si sovrappongono, gli hot pixel non si contano più ed è presente una forte dominante marrone su tutto il campo, insomma trovare un colore nero puro in questa immagine è dura.

In casi estremi, per diminuire drasticamente i tempi di attesa o per un evento che dura solo pochi secondi, possiamo comunque usare questo estremizzato impiego di sensibilità.

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Nikon D70 "M3" (1600 ISO6x20 sec)

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