5 maggio 2020

Ma quindi come si fotografano i pianeti?

Immaginate di aver appena comprato un telescopio, per esempio un 20 cm, e che vogliate scattare una foto a Venere. Siccome siete delle persone previdenti avete comprato l'anello T2 necessario a connettere la vostra reflex al telescopio. Ciò che ottenete, però, è un piccolo budino tremolante e sfocato, senza dettagli. Come si fa quindi a ottenere quella bella falcetta definita che si vede su Stellarium?

Il problema principale è il seeing. La luce proveniente dallo spazio deve attraversare l'atmosfera terrestre prima di essere raccolta dai nostri sensori fotografici o dai nostri occhi. Se questa fosse statica ed omogenea non avremmo grossi problemi, ma ovviamente non è questo il caso reale. L'atmosfera è un continuo divenire di bolle d'aria calde e fredde, moti convettivi, venti, turbolenze e quant'altro. Tutti questi fenomeni modificano il cosiddetto indice di rifrazione dell'atmosfera: esattamente come nelle lenti, una variazione di indice di rifrazione provoca una deviazione del raggio luminoso. Ciò produce una deformazione nelle immagini, che può essere più o meno disastrosa per le osservazioni. Ci sono due modi per eliminare questo disturbo, entrambi molto al di fuori della portata di un astrofilo. il primo è andare nello spazio, come il telescopio Hubble, fuggendo dall'atmosfera. Il secondo metodo è detto ottica adattiva, che consiste nel deformare gli specchi migliaia di volte al secondo in modo da compensare la deformazione indotta dall'atmosfera.

Effetti del seeing su una mia ripresa lunare. Le oscillazioni più
ampie sono causate da folate di vento che muovono il telescopio.
Siccome non disponiamo di milioni di euro dobbiamo arrangiarci in un altro modo. L'idea è molto semplice: se l'atmosfera varia casualmente dovrà pur esserci un momento di calma in cui l'immagine non è molto disturbata! Riprendendo moltissimi fotogrammi al secondo si sfruttano questi brevi momenti di calma per ottenere delle immagini nitide, in una tecnica chiamata lucky imaging, che tra l'altro è sfruttata anche nei grandi osservatori non ancora dotati di ottiche adattive. 

Il segreto per riprendere ottime immagini planetarie è quindi riprendere molti fotogrammi al secondo, con pose sufficientemente brevi (pochi millisecondi) in modo da "congelare" il seeing e riuscire a filtrare dei frame in cui l'atmosfera è immobile. La differenza tra un buon frame e un pessimo frame è enorme! Quando ci si trova al telescopio, quindi, usando software come SharpCap o Firecapture (il primo ha la versione di prova gratuita, il secondo è totalmente gratuito) si deve riprendere un video della durata di qualche minuto in modo da catturare più immagini possibile.



Fare un video e selezionare una singola immagine buona, però, non è il miglior metodo per ottenere una foto planetaria. E' necessaria molta più elaborazione. Il primo passo è mediare molti fotogrammi, chiamato in gergo stacking, per ridurre il rumore della telecamera. Per fare ciò è necessario automatizzare la scrematura dei fotogrammi: un video tipico contiene infatti migliaia o decine di migliaia di frames! Ispezionarli a mano è un grosso attentato alla sanità mentale (anche se ci sono persone che lo fanno). Vengono in nostro soccorso i programmi dedicati. Software come Registax, AutoStakkert3, PIPP, Astrosurface (tutti gratuiti) vengono in nostro soccorso utilizzando degli algoritmi che valutano in maniera affidabile la qualità dei frames. Nel software AutoStakkert3, per esempio, basta inserire il proprio filmato e cliccare sul tasto "analyse", dopo avergli specificato se stiamo riprendendo un pianeta (quindi un oggetto piccolo su sfondo nero) o un dettaglio superficiale del Sole o della Luna. 

Ad analisi completata salterà fuori un grafico che ci permette di valutare la qualità dei frames ripresi. 


La curva grigia ci mostra come varia la qualità dei frames durante il video, quindi possiamo vedere i momenti di calma e i momenti di atmosfera turbolenta. La curva verde invece ci fa vedere quanti sono i frames buoni. Più la curva verde si trova nella parte superiore del grafico, migliore è la qualità della ripresa e maggiore sarà la quantità di frames "buoni" che varrà la pena mediare. Di norma è raro mediare più del 10% dei frames catturati, a meno che la serata non sia proprio perfetta. Solitamente tronco i frames da processare nel momento in cui la qualità scende sotto il 60-70%, corrispondente al 10% dei frames circa. In Autostakkert si può impostare il numero o la percentuale di frames da mediare nei rettangolini rossi/verdi in alto a destra. 



La scritta "stack", però, è ancora grigia! Manca ancora un passaggio importante: il posizionamento degli align points. Il seeing può avere una componente a frequenza più bassa che anziché sfocare l'immagine tende a deformarla, pur lasciando visibili i dettagli fini. Ciò che fanno diversi software è dividere l'immagine in tanti tasselli che di frame in frame vengono allineati come in un puzzle, in modo da ottenere un'immagine finale in cui ogni singolo dettaglio è correttamente allineato. 
Un esempio di come Venere viene deformato dal
seeing pur restando relativamente "a fuoco"
Gli align points vanno posizionati in punti "strategici" dell'immagine, per permettere al software di orientarsi ed essere in grado di completare il puzzle di cui sopra frame dopo frame. Autostakkert permette di scegliere le dimensioni degli align points. Questi non vanno impostati né troppo piccoli, né troppo grandi. Se fossero troppo piccoli Autostakkert non riuscirebbe a capire a quale parte dell'immagine appartengono, mentre se fossero troppo grandi l'immagine si deformerebbe all'interno dello stesso align point, rendendo inutile questo procedimento. 

Stesso venere di prima, ma con gli Align Points


Impostate le giuste dimensioni di align points è possibile posizionarli manualmente oppure automaticamente cliccando su "Place AP grid". Funziona quasi sempre, ma in alcune mie riprese ho ottenuto risultati migliori posizionandoli manualmente, quindi vale la pena fare un po' di tentativi.  AS3 permette anche di posizionare align points di dimensioni variabili, cosa che ho trovato molto utile nelle riprese lunari. Posizionata la griglia di align points, finalmente, possiamo premere su stack! Ci vorrà qualche minuto, e questo tempo dipenderà ovviamente dal numero di frames sommati e la risoluzione del video.


L'immagine in formato .tiff ottenuta sarà, almeno a prima vista, un po' sfocata. Per estrarre i dettagli presenti nell'immagine bisogna infatti usare Registax 6, in particolare la funzione Wavelets. I wavelet sono un arcano concetto matematico applicato all'elaborazione delle immagini. L'idea è "affettare" l'immagine in diversi livelli, divisi in base a quanto sono grandi i dettagli. Dopodiché si aumenta il contrasto (ovvero schiarisco le luci e scurisco le ombre) solo sul livello di dettagli che ci interessa. Nella schermata di Registax infatti si può vedere ogni wavelet (da 1 a 6, solitamente) che scala di dettagli va a modificare. Non c'è una regola scritta su come usare i wavelets: dipende molto dall'oggetto che si sta fotografando e dalla qualità dell'immagine. Solo una cosa è certa: i wavelets non fanno miracoli! La ripresa di partenza deve essere a fuoco e il seeing decente per ottenere buoni risultati. 

La schermata dei wavelet di Registax. Spostando lo slider si può decidere
quanto aumentare la nitidezza su un certo livello di dettaglio. 
Di seguito ecco gli effetti dei wavelets sui crateri Plato e Tycho. Il miglioramento è enorme!

Plato (wavelet applicati sulla parte destra)


Tycho (wavelet applicati sulla parte destra)

Naturalmente è necessaria un po' di pratica per ottenere buoni risultati: negli ultimi due mesi, dall'inizio del lock-down, ho accumulato circa 20 serate di riprese lunari. Ho quindi avuto modo di giocare parecchio con le impostazioni sia in fase di ripresa che di elaborazione. Prima o poi vi dirò qualche trucchetto, ma quelli sono più specifici a seconda dell'oggetto ripreso, quindi stonano un po' su un post introduttivo come questo.

Ammetto di essere stato un po' tecnico, ma spero di avervi dato almeno un'idea di come funziona il mondo delle riprese planetarie ad alta risoluzione. Non sono il massimo esperto mondiale in questo campo, dato che lo sto approfondendo seriamente da nemmeno due mesi, ma spero vivamente di poter incuriosire qualcuno e spingerlo a comprare una telecamerina planetaria! 


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