Frame di calibrazione nella pratica: usare bene light, dark, flat e bias

La pre-elaborazione è una parte importantissima e di solito vi dedico molto tempo. A parte la routine di calibrazione stessa, gestisco manualmente la maggior parte dei passaggi per assicurarmi che ogni anello della catena sia corretto: così, non appena qualcosa va storto, riesco a risalire in fretta alla causa. E i frame di calibrazione sono proprio le fondamenta della pre-elaborazione. In questo articolo raccolgo le insidie in cui sono incappato in questi anni con i frame di calibrazione e la comprensione pratica che ho via via accumulato.

Light, dark, flat, bias e flat dark: prima distinguerli bene

I quattro grandi frame di calibrazione dell’astrofotografia sono il light, il dark, il flat e il bias, a cui si aggiunge il flat dark (il dark dei flat). È il concetto più elementare di tutti, eppure il numero di persone che sa rispondere con chiarezza a «descrivi brevemente la differenza tra light, dark, flat, bias e flat dark» è inferiore a quanto si potrebbe pensare: molti si limitano a memorizzare i nomi, e questo non equivale a capire che cosa fa ciascuno di essi.

L’immagine qui sopra è una spiegazione che cito da RBA; copre light, dark, bias e flat, oltre a come appaiono questi frame di calibrazione in condizioni normali. Il flat dark, come già detto, non è altro che il dark dei flat: basta applicargli lo stesso ragionamento dei dark. Ciò che conviene davvero ricordare è quale classe di difetti spetta a ciascuno di eliminare: i dark si occupano del rumore termico e della corrente di buio, i flat della vignettatura agli angoli e delle ombre di polvere, e i bias dell’offset di lettura.

I flat: il frame con più cose da imparare

Fra i quattro frame di calibrazione, il flat è probabilmente quello che più facilmente dà problemi, e anche quello con più cose da imparare.

I donut e le ostruzioni nei flat

Se in PixInsight utilizza la ScreenTransferFunction (STF) per applicare uno stretch a schermo e ispezionare un flat, noterà che è sempre pieno di «donut» ad anello: si tratta fondamentalmente di polvere lungo il cammino ottico; allo stesso tempo vedrà il fenomeno della vignettatura e, se utilizza un OAG, vedrà anche l’ombra dell’ostruzione dell’OAG.

Proprio per questo: non appena cambia qualcosa nel sistema ottico—smontaggio e rimontaggio, regolazione dell’inquadratura, persino la regolazione di una maschera dell’obiettivo—è necessario riprendere i flat. Altrimenti le posizioni dei donut o delle ombre di ostruzione non coincidono più con le zone ostruite sui light, la calibrazione naturalmente non può riuscire e, anzi, genera ogni sorta di strani artefatti dopo la calibrazione.

Come scegliere il tempo di esposizione: una prova pratica

Quanto va esposto un flat? Ho fatto una prova pratica. L’attrezzatura era un newtoniano da 8 pollici (modificato) con una ASI 2600MC. Alla stessa temperatura ho ripreso flat—e i relativi flat dark—da 10ms, 1s, 5s e 10s e, dopo averli calibrati, li ho controllati a occhio: il set da 5s era il migliore, mentre sia a 10ms sia a 10s i bordi si schiarivano. Ho poi diviso il flat da 5s per i flat delle altre durate per confrontarli: il set da 1s dev’essere venuto male, perché dividendolo risultava tutto troppo scuro; quello da 10ms mostrava una differenza che andava dall’angolo in alto a sinistra verso il basso a destra; la differenza di quello da 10s era molto piccola. I flat calibrati di tutte le durate si collocavano nell’istogramma pressappoco nella stessa posizione, leggermente a sinistra del centro, senza che venisse tagliata alcuna informazione, il che indica che le impostazioni di ripresa erano corrette.

La conclusione: lasciando da parte le altre variabili, questo sistema rende al meglio con flat da 5s, e anche 10s va molto bene, solo che richiede più tempo. Va ricordato che questa «durata ottimale» è il risultato di un sistema specifico; cambiando attrezzatura, occorre rimisurare da capo.

Pannello luminoso o flat da cielo?

Solo se l’apertura del telescopio è troppo grande prenderei in considerazione i flat da cielo. I flat da cielo hanno parecchi problemi: la controllabilità è peggiore sia per le stelle (nei flat da cielo compaiono spesso stelle luminose) sia per la luminosità (ogni frame viene con una luminosità diversa). Oggi, con i LED regolabili così diffusi, per i telescopi al di sotto dei 25 cm un pannello luminoso è il modo più semplice per riprendere i flat: si possono riprendere ovunque e, se uno viene male, rifarlo all’istante, quindi non c’è davvero scusa per non fare i flat. Se proprio deve usare il cielo, io userei una lastra di plastica bianco latte anziché una maglietta bianca. Quanto al numero di flat, da 5 a 10 bastano più o meno; il punto non è la quantità, ma riprenderli correttamente.

Quanto al modo di regolare l’intensità del pannello, ho fatto delle prove anche su questo: ho confrontato flat da 1s ripresi con regolazione PWM (che sfarfalla) con flat da 4s ripresi aggiungendo una lastra a densità neutra. Sebbene nel frame da 1s le bande del PWM fossero chiaramente visibili, dopo l’integrazione le bande sparivano e, dividendo per il master flat da 4s, il risultato veniva bianco, il che significa che non c’era quasi differenza. Quindi la regolazione PWM è praticabile (la regolazione in tensione, che non sfarfalla, è naturalmente l’ideale); per risparmiare tempo, riprendere solo flat da 1s—e anche i flat dark solo da 1s—sembra bastare.

CMOS raffreddate: calibri i flat con i flat dark, per favore

Questo punto merita un’enfasi particolare: se utilizza una fotocamera CMOS raffreddata, calibri i flat con la corrente di buio dei flat (il dark dei flat), non con i bias. Con i bias di solito non si riescono a calibrare correttamente i flat, e se i flat non vengono calibrati correttamente, alla fine la calibrazione dei light fallirà. Il risultato più comune di flat mal calibrati è una sovracorrezione quando si passa a calibrare i light, con i quattro angoli che si schiariscono.

La trappola di visualizzazione dei flat con DSLR

Se riprende i flat con una DSLR (soprattutto Nikon), potrebbe prendersi uno spavento: pur apparendo luminosi sulla fotocamera o in Photoshop, in PixInsight sono completamente neri.

Il motivo è che dati a 14 bit sono contenuti in un contenitore di file a 16 bit, per cui, affinché vengano visualizzati correttamente, il primo passo è usare lo strumento Histogram per portare il punto bianco a 0.25. Si tratta di un problema puramente di visualizzazione, che non influisce sui dati stessi. (Ho registrato un video di operazioni prendendo come esempio una Nikon D810 Astro mod, in cui mostro l’intera procedura.)

I dark: scadono, si ricordi di rinnovarli

I dark non sono qualcosa che si riprende una volta e si usa per sempre. Una volta un compagno di hobby aveva calibrato con gli stessi vecchi dark e i risultati non erano buoni; chiedendogli, è saltato fuori che i dark erano stati ripresi a inizio anno, il che conferma ancora una volta che i dark vanno rinnovati periodicamente: uno stesso lotto andrebbe ripreso di nuovo dopo circa tre mesi. Se a ogni calibrazione compare qualche piccolo problema, può controllare se i valori di luminosità dei pixel dei vecchi e dei nuovi dark sono simili, e da ciò giudicare se i dark siano invecchiati.

Vale la pena conoscere anche i dark di diverse durate di esposizione. Ho visto una serie di master dark di una QHY 268C (Sony IMX 571) che andavano da 0 a 600 secondi, e il valore di fondo non cambiava quasi per nulla a prescindere dalla durata (tutti attorno a 0,0075); la differenza percepibile era che la luminosità dei pixel caldi (hot pixel) aumentava con la durata. Da qui si ricava una conclusione pratica: se tratta i pixel caldi separatamente (per esempio con Cosmetic Correction), allora, anche se si ritrova con dei dark la cui durata non corrisponde a quella dei suoi light, può comunque usarli per calibrare i light.

A proposito, nei miei primi anni, quando studiavo i frame di calibrazione, ci ho rimesso per un problema di dark: dopo calibrazione, registrazione e integrazione ho notato segni di sovracorrezione o di correzione insufficiente del flat, ho rifatto da capo l’intero master flat e solo alla fine di tutto mi sono accorto che il problema era in realtà nei dark.

Una lezione classica: un bias venuto male manda a monte l’intera integrazione

Per finire, un caso che mi ha lasciato una profonda impressione. Un set di dati la cui integrazione falliva senz’altro (in PixInsight) o veniva errata (in Astro Pixel Processor); risalendo all’origine, il colpevole era un frame di bias (Bias) venuto male.

È stata anche la prima volta che mi sono imbattuto in un bias venuto male capace di far crollare un’intera integrazione. Perciò lo ripeto ancora una volta: con le CMOS raffreddate calibri i flat con i flat dark, non con i bias. E un flat non calibrato è fondamentalmente uno scatto sprecato: non fa che creare più problemi nell’immagine calibrata. Prima si riprendono correttamente i frame di calibrazione; solo allora c’è dell’altro di cui parlare.