La Teoría
o Como crear mejores imágenes

¿Porqué combinar?
¿Cuántos archivos de imagen?
Calibración: como usar archivos de imagen dark, flat y bias

¿Cuál velocidad ISO?


Debajo usted encontrará alguna información sencilla, aunque nada puede reemplazar a la experiencia.
Algunos expertos han decidido crear una publicación libre, dedicada a la astrofotografía, la cual está llena de valioso, y a menudo duramente conseguido, conocimiento.

Algunos temas ya publicados incluyen Comprensión de ruido en imágenes, Discusión acerca del Drizzle -método de reconstrucción de imágenes-, Guiando el trabajo con imágenes y varios más.

Nota: No estoy de ninguna manera relacionado con esta publicación ni con ninguno de los avisos publicitarios que usted puede encontrar en ella. Solamente coloco este banner debido a que en la actualidad la publicación es libre y contiene mucha información útil.


Porqué combinar?
La respuesta es simple: solo para incrementar la Relación Señal/Ruido (RSR -del ingles "SNR": Signal to Noise Ratio-).

La imagen resultante es más luminosa? No.
La imagen resultante es más colorida? No.

El objetivo de combinar varias imágenes en una sola es incrementar la RSR. Las imágenes resultantes no son ni más luminosas ni más coloridas, pero contienen mucho menos ruido, lo que
permite estrechar bastante el histograma, lo que da mayor libertad para obtener colores y detalles.

El ejemplo de la derecha muestra la imagen resultante de apilar 1, 2, 4, 16 y 32 imágenes.

No se ha realizado calibración y algunos hot pixels son visibles en algunos casos (no hay
archivos de imagen dark ni adecuación del bias, y tampoco se realizó una flat division).

Moviendo el mouse sobre el texto se observa el resultado del apilamiento para
   1 imagen
   2 imágenes
   4 imágenes
   16 imágenes
   32 imágenes

Puede observar que la imagen resultante no es más luminosa ni más colorida cuando el número de cuadros apilados se incrementa, pero sí es más nítida.


Un solo archivo de imagen


¿Cuántos archivos de imagen?
Más, es mejor, pero por debajo de un umbral es menos eficiente.

La relación señal/ruido se incrementa con la raíz cuadrada de la cantidad de cuadros combinados sin importar el tiempo de exposición de cada uno de los cuadros.
Esto es cierto para todos los métodos de combinación (promedios, medios, recorte de kappa-sigma, promedio ponderado,...) excepto para los promedios ponderados de entropía, ya que este método utiliza la entropía para sopesar cada píxel y así se incrementa el ruido, que es un gran contribuyente de entropía.

Esto significa que si su base de RSR es 1, cuando combina 10 imágenes la RSR se incrementa por 3,16 (raíz cuadrada de 10). Para 30 imágenes es 5,47, para 50 imágenes es 7,07, para 100 imágenes es 10, y para 300 imágenes es 17,32.

Como puede observar, para conseguir una relación de 7, son necesarios 50 cuadros entre 1 y 50, pero 200 cuadros son necesarios debajo de 100.

100 x 1 minuto y 10 x 10 minutos dan el mismo resultado?

Si, considerando la RSR pero definitivamente No cuando consideramos el resultado final.
La diferencia entre una exposición de 10 minutos y una exposición de 1 minuto está dada por que la RSR en la exposición de 10 minutos es 3,16, veces mayor que en la exposición de 1 minuto.

Así tendrá la misma RSR si combina 10 imágenes de 10 minutos, o 100 imágenes de 1 minuto. De todas formas probablemente no obtenga la misma señal (que es la parte interesante). Simplemente coloque una imagen si la exposición es lo suficientemente larga como para captar algunos fotones en la mayoría de las imágenes, que no se consideren como ruido.

Por ejemplo, para una nebulosa tenue puede tener unos pocos fotones cada 10 minutos. Si está usando exposiciones de 10 minutos, habrá capturado fotones en cada una de sus imágenes, y al combinarlas, la señal será fuerte. Si está usando exposiciones de 1 minuto, habrá capturado fotones solo en alguna de sus imágenes, y al combinarlas, los fotones serán considerados como ruido ya que no se encuentran en la mayoría de las imágenes.

¿Puedo combinar dos (o más) imágenes resultantes?
Absolutamente si, pero la regla de la raíz cuadrada se aplica con una pequeña modificación.

Cuando se combinan dos imágenes la RSR se incrementa en 1,414 (raíz cuadrada de 2).
Si ambas imágenes tiene la misma RSR entonces es la misma que haciendo un apilamiento simple. Esto no significa que la combinación esté dando la misma imagen, solamente tienen la misma RSR.

Sin embargo si una de las imágenes apiladas contiene más imágenes que la otra, las RSRs de las resultantes serán diferentes, y la RSR de la combinación será menor que la RSR del apilamiento de todas las imágenes originales.

Así, combinando el resultado del apilamiento de 10 imágenes de 1 minuto con una única imagen de 1 minuto, la RSR es aproximadamente la misma que la obtenida por la combinación de 2 imágenes. Esto se debe al hecho de que al combinar dos imágenes, y debido a que el ruido es aditivo, la mejor imagen es dañada por la peor de ellas durante el proceso.


Calibración: como usar archivos de imagendark, flat y bias
La calibración es el proceso que consiste en sustraer las señales de  bias y dark, y dividirlos por la señal plana.
La intención aquí no es explicar como tomar estas imágenes (mirar aquí) sino entender bien como usarlas para obtener las mejores imágenes posibles.

Una buena idea
Todos dicen que se deben tomar
archivos de imagen dark, bias y flat para crear imágenes excelentes, pero si lo hace de manera equivocada, pude fácilmente dañar buenos archivos de imagen light, terminando con resultados desalentadores.

La buena noticia es que realmente fácil obtener buenos resultados. Acá están el porque y el como.

Un error de interpretación común
Es un error de interpretación común pensar que el número de
archivos de imagen dark, bias y flat está relacionado con el número de archivos de imagen light.
Mucha gente usa unos pocos (incluso a veces uno solo)
archivos de imagen dark, bias y flat mientras podrían tener muchos mejores resultados utilizando a gran número de archivos de imagen dark, bias y flat con el mismo número de archivos de imagen light.

Siguiendo la regla de la raíz cuadrada obtendrá resultados mucho más nítidos si utiliza bastantes
archivos de imagen para crearlos. Recuerde que está usted tratando de remover las señales de dark y bias, y no el ruido que viene con ellas.

Por ejemplo cuando sustraer el dark principal de cada uno de los archivos de imagen light, está añadiendo el ruido del dark principal al ruido del archivo de imagen light. Cuanto menor es el ruido del dark principal, menor ruido añadirá al archivo de imagen light. Esto también se cumple para el bias y el flat principal.

De hecho utilizando solo un pequeño número de cuadros para la creación de la imagen principal, puede fácilmente triplicar el ruido del archivos de imagen light calibrado ( archivos de imagen dark y bias sustraídos, y dividido por el archivo de imagen flat) comparado con el ruido del archivo de imagen light previo a la calibración.

Necesitará entonces 9 veces más (3 al cuadrado) archivos de imagen light para restituir el ruido al nivel que podría tener usando imágenes principales libres de ruido.

El ejemplo de la derecha muestra el resultado de apilar (coloque el mouse sobre el texto para visualizar la imagen)

32 archivos de imagen light (sin calibración)

32 archivos de imagen light (calibración con 2 darks, 2 flats y 2 biases)

32 archivos de imagen light (calibración con 20 darks, 20 flats y 20 biases)

Como puede observar, incrementando el número de
archivos de imagen dark, bias y flat se mejora la imagen resultante haciendo más visibles ciertos detalles.


Apilado de 32 archivos de imagen light (sin calibración)

Esta es la razón por la cual usted debe usar la mayor cantidad de archivos de imagen dark/bias/flat que le sea  posible. En la práctica, 20 cuadros es un mínimo si desea no adicionar demasiado ruido, y de 50 a 100 le darán a usted muy buenos resultados, y (casi con seguridad) imágenes libres de ruidos.

Una mención aparte para los Hot pixels
Se llama Hot pixels a los píxeles que no se comportan de manera corriente. Tiene una señal muy fuerte que es visible en cada
archivo de imagen dark y light.

Por supuesto que cuando sustraen un
archivo de imagen dark un archivo de imagen light, se removerán los hot pixeles que le dan la falsa impresión de que la sustracción hizo su trabajo. De todas maneras, al mismo tiempo la sustracción duplica el ruido de los archivos de imagen light calibrados y lo estropea todo completamente.


¿Que es la velocidad ISO?
La pregunta es bastante común y la respuesta es simple: no importa.

De hecho la velocidad ISO es solamente un seteo en las cámaras DSLR, pero como el chip CMOS o CCD es el mismo (usted no lo cambia cuando cambia la velocidad ISO, o si?) entonces el resultado es realmente el mismo.
Esto no se debe a que usted utiliza una velocidad ISO alta y capta más fotones, es solamente porque la señal es más amplificada (el ruido y todo lo demás).

La buena noticia es que no necesita ajustar la velocidad ISO para intentar capturar objetivos más débiles, sino que necesita tomar exposiciones más largas.

Por supuesto que es un poquito más complicado que esto, ya que cada cámara DSLR tiene su velocidad ISO con mejor perfomance.
De todas formas, depende de las características de cada chip de sensor (ruido de lectura y electrónico) y no es simple de calcular.
Christian Buil ha computado los valores para unas pocas cámaras Canon DSLRs.

DSLR Velocidad ISO recomendada (Optima)
Canon EOS 10D    400    (290)
Canon EOS 20D 1000  (1000)
Canon EOS 350D 800    (900)
Canon EOS 5D 1000  (1100)