CAMARAS "DIGITALES" 

INDICE

BLANCO y NEGRO o COLOR, en cámaras digitales

CCD’s o CMOS  

CCD

Ejemplo de grabación CCD

CMOS 

Ejemplo de grabación CMOS

RESUMIENDO

CCD versus CMOS

COMPARATIVO de DARK's

FILTRO "IR"

Modificada Hutech

PREMISAS

CAMPO de VISION "Plate Scale"

FACTOR de AMPLIFICACION aparente en digitales

RESOLUCION 

SENSIBILIDAD

Comparativa de Sensibilidades

TAMAÑO del PÍXEL

RALACION SEÑAL RUIDO

Histogramas y Analizador de Espectros

ISO - el apropiado para reducir el ruido

TIEMPO MAXIMO en modo Bulb "B"

COMPENDIO GENERAL SOBRE APLICACION en ASTROFOTOGRAFIA

DIGITALES MARCAS Y CARACTERISTICAS

PARAMETROS para AJUSTE de CROMINANCIA

TABLA_01

WEB-CAM en ASTRONOMIA

 

 

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Dada la enorme diferencia entre unas y otras (las de Astronomía y las Domésticas o Semiprofesionales), en lo relacionado con su estructura, nos hacen meditar sobre la elección y toma de decisiones al adquirirlas, ya que en principio las domésticas no están preparadas para Astronomía, aunque permitan imágenes muy espectaculares perdiendo gran parte del espectro cromático real.

COMPENDIO GENERAL SOBRE APLICACION en ASTROFOTOGRAFIA

Llegado a este tema punto y antes de seguir, creo sea de interés leerse el documento, que al respecto el I.A.C. (Instituto Astrofísico de Canarias), ha confeccionado de forma sencilla y didáctica progresIva, sobre la  Astrofotografía en general, que ampara:

PREMISAS

SENSIBILIDAD o RESOLUCION y TAMAÑO de PIXEL

a)   Tamaño de pixel menor     ( < 6 µm )    mayor resolución       captará muchísimos detalles

b)   Tamaño de pixel mayor     ( > 6 µm )    mayor sensibilidad     captará mucho mejor a Cielo profundo 

de interés FORMULAS relacionado con: Resolución, Sensibilidad y Tamaño, entre otras, más estudio sobre las WEB-CAM’s en Astronomía de la “ASAAF-UCM”, que aporta los comentarios y conclusiones del Laboratorio de Físicas relacionadas con el tema, que una lectura detenida nos ayudará a comprender e inmiscuirnos en el tema, para obtener los resultados apetecibles.

COMPARATIVA de SENSIBILIDADES

Uno de los trucos que hacíamos en analógica, hace muchos años, para verificar la calidad de las ISO de una cámara y apropiada para esa captación, era comparar las mismas en Positivo y en Negativo, obteniendo en las de Negativo tanta información y por tanto resaltado de detalles sobre la imagen, que nos indicaba la ISO apropiada, para esa captación. 

-- Imagen positiva Cortesía de Máximo Ruiz Romeo

Comp_ISO.jpg (73281 bytes)

Comp_ISO-Invretido.jpg (71755 bytes)

Positivo

Negativo

pulsar imágenes para ampliar

El aportar las dos opciones Negativa y Positiva, es de gran interés, porque en Astrofotogtafía hay veces que se perciben mejor los objetos en Negativo y en cuanto al Retoque, que precisa de Máscaras, esta opción comparativa es muy necesaria.

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BLANCO y NEGRO” o “COLOR

Otra discusión sería, si es mejor una de “Blanco y Negro”, que para conseguir las tomas en color, se necesita efectuar las tres tomas con los filtros espectrales de los tres colores y por suma de las tomas, obtener el color. 

O bien directamente una de “Color”, aunque divide el número de pixeles RGB utilizados.

Todo ello independiente del formato, que está ya normalizado a 640 x 480 pixeles, que no todas las WebCam lo permiten.  De interés ver

....

captación en modalidad RAW

Es necesario para la captación del espectro infrarrojo, muy abundante en las Nebulosas y por tanto con H-alfa y O-III, que se elimine el filtro "IR" de rechazo para infrarrojos, que casi todas las cámaras digitales poseen, por estar diseñadas para uso doméstico, pero no para Astronomía. (ver FILTROS)

CCD o CMOS

....

En este punto las ATK1CIIo las “ATK2CII”, versiones en color de 24 bytes, ya modificadas para Astronomía e industrialmente para larga exposición ( > 40 segundos por toma), alcanzando tiempos impresionantes similares a las obtenidas en fotografía analógica clasica, por inclusión de ventilación forzada y otras, como posibilidad de trabajo en modo RAW, con la célebre y experimentada “ToUcam Pro II” de Philips con chip "Sony ICX-098BQ".  Incorpora el elaborado software de Peter Katreniak K3CCDTools aunque una versión reducida, siendo de interés adquirir la más moderna registrándose, (Ver apartado "How To..." del mismo, en el aparecemos con nuestra colaboración operativa)

Naturalmente las CCD’s permiten efectuar las tomas “Dark Frame” del mismo tamaño en duración que las tomas de vídeo y las “Flat Field”, entre otras indispensables para una buena grabación, lo que es difícil con las CMOS. (ver OPERATIVA)

RESUMIENDO, podríamos decir que: 

Estos dos procedimientos, acarrean más cantidad de ruido las "CMOS"  respecto a las "CCD", en lo concerniente a tomas de "Largas Exposiciones", 

En las "CCD" se produce más calor, por la energía consumida en el proceso del salto, etc., pero en las cámaras para  Astronomia se soluciona con software, que rebaja hasta -30ªC respecto a la temperatura ambiente, el calor producido. 

En este procedimiento las "CCD" tienen un mayor consumo, que en las cámaras de Astronomía queda subsanado con fuentes de alimentación externas.  

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kxseri1.jpg (71132 bytes)

Curvas de Sensibilidad en las "CCD"

pulsar para ampliar

Por lo que comparando unas con otras "CCD" con "CMOS" en pros y contras, ya en los Observatorios astronómicos profesionales, hace tiempo que viene presentándose este dilema, al intentar ver los resultados de unas u otras para grabaciones de tiempo considerable en "Cielo profundo" y "Planetaria", en donde las tendencias más actuales, tras  bastantes deliberaciones, se inclinan hacia las "CCD", por sus características y posibilidades de grabación en las Observaciones, ya que la temperatura y el consumo no son problemas en Astronomía, por contar con sistemas de refrigeración y fuentes de alimentación apropiadas.  

No obstante, los fabricantes de sistemas "CMOS", están haciendo verdaderos trabajos para mantenerse en el mercado, actuando con el número de pixels muy elevado y tamaño reducido del mismo, lo que las hace muy sensacionales para captaciones de "gran campo", que siempre son llamativas.   Pero sin llegar a las precisiones de los detalles sobre objetos de pocos segundos de arco, en donde el puesto queda otorgado para las "CCD", que permiten captar cantidad de detalles en las tomas de "Largas exposiciones",para objetos de pocos segundos de arco.

De gran interés relacionado, leer el enlace  CCD versus CMOS  

por Jose Luis García Joya
Ikonos Digital Solutions S.L.L. 

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De modo que el criterio para determinar la Calidad Fotográfica consiste en un conjunto de experiencias sensoriales positivas o negativas. 

Podemos luego hacer mediciones y testeos, pero el criterio último de calidad lo tiene la visión humana y no el análisis técnico.

Existen muchos factores comunes entre la fotografía analógica y digital (foco, profundidad de campo, tiempo de obturación adecuado, etc.). 

Pero hay otros parámetros que pertenecen exclusivamente al dominio de lo digital, veamos:

RELACION "SEÑAL RUIDO"

Llamamos señal a toda información significativa para construir un mensaje y ruido a cualquier otra dato que acompaña a la señal dificultando su transmisión, almacenamiento y comprensión.

En las cámaras digitales, el CCD es el chip encargado de capturar la imagen. Está compuesto por una malla de miles de celdas fotosensibles en las que se recibe la imagen formada por el lente. 

Cuanto más alto sea el número de celdas, mejor será la calidad obtenida. 

El CCD de una cámara barata puede tener 128.000 celdas (320 x 240) en tanto que el de una cámara de alto precio puede llegar a mas de 6.000.000.

Cada una de esas celdas genera una corriente eléctrica en presencia de la luz. Esa corriente eléctrica será luego cuantizada, es decir, convertida a datos numéricos que se almacenarán en forma digital binaria en la memoria de la cámara o la computadora y darán origen a un píxel.

Pero es muy importante saber que cada una de esas celdas genera una cantidad más o menos fija de corriente eléctrica (y por lo tanto de datos) al azar, aún en ausencia de la luz y en relación a la temperatura.

Es un caso similar al de un equipo de audio. Si no ponemos ningún CD y elevamos el volumen al máximo, oiremos un soplido que no es mas que el ruido que genera el propio circuito electrónico. Con los CCD de las cámaras pasa exactamente lo mismo.

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HISTOGRAMAS y ANALIZADOR de ESPECTROS

Comparando una curva del histograma RGB, con una del analizador de espectros en Radio-comunicaciones, veremos que en las dos existe una información compacta situada en la parte inferior de la curva, que es el nivel alcanzado por las diversas "Frecuencias del Ruido" y la otra unitaria y despejada superior, que es la conseguida por la "Señal de la frecuencia analizada".

Pues bien y aunque no es lo más normal comparar ambos procesos, si es importante conocer, que para que una señal de Radio-comunicaciones sea captable sin "Ruido de fondo", clara y diáfana, la diferencia entre la altura o nivel conseguido por el "Ruido", respecto al de la "Señal analizada", debe rondar los 123 dBm.

Ejemplo "Señal" = 353.134,00 µV y "Ruido" =  0,25 µV 

Obtendremos:  20 log (353134,00 / 0,25) = 123 dB o dicho de otro modo el nivel de "Ruido" es 1.412.536 veces más pequeño, que el alcanzado por la "Señal"

Muchos de nosotros venimos también del hobby del Radio afición y recordamos, que el nivel de apertura por sensibilidad de un squelch, en el equipo receptor de radio-comunicaciones, ronda los 0,25 µV.

La sensibilidad de cada uno de los elementos del CCD es fija. Tiene un valor aproximado equivalente a 100 ISO. 

Los índices ISO superiores que nos ofrece la cámara digital se logran no por un incremento en la sensibilidad de los elementos captores, sino por una amplificación posterior de la señal que estos emiten.

Como estos elementos tienen una emisión de señal de base más o menos fija, cuando capturamos una señal luminosa débil y la amplificamos, también estamos amplificando una buena porción de la emisión de datos aleatoria del chip. Vale decir que se mezclará una cantidad de señal aleatoria sin contenido a la señal correspondiente a la imagen.

Estaríamos ante un caso similar al del forzado de la película. La diferencia clave está en que en el forzado de película tenemos un aumento de tamaño del grano, y por lo tanto una pérdida de resolución espacial, en tanto que en el CCD la resolución se mantiene constante porque sus celdas tienen dimensiones e intervalos constantes.

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Podemos sacar entonces las siguientes conclusiones:

1 - La mayor calidad de una cámara digital se obtendrá usándola a su menor sensibilidad ISO equivalente.

2 - La pérdida de calidad derivada de usar una sensibilidad ISO mayor 

Se verificará como un aumento de pixeles distribuidos al azar, sobre todo en las zonas de sombra de la imagen. El ruido no será proporcional en toda la imagen, como el grano, sino que se manifestará como más evidente en las zonas oscuras.

3 - Las regulaciones

Como el Sensibility Boost de la Nikon D1-X, que duplica o triplica la sensibilidad de la cámara no son más que un mensaje del fabricante que nos dice que estamos amplificando la señal a nuestro propio riesgo. 

Por algo lo presentan como una amplificación de señal y no como un índice ISO. Es arriesgado usarlo pero, personalmente, no me perdería una buena foto por miedo a usar el equivalente a 4000 ISO

4 - El ruido se manifestará más en algunos canales que en otros. 

El canal azul puede ser el que contenga más ruido. Podemos editar ese canal posteriormente en Photoshop para reducir el ruido mediante una aplicación de filtro Blur sobre ese canal.

5 - Será más fácil hacer correcciones profundas de densidad en archivo libre de ruido, que en el que contenga ruido

Sobre todo en zonas de sombra. Esto nos lleva a la paradoja de que antes que hacer una toma con un índice ISO demasiado alto, podría ser mejor hacer un archivo oscuro para después corregirlo usando Photoshop. 

Esto es válido sobre todo en capturas a 12 o 14 bit.

6 - Evitar exposiciones largas, superiores a 10 segundos de promedio.

7 - Evitar el sobrecalentamiento de la cámara

La generación de ruido aumenta con la temperatura y disminuye con esta. A temperatura constante, el ruido aumenta linealmente a lo largo del tiempo. 

Pero un aumento de temperatura de aproximadamente 10º C duplica la cantidad de ruido. 

El respaldo SinarBack de estudio tiene un sistema de refrigeración termoeléctrico para suprimir ruido y mejorar el detalle en las sombras. 

Y en fotografía astronómica, los respaldos CCD se refrigeran mediante Helio líquido y suelen alcanzar temperaturas de -50 ºC.

Como precaución, mantengamos la cámara alejada de las fuentes de luz y no la abandonemos al sol por mucho tiempo, pensando que como no usa película, ¡no pasa nada!

Al usar la cámara con baterías, el agotamiento y reposición de estas impone un forzado ciclo de enfriamiento. 

Cuando usemos la fuente de alimentación enchufada a la corriente de red de 220 V tendremos mas autonomía y podemos trabajar más tiempo, pero estas sesiones prolongadas incrementaran la temperatura del CCD. El uso del visor LCD genera también calor en el cuerpo de la cámara, o al menos dificulta su disipación.

Esta evaluación del concepto de señal-ruido en fotografía digital sirve como evidencia de que no debemos usar los parámetros técnicos de la fotografía analógica para analizar los resultados obtenidos mediante la fotografía digital, sino que debemos desarrollar sistemas de evaluación propios de ésta.

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TIEMPO POSIBLE en modo "Bulb - B"

Pues es muy fácil la contestación: 

-- Dependerá de la característica técnica, que el mantenimiento en posición abierto, tenga cada cámara y marca --- 

Me explico, si para mantener el espejo abierto, se precisa de un circuito electrónico, este gastará una corriente para mantenerlo y por el efecto Joule, se producirá un calentamiento. 

Creo que todos los que estamos en este apartado, conocemos, cómo calcular ese consumo, en posición "B" y con ello aplicando la fórmula del efecto Joule (
0,24 I2 R T ), calcular las calorías aportadas, que debería compensarse con un circuito refrigerador a la inversa. 

Por tanto debe conocerse por las características del fabricante el tiempo máximo permitido para una posición Bulb "B", que produzca el menor consumo y por tanto el menor calentamiento. Generalmente se indica en cada marca y modelo de cámara. 

La conclusión a mi criterio, para una captación de Larga Exposición, es a una ISO básica (generalmente 100 ó 200 según marca) y cantidad de exposiciones (200, 300 ó más) a tiempo "B" del fabricante (generalmente 10 ó 20 segundos c.u.) y con una cámara con el mayor número de pixels posible (mayor de 5Mp). 

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COMPARATIVO de DARK's

Algo muy importante, para el conocimiento del nivel de ruido de cada cámara, producido por su chip y por tanto inherente ya en cualquier imagen que se capte, es efectuar los correspondientes DARK's, previos y comparativos entre varias marcas, modelos, tipo de chip, en diferentes ISO y posibles "reducciones automáticas de ruido de chip naturalmente si tiene la cámara esa opción.

Algunos ejemplos, a título informativo:

CMOS

Linp_01 - CANON EOS 300D ISO_400
Linp_02 - CANON EOS 300D ISO_800
Linp_03 - CANON EOS 350D ISO_400
Linp_04 - CANON EOS 350D ISO_400 Reducción automática de ruido
Linp_05 - CANON EOS 350D ISO_800
Linp_06 - CANON EOS 350D ISO_800 Reducción automática de ruido


CCD

Linp_07 - NIKON D70 ISO_400
Linp_08 - NIKON D70 ISO_400 Reducción automática de ruido
Linp_09 - NIKON D70 ISO_800
Linp_10 - NIKON D70 ISO_800 Reducción automática de ruido

Imágenes obtenidas, con retocado uniforme para todas, con el fin de igualar resultados:

NEG_Sat_1-Linp_01a10.jpg (201854 bytes)

NEG_Sat_3-Linp_01a10-BW.jpg (185257 bytes)

Falso color

B/W

pulsar imagen para ampliar

De las imágenes obtenidas, se deduce que el DARK de la imagen "Linp_08" es el más idóneo y correspondiente a la cámara CCD_NIKON D70 ISO_400 Reducción automática de ruido  siendo las conclusiones obvias

-- Base de comparativa por aporte de cámaras, cortesia de Julián Martínez - Foro_Linp

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RELACION de CAMARAS DIGITALES

Las dos curvas de respuesta siguientes, analizan Con filtro y Sin filtro "IR" el mismo tema, pero más concreto al ser fruto del análisis por puntos, de las diferentes frecuencias del espectro.

....

Una vez sacado el FILTRO "IR" (lo pueden hacer los Servicios técnicos oficiales de las Marcas), se debe situar una placa Baader o similar transparente (sin deformaciones), para evitar que entre el polvo, etc., ver imagen con dicha placa ya instalada, una vez sacado el filtro "IR".

Sobre "Modificada Hutech",   ¿Es la eliminación de filtro "IR" y colocación de placa transparente, etc.? Sí, creo que el filtro es el UV/IR blocking, efectuado por los mismos fabricantes sobre los 120,00 €, lo que mantiene la garantía de la cámara.

De interés relacionado ver enlace Sobre "Hutech/Canon Spectrum-Enhanced Digital SLR Cameras"

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FACTOR de AMPLIFICACION APARENTE en DIGITALES

Efectivamente, es un factor de recorte de campo, por eso indico DF equivalente, no real en la TABLA_01 en la que se contemplan las diferentes "FCám" (Factor de Cámara respecto a un film de 36mm)

En cuanto al
"FCám" = 1,6 por ejemplo en la DSLR "Canon350", es para un tipo concreto de tamaño de chip naturalmente (Raiz (362+242)) / Raiz ((ancho de chip)2+(alto de chip)2) = pseudo factor de amplificación (aunque mal dicho, porque es aparente), porque cada chip tiene una medida aportada por el fabricante, que nos dará ese factor de conversión. 

No obstante hasta este punto estoy de acuerdo, por eso indico por ejemplo, que un Telescopio de DF 2032mm a 1,5 = DF 3048mm, pero el problema lo tengo con el impresionante valor conseguido con una ATK1CII, claro que me contesto solo, al ser el chip de anchura 4,6 mm obtenemos un factor de Raiz(362+242) / Raiz(4,602+3,972) = 7,1 y por tanto la misma anterior del ejemplo 2032 mm DF se convierte en 14.427,2
mm DF, lo que es considerablemente enorme, como para incluso pensar esté equivocado, o comprender el por qué son tan aptas para planetaria. 

Creo esté aclarado, el pseudo factor de ampliación aparente, conseguido por la reducción de campo, pero claro comercialmente se prefiere decir aumento de la imagen obtenida. 

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CAMPO de VISION  "PLATE SCALE "

Cálculo del campo de visión de la cámara CCD

Cuando se prepara una observación, es necesario saber si el objeto entra dentro del chip (ver ejemplo en
TABLA_01 ) de la cámara o hay que realizar un barrido por el sistema y más tarde hacer un mosaico o composición con las imágenes. 

Para ello es útil calcular el "pixel scale" o "plate scale", que nos dice cuantos segundos de arco entran dentro de un píxel de la cámara y por ende el campo total de la misma. 

El cálculo es muy sencillo. Como el campo "CV" de cada píxel o de todo el chip  es mucho más pequeño que un radián, podemos usar la aproximación:  d = DF x CV  donde "d" es el ancho del píxel y "DF" es la distancia focal del telescopio. 

De lo anterior se desprende que: 

CV (Plate scale)  =  tamaño píxel  /  distancia focal

El resultado viene dado en radianes y para pasarlo tenemos que calcular cuántos segundos de arco hay en un radián.

1 grado

  

60' 

3600'' 

1 radián

180º / p

57,29º  

3438' 

206265'' 

Por lo tanto, la "escala del píxel" es (d = tamaño horizontal del píxel; DF = distancia focal):

Pixel scale 3438 x (d / DF)' minutos de arco
206265 x (d / DF)'' segundos de arco

Por ejemplo, para el CELESTRON SC 8" PoweStar PEC a F10, tenemos que su diámetro de abertura del objetivo es Ø = 203,2 mm, y por tanto su distancia focal "DF" = 203.2 x 10 = 2032 mm.

Sabemos por ejemplo, que los píxeles de la cámara "SBIG mod. CCD_ST8-XE" especialmente diseñada para uso en Astronomía, que tienen un tamaño de 9 µm x 9 µm y el chip dispone de 1530 píxeles en ancho x 1020 píxeles de alto, total de 1560600 pixels, que se aparta en mucho de la enorme tendencia de las cámaras CMOS de uso doméstico y publicitario, obteniéndose:

 (1530 x 9 x 10-3 mm = 13,77 mm_ancho x 1020 x 9 x 10-3 mm = 9,18 mm_alto) y su diagonal útil sería de ± 16,55 mm

Por interés relacionado ver  TABLA_01  (relacionado con Cámaras, Tamaños de pixel, Parámetros obtenidos, etc...) por tanto y en el ejemplo anterior, el "Campo de Visión" del conjunto de su chip sería de aproximadamente:

_________________________________

 

Por interés relacionado ver   PARAMETROS para AJUSTE de CROMINANCIA

De interés ver OPERATIVA de la DSLR   OLYMPUS  E-330  específica para Astronomía

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UR 05/09/2008