[Artigo] Astrofotografia para iniciantes

felipemendes · Setembro 3, 2021, 9:59pm

Comentei recentemente em outro tópico sobre por que algumas câmeras são melhores que outras pra astrofotografia. Claro que isso depende do tipo de foto: estou falando aqui de câmeras pra astrofoto de campo profundo, especificamente nebulosas. Até mesmo para galáxias e aglomerados estelares, a maioria das câmeras funciona bem.

Primeiro de tudo, por que nebulosas?

Nebulosas são o início de tudo. São regiões do Universo onde hidrogênio se forma, a partir de prótons e elétrons soltos no universo. Este hidrogênio, vai formar estrelas, que vão formar planetas, etc. Quando um elétron “enxerga” um próton, começa a girar ao redor dele, primeiro a distâncias relativamente longas, até órbita 1s que aprendemos na escola (pra quem lembra do diagrama de Linus Pauling, e aquelas camadas 1s1, 1s2, 2s1, 2s2, 2p1, etc), o recém-criado átomo emite luz em um comprimento de onde bastante específico, de 656 nm. É o chamado Hidrogênio alfa, ou Ha, ou ainda Hα. Esta cor é de um vermelho profundo, que é bastante atenuado na maioria dos filtros de fábrica das câmeras. Como curiosidade, quando o elétron vai pra camada 2s1, o que vemos é o Hidrogênio beta, que emite luz azulada.

Por exemplo, tomando com referência uma Canon 5D II original:

No caso da câmera acima, veja que a câmera só absorve cerca de 27% da luz a 656 nm de comprimento de onda. Ainda é possível fotografar nebulosas com uma câmera destas, porém os tempos de exposição serão longos, o que vai acarretar aquecimento do sensor (que, por sua vez, vai causar ruído) e problemas com “star trails”, ou borrão das estrelas por movimento.
O ideal é diminuir ao máximo a exposição
, e ao mesmo tempo
manter o ruído bem controlado
.

No gráfico abaixo, uma comparação entre uma câmera original e uma modificada com um filtro que permite maior passagem no comprimento de onda 656 nm:

Veja que mesmo as câmeras pra astrofoto (modificadas ou não) cortam o espectro à luz visível, e fornecem resposta muito melhor ao Hα. Só isso já representa um avanço significativo em relação a câmeras comuns. Mas ainda assim, este arranjo não é muito eficiente nas câmeras coloridas: o vermelho é capturado somente pelos pixels vermelhos da câmera, que, no melhor dos casos será de 25% do sensor. O Oxigênio III (que é o oxigênio que respiramos, porém com 2 elétrons faltantes), também bastante existente no nosso Universo, seria capturado pelo azul, que representa no máximo outros 25% do sensor, assumindo um sensor Bayer comum:

Pra aumentar a sensibilidade, a solução atualmente usada é usar câmeras monocromáticas. Estas câmeras não possuem um filtro Bayer na frente do sensor, logo todos os pixels somente lêem intensidade de luz. Estas câmeras são usadas com filtros RGB (vermelho, verde e azul) na frente, e as imagens obtidas com cada filtro depois são sobrepostas, criando a imagem colorida. Este tipo de câmera vai usar 100% dos pixels pra vermelho, depois 100% pra verde e 100% pra azul. Se estou certo, os sensores Forevon da Sigma usam um princípio parecido, porém todos os filtros estão todo o tempo acima do sensor.

A princípio, pode parecer que o uso de câmeras monocromáticas é pouco prático (são caras, requerem uma roda de filtros e alguns passos no processamento), mas o ganho em tempo de exposição e nível de detalhe em muito sobrepujam as dificuldades.

AFShalders · Setembro 4, 2021, 11:31am

Ih Felipe, o sensor Foveon tem dois problemas… 1) sensibilidade baixa 2) ruido alto em ISO maior que 400 e em exposições muito longas. Nunca cheguei a usar para astro, mas nunca me animei.

Aqui tenho uma Sigma SD1 Merrill, uma DP2 Merrill e uma SD Quattro. Lá para final de setembro pode ser que eu consiga fazer alguns testes, mas não garanto nada. Aqui só tenho duas objetivas com abertura razoável para isso, a 30/1.4 e a 70/2.8 mas não tenho muita esperança no resultado.

Mas tem uma coisa que você está esquecendo de considerar em relação ao filtro Bayer e mesmo no sensor Foveon. Esses filtros tem uma largura de banda grande e uma sobreposição razoável entre verde-azul e verde-vermelho. No Foveon todas as 3 camadas são sensíveis a todos os comprimentos de onda, mas com pico na cor da mesma.

felipemendes · Setembro 28, 2021, 1:22am

Já me perguntaram onde eu fotografo, e comentam como gostariam de ir a um local com céu “parecido com o meu” pra poder fotografar as estrelas. Mas fato é que o céu do meu quintal também é bastante poluído. Como fazer? A solução é usar filtros.

Filtros são essenciais em astrofoto. Têm por objetivo isolar certas partes do espectro, assim eliminando luz indesejada. Esta luz pode ser tanto proveniente de poluição luminosa quanto dos
próprios objetos celestes
. Um problema que tende a piorar com a tecnologia é da poluição luminosa, tanto por causa da quantidade quanto qualidade. Quanto à quantidade, cada vez é mais difícil encontrar um céu bem escuro; pela qualidade, as lâmpadas de rua antigas eram de sódio e de mercúrio, que emitem luz em frequências bem definidas e facilmente filtráveis. Porém as luzes novas, de LED, possuem espectro bem mais amplo. Uma lâmpada LED branca neutra (3000k) possui um espectro assim, espalhado em todo o espectro visível:

Pra luz de led, pouco se pode fazer. Pra todas as outras, a solução é usar filtros. Veja um gráfico comparativo com o perfil de cor de vários filtros existentes abaixo. Note que todos eles bloqueiam a luz desde o vermelho claro até o verde claro, que é justamente onde se encontra a maioria das luzes de rua, de sódio e mercúrio. Mas comparando com o gráfico da luz de LED acima, vê-se como este é um problema que tende a aumentar à medida que a iluminação de rua for substituída.

Os filtros UHC (Ultra-high contrast) e CLS (Clear light sky), no geral, forecem bom isolamento da luz comum de cidade, permitindo fotografar em lugares moderadamente poluídos. A luminosidade através destes filtros também é razoável, embora eles não filtrem nada da luz de LED nem da Lua, necessitando ser usados na lua nova.

Depois destes, há os filtros multi-espectro, tais como Optolong L-Pro, STC MultiSpectra e Orion 5561. Estes filtros têm vários recortes em faixas de frequência que bloqueiam bastante a luz artificial e boa parte da luz da lua.

https://cdn.shopify.com/s/files/1/0268/2945/5412/products/51E-A_2B82xlL_1200x1200.jpg?v=1571237597

Mas mesmo estes não são muito efetivos quando há, por exemplo, lua cheia. Neste caso, é necessário se selecionar filtros cuja banda de passagem é cada vez mais estreita. Seria o caso do filtro Optolong L-eNhance, ou do que eu uso (que não está no gráfico), um STC Duo-Narrowband. Este é um gráfico que mostra a linha de transmissão do Optolong L-eNhance e STC Duo-Narrowband:

Ambos são filtros muito bons em deixar passar somente frequências específicas citadas no post anterior, referentes ao Hα e O-III, que são grande parte das cores presentes nas nebulosas. Porém, estes filtros não são os mais recomendáveis pra uso em galáxias, cuja luz está espalhada no espectro visível.

Finalmente, pra astrofoto de céu profundo (galáxias e nebulosas), o referencial de tecnologia em filtros está nos filtros tri-band e quad-band: são filtros que bloqueiam toda a luz, com exceção de três ou quatro frequências bem específicas. Estes filtros podem facilmente chegar a preços acima de 1000 dólares, e são maravilhas óticas:

https://www.astrofactors.com/images/color_wavelength.jpg

Existem também os filtros pra fotografia Lunar, Solar e Planetária. No caso da Lua e planetas, os filtros são basicamente os mesmos, e servem pra baixar a velocidade do obturador e aumentar contraste.

Os filtros solares também podem ser bem caros, dependendo da faixa de frequência que passa. Variam de simples filtros ND (recomenda-se filtros de 15 pontos pra cima) a filtros de banda super-estreita, que deixam passar uma banda que varia em somente uns 3 nm – o que é uma faixa extremamente estreita.

felipemendes · Novembro 7, 2021, 8:39am

Estou refazendo uma imagem. Este é um quadro único com 4 minutos (de um total de 90 hoje).

A primeira coisa é que esta imagem é “esticada”. Olhando pro céu, vemos muito pouco dessa imagem, embora ela esteja ali. Esticar a imagem significa tirá-la do canto esquerdo do histograma e espalhar em todo o histograma. Essa é uma operação um tanto radical, que faz uso de cada elétron registrado pelo sensor; mas isso é papo pra outro dia. Por hora, vou dizer que esticar uma imagem significar ver detalhes que não seriam visíveis em uma imagem linear.

Note que a imagem está cheia de defeitos: há na parte de baixo uma mancha escura e há uma mancha mais clara no à direita no alto. A mancha escura é causada por poeira e a mancha clara, por ruído do sensor.

Flat frames são tirados contra um fundo uniforme (pode ser o céo azul no início da manhã, ou pode ser um painel USB de led). Ao se tirar flat frames, de curta duração, somente as manchas de poeira irão aparecer. Note-se que estas exposições são normalmente rápidas (na casa do 1/10 a 1/1000), então somente a mancha de poeira apareceria. Essa imagem, subtraída da imagem final, resultaria em uma imagem “plana”, sem vinhetas ou manchas de poeira.

Por outro lado, ruído do sensor pode ser dividido em dois tipos: ruído de fundo e ruído de leitura. O ruído de leitura vai ser aquele que aparece como estática de TV antiga; nada se pode fazer quanto a ele, além de exposições longas, que tendem a cancelar o ruído. O ruído de fundo é inerente ao sensor. Por exemplo, qualquer sensor Sony IMC294 vai ter um perfil de sensor similar ao mostrado acima, gerando uma perda de contraste à direita, no alto. A boa notícia é que este ruído é bem consistente, sendo fácil de se isolar e subtrair das fotos da imagem dos astros. Esta remoção é feita pelos dark frames, que são feitos com o mesmo ganho (ISO) e tempo que os quadros “de luz”, que contém as imagens das estrelas. A função destes é a mesma: neutralizar efeitos consistentes de ruído do sensor. Mas enquanto os flat frames têm ruído de fundo baixíssimo por causa da curta duração e alto sinal (pois são feitos contra uma fonte luminosa uniforme), os dark frames contém somente ruído do sensor em si.

Ale_Costa1 · Março 11, 2022, 3:01pm

muito bom o artigo, tem bastante informação, Felipe obrigado por compartilhar o seu conhecimento.

felipemendes · Março 11, 2022, 7:10pm

Muito obrigado! Estou estruturando um post mais detalhado sobre edição, mas tenho estado meio sem tempo.

felipemendes · Agosto 31, 2022, 3:20pm

Estou de volta!!! Sigamos adiante.

O foco correto em astrofoto, além de compor uma imagem correta, influencia diretamente no empilhamento: quanto mais precisas estão as estrelas usadas como referência, mas preciso será o empilhamento dos vários quadros que comporão a imagem final.

A maneira mais básica de focalizar a câmera é:

Olhar pelo live view, usar ampliação se disponível.
Encontrar uma estrela brilhante.
Ajustar o foco até que o tamanho da estrela seja o mínimo.

Quando se usa lentes de menor distância focal, isso normalmente já é suficiente. Lentes de maior distância focal são um pouco mais problemáticas, tanto porque a) o foco fica mais difícil de detectar quanto porque b) o acionamento do sistema de foco não é preciso o suficiente próximo ao infinito.

Quanto ao ponto a) acima, a solução mais simples é usar uma
máscara Bathinov.
Este dispositivo recebeu este nome por causa de seu inventor, Pavel Bathinov, em 2005.

A ideia desta máscara é projetar picos de difração pelas diferentes áreas da máscara. Ao usar este dispositivo, é facilmente detectável se o foco está antes do infinito, depois do infinito ou no ponto exato.

No exemplo acima, com um pouco de prática, fica fácil perceber que as fotos da esquerda e da direita estão levemente fora de foco, e a do centro está corretamente focalizada, por causa da posição dos picos de difração.

Note porém que a máscara Bathinov rouba boa parte da luminosidade, o que complica o uso em live view: mesmo com ISO alto, a luz da estrela fica bem fraca, e o ruído torna difícil a detecção das pontas da distorção. Neste caso, tem que usar algumas exposições de poucos segundos pra ajustar o foco com precisão. Claro, uma
montagem equatorial
é essencial neste caso.

E se usássemos processamento digital pra detectar o foco? Afinal, a maioria das câmeras hoje em dia detecta contraste com facilidade, então deve ser fácil detectar estrelas, correto? Não, errado. As estrelas são pequenas demais comparadas com o tamanho do sensor, e o sistema de foco automático tradicional, quando funciona, não é preciso o suficiente.

A solução é usar algoritmos alternativos pra detectar o foco. Os métodos hoje mais comumente usados são o
FWHM (ou Largura à meia-altura)
ou
HFR/HFD
. Ambos métodos medem o tamanho da estrela em pixels e minimizam o tamanho. HFD é mais eficiente em termos de medição que o FWHM, embora ambos funcionem igualmente bem em casos normais. Programas de captura de astrofoto têm recursos de detecção de foco, e até de paralelismo entre o sensor de imagem e o telescópio com base na distribuição de valores de foco pra cada estrela.

O FWHM mede, pelas linhas da imagem, a largura de cada estrela à meia intensidade de seu brilho. Fica mais fácil com uma figurinha:

Cada estrela em uma imagem possui uma intensidade diferente; o FWHM lê a intensidade cada estrela, e ajusta à
uma curva normal
, dentro da mesma linha da imagem. Então, de posse da largura FWHM, podemos mover o foco pra frente e pra trás, até que o FWHM seja o menor possível.

Funciona bem, mas tem um problema: por vezes o sistema ótico tem problemas de alinhamento e de distância entre os elementos, causando distorção das estrelas próximo à borda. No exemplo abaixo, o FWHM daria resultados confusos, pois a ótica não está bem ajustada:

No caso acima, se as estrelas nas bordas da imagem estiverem distorcidas, e as do centro estiverem redondas, o FWHM vai dar problema, pois as linhas da imagem vão atravessar estrelas na diagonal.

Para contornar este problema, usa-se o método HFD (half flux diameter) ou HFR (half flux radius). A ideia é a mesma que do FWHM, mas em duas dimensões, largura e altura. No exemplo abaixo, o software vai tentar minimizar a área cor-de-rosa da imagem.

De posse de um destes valores (FWHM ou HFD), exibidos numa tela, fica bem mais fácil fazer o foco manual de forma precisa.

Mas por que parar por aí? Se temos números quantitativos da qualidade do foco, por que não usar um sistema automatizado pra mover o ponto de foco? E isso é implementado com frequência. Câmeras Canon possuem instruções de foco bem documentadas, e acessíveis externamente à câmera (por exemplo, por um comando via porta USB, é possível mover o foco X pontos à frente ou atrás).

Nem sempre se tem à disposição uma lente com autofoco. Na verdade, na maioria das vezes, não se tem tal luxo. A solução é usar um focador (focalizador, explicado em seguida, significa outra coisa).

O focalizador é um mecanismo que move elementos óticos ao longo do eixo ótico da imagem. Por exemplo, em lentes manuais antigas, o focalizador é um elemento helicoidal (parafuso) que move todo o conjunto ótico pra frente e pra trás. Em telescópios há também focalizadores tipo Crayford, pinhão e cremalheira, além do citado helicoidal.

Ao se acoplar um motor de passo ao focalizador, se obtém um focador, que junto com um computador, pode monitorar tanto o FWHM/HFD quanto outros fatores, tais com o a temperatura ambiente, e compensar o foco de acordo. Ainda pelo computador, cria-se um modelo de equivalência entre posição do focador e FWHM/HFD. Com isso, o sistema consegue interpolar o ponto otimizado de foco do sistema, mesmo que tal ponto não tenha sido analisado em uma amostra (uma imagem) feita com o focador naquela posição.

Veja que na imagem acima, o ponto ótimo de foco é o losango azul, enquanto os pontos analisados pelo algoritmo são as bolinhas cortadas. O ponto onde o losango está é calculado como o ponto inferior da hipérbole gerada pelos HFRs das várias amostras obtidas movendo o focador e tirando fotos.

Finalmente, eu poderia escolher outros modelos para interpolar o ponto ótimo de foco: além da hipérbole (que eu normalmente uso), pode-se usar a parábola ou duas linhas retas que se cruzam. Diferentes métodos dão melhores resultados em diferentes condições.