L'elaborazione

Da Sezione Pianeti UAI.

Indice

Introduzione: a cosa serve veramente l'elaborazione?

Osservando una sequenza di immagini grezze, si nota che ognuna di esse è leggermente diversa dall'altra, a causa di vari fattori: il rumore elettronico e la turbolenza atmosferica in primo luogo. Il rumore può essere fortemente abbattuto sommando molti fotogrammi. La turbolenza può essere almeno parzialmente compensata facendo coincidere accuratamente la posizione del disco del pianeta prima di effettuare la somma suddetta. Infatti, il primo effetto della turbolenza è proprio quello di uno spostamento casuale dell'immagine, che sembra "danzare" rapidamente intorno ad una posizione intermedia. L'operazione sopra descritta non modifica in alcun modo il contenuto di informazione delle immagini, ma permette opportunamente di estrarlo: si tratta di una "ricostruzione".

A questo punto, una serie di operazioni permette di ottenere un miglioramento dei dettagli, rendendo l'immagine più nitida. Questa fase, che potremmo dire di "esaltazione", è la più delicata, poiché può far emergere dettagli spuri, in particolare tramite la creazione di doppi bordi intorno alle regioni più contrastate, o facendo emergere il rumore residuo. Inoltre, con questa operazione non si conserva, in generale, l'informazione sulla luminosità relativa delle varie regioni del pianeta. Un'elaborazione esteticamente riuscita e "utile" non deve snaturare l'aspetto dell'immagine.

Quando si dispone di riprese effettuate con filtri diversi, è poi possibile comporre immagini a colori, allineando con cura i canali corrispondenti a colori diversi. Il bilanciamento cromatico è una fase delicata, nella quale non si deve dimenticare l'aspetto del pianeta all'osservazione visuale.

Lo scopo finale è quello di restituire un'immagine il più possibile misurabile (che mostra il bordo del pianeta e molti dettagli) senza cercare forzature: non si può ottenere un risultato eccellente se le immagini grezze sono cattive. Anzi, cercare di farlo potrebbe rendere inutilizzabile un'immagine altrimenti utile.

I programmi

Fra i programmi di elaborazione più popolari, scaricabili gratuitamente dal web, troviamo Registax e IRIS; il primo è meno versatile, ma presenta un'interfaccia più "amichevole" per l'utente. Il secondo consente di avere il pieno controllo delle operazioni svolte, e pur essendo più complesso al primo approccio, consente di creare degli script per automatizzare le operazioni.

Gli osservatori trovano più conveniente l'uno o l'altro in base a esperienza, esigenze e gusti personali. Esistono poi software potenti ma non gratuiti (Maxim DL) che, se dispongono di funzioni complesse e interessanti per tutti i settori dell'astronomia, nulla aggiungono ai risultati ottenibili. Per rifinire le elaborazioni, si possono usare generici programmi per fotografia (Adobe Photoshop).

La procedura di ricostruzione

Una volta acquisito il filmato del pianeta (AVI file), la prima operazione da fare è l'allineamento dei frame, che i programmi eseguono in automatico una volta selezionato uno dei frame migliori e, al suo interno, una "finestra" comprendente il pianeta o parte di esso. Il programma trova la migliore corrispondenza fra i frame, posto che il pianeta si sposta lievemente per dell'ondeggiamento del seeing e/o imperfezioni nell'inseguimento orario. Più ampia la finestra, più lento gira il programma, ma migliore è la corrispondenza. Alla fine, esso è presenta di solito i frame in ordine di qualità, per cui è facile decidere quanti sceglierne per l'ulteriore elaborazione, rigettando i meno nitidi. Se le condizioni del cielo sono state favorevoli, quasi tutti i frame sono utilizzabili, altrimenti conviene selezionarne il 50% o meno, a seconda dei casi, tenendo presente che per ridurre il "rumore" dovuto all'elettronica e al seeing conviene avere come minimo un centinaio di frame.

A questo punto il programma può sommare l'uno sull'altro i frame selezionati (stacking), producendo un'immagine grezza (raw image), che può apparire poco dettagliata, ma contiene tutte le informazioni del segnale in grado di essere evidenziate dal trattamento successivo. Per chi vuol fare fotometria, la raw image va usata senza ulteriori manipolazioni, in quanto è l'ultimo stadio nel quale si conservano rigorosamente i rapporti fotometrici del soggetto ripreso. Un'eccezione può essere fatta, con le opportune cautele, se si usano algoritmi di ricostruzione conservativi (vedi oltre).

Si noti che, poichè i tempi di posa sono molto brevi, il rumore termico dovuto agli elettroni prodotti nel sensore CCD (che sia accumulano col tempo) è ininfluente nel caso delle riprese planetarie. Non serve, quindi, sottrarre il "dark frame" come nelle riprese a lunga posa. Tenendo il pianeta al centro del campo e curando l'assenza di polveri sul CCD, si può anche evitare il "flat field" che normalmente si usa per normalizzare la risposta fotometrica e annullare l'effetto dei granelli di polvere.

L'esaltazione del dettaglio

Il passo successivo è costituito dall'applicazione di algoritmi matematici di esaltazione del dettaglio, in grado di estrarre l'informazione semi-nascosta nell'immagine grezza, rendendola nitida.

Nell'elaborazione va tenuto presente l'aspetto visuale del pianeta, al quale si deve tendere; qui si vede l'utilità di possedere una solida esperienza visuale. Ogni algoritmo matematico produce inevitabilmente artefatti, sui quali deve essere esercitato un vigile controllo. Ad esempio, è facile produrre aloni chiari attorno a macchie scure, o viceversa. Non di rado si producono dettagli del tutto artificiali, che possono assomigliare a quelli veri. Un effetto deleterio per le misure posizionali è la tendenza degli algoritmi di convoluzione a "mangiare" progressivamente il bordo del pianeta. Per questa e altre ragioni, è opportuno che l'elaborazione sia il più possibile "leggera".

Si noti che esistono due grandi famiglie tra gli algoritmi di elaborazione: i "conservativi" e i "non-conservativi". Premesso che la maggior parte di quelli utilizzati dagli astrofili rientrano nella seconda categoria, vale la pena specificare che la distinzione si gioca sulla capacità o meno della procedura adottata di "conservare" l'informazione fotometrica. In altre parole, un algoritmo di elaborazione conservativo preserva inalterata (almeno in teoria) la luminosità relativa delle varie parti dell'immagine. Ciò è molto utile per effettuare analisi serie (p.es.: profili di intensità) su immagini nelle quali il dettaglio ha subito una procedura di esaltazione.

Algoritmi conservativi

Rientrano in questa categoria le procedure di deconvoluzione basate su algoritmi detti "di massima entropia" o "Richardson-Lucy".

Essi si basano sulla conoscenza della "funzione di risposta" del sistema, che si ottiene dalla ripresa (contemporanea) di un'immagine stellare insieme al pianeta. Talvolta la ripresa contemporanea non è possibile, ma risultati soddisfacenti sono stati ottenuti con immagini di stelle riprese immediatamente prima o dopo, in invariate condizioni di cielo, tempi di posa, ecc.

Questi algoritmi sono delle procedure iterative che, se i parametri sono impostati correttamente, convergono dopo 10-20 iterazioni ad un'immagine che non presenta artefatti. Non è sempre facile, in ogni caso, soddisfare questa condizione.

Il metodo ha dato risultati eccellenti anche sulle immagini webcam. Anche se è disponibile nella maggior parte dei programmi più diffusi (MaxIM, Iris...) esso resta comunque di utilizzo un po' più complesso dei metodi non conservativi, a causa della necessità di disporre dell'immagine stellare aggiuntiva appropriata.

Algoritmi non conservativi

Sono i più utilizzati per la loro semplicità, anche se richiedono vari tentativi prima di essere padroneggiati.

Si possono usare l'"unsharp masking", la "wavelet analysis" o altro; per attutire il rumore fine, si può applicare un "Gaussian blur". In ciascun caso vanno impostati parametri che dosano l'elaborazione in base all'immagine da trattare. In questo campo vengono richiesti molta esperienza e intuito, e ci vogliono di solito parecchi tentativi prima di trovare la giusta "ricetta".

La rifinitura

Il risultato può venire rifinito con altri programmi di fotografia per produrre un effetto realistico ed esteticamente piacevole, bilanciando i colori, la luminosità e il contrasto.

E' possibile ridurre l'effetto della rifrazione differenziale dei colori, tanto più fastidiosa col calare dell'altezza del pianeta sull'orizzonte. L'effetto si compensa traslando lievemente fra loro i canali blu, verde e rosso dell'immagine, fino ad trovare la migliore registrazione. Nelle versioni correnti dei software di elaborazione, questa operazione si esegue senza difficoltà.

Infine, non bisogna dimenticare la calibrazione di luminosità, contrasto e soprattutto colore del monitor del PC. A volte quello che sembra un buon bilanciamento sul monitor del portatile, normalmente usato sul campo di osservazione, si rivela inadeguato quando la stessa immagine viene visualizzata sul monitor del PC di casa.

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