Dark, flat e bias: cosa correggono davvero

Ogni tutorial di astrofotografia ti dice di scattare dark, flat e bias. Quasi nessuno ti dice cosa rimuove ciascuno, il che significa che la maggior parte delle persone o li scatta tutti e tre per superstizione o li salta tutti e tre per confusione. Entrambi sono errori, e non sono ugualmente gravi: uno dei tre conta molto più degli altri due, e non è quello da cui i principianti di solito partono.

Ecco cosa fa davvero ogni frame.

Il tuo sensore mente in tre modi diversi

Un sensore non riporta la luce che gli è caduta sopra. Riporta la luce che gli è caduta sopra più una serie di errori, e ogni frame di calibrazione prende di mira un errore specifico.

Aggiunge calore. Ogni pixel accumula carica dall’energia termica anche nel buio totale, e lo fa a un ritmo che raddoppia all’incirca ogni 6-7 °C. Su un’esposizione di 300 secondi questo si somma in un segnale reale che non ha niente a che fare con il cielo. Peggio, il ritmo varia da pixel a pixel: alcuni pixel sono molto più caldi dei vicini, ed è da lì che vengono quei puntini colorati.

Vignetta e raccoglie polvere. La tua ottica porta più luce al centro del frame che agli angoli, di solito del 20-40 %. La polvere sulla finestra del sensore o sul filtro proietta ciambelle grigie sfumate. Nessuna delle due è nel cielo, ma entrambe sono in ogni frame.

Ha un offset. La fotocamera aggiunge un piedistallo fisso a ogni lettura così che il rumore non venga mai tagliato a zero. Nemmeno quel piedistallo è perfettamente uniforme: contiene pattern deboli.

I dark correggono il primo. I flat il secondo. I bias il terzo.

I flat sono quelli che contano

Se scatti un solo tipo di frame di calibrazione, scatta i flat. È il contrario di quello che fa la maggior parte delle persone, ed è il singolo guadagno di qualità più grande disponibile a un principiante.

Il motivo è che vignettatura e ombre di polvere sono moltiplicative e grandi. Una caduta del 30 % agli angoli non scurisce soltanto gli angoli: sopravvive allo stiramento, e lo stiramento la amplifica. Quando tiri fuori nebulosità deboli dal fondo, tiri fuori anche la vignettatura, e ti ritrovi con una macchia luminosa al centro del frame che nessuna rimozione di gradiente corregge del tutto. Le ciambelle di polvere fanno lo stesso: appaiono come anelli scuri sfumati proprio dove stai cercando di vedere segnale debole.

I dark, invece, affrontano qualcosa che lo stacking gestisce già in parte. Fai la media di abbastanza frame e il rumore termico casuale scende come la radice quadrata del numero. I pixel caldi non si mediano via, ma possono essere trattati statisticamente, e ci torno.

I flat sono anche i più facili da scattare e i meno esigenti in termini di cielo sereno. Non ti serve il buio. Punta il telescopio su una superficie illuminata uniformemente - il cielo del crepuscolo, una maglietta bianca sull’apertura con una lampada dietro, un tablet con uno schermo bianco - ed esponi in modo che l’istogramma stia tra un terzo e metà del fondo scala. Venti-trenta frame sono più che sufficienti.

La regola critica: i flat devono essere scattati con lo stesso fuoco, la stessa rotazione e la stessa configurazione ottica dei light. Se rifai il fuoco o ruoti la fotocamera, la polvere si sposta rispetto al frame e i tuoi flat sono peggio che inutili: stamperanno ciambelle nei posti sbagliati. Scattali alla fine della sessione prima di toccare qualsiasi cosa.

I dark: utili, ma sopravvalutati per esposizioni brevi

Un dark è un’esposizione con l’otturatore chiuso, alla stessa durata, temperatura e guadagno dei tuoi light. Sottrailo, e rimuovi sia il segnale termico medio sia il pattern fisso di quali pixel sono più caldi degli altri.

Due condizioni rendono i dark davvero preziosi:

• Esposizioni lunghe. A 300 secondi il contributo termico è sostanziale. A 10 secondi - che è quello che scatta un Seestar o un Dwarf - è spesso sotto il rumore di lettura, e sottrarlo ti compra molto poco.
• Una fotocamera raffreddata. I dark funzionano solo se la temperatura corrisponde. Una camera astronomica dedicata a −10 °C produce dark ripetibili che puoi riutilizzare per mesi. Una reflex che ha iniziato la notte a 18 °C e finito a 4 °C no: il dark scattato alla fine non descrive il frame scattato all’inizio.

Quest’ultimo punto è quello che inganna le persone. La corrente di buio di una reflex non raffreddata cambia durante la notte man mano che la fotocamera si raffredda. Sottrarre un dark non corrispondente può aggiungere rumore invece di rimuoverlo, perché stai sottraendo un frame rumoroso da un altro e il segnale termico non si cancella nemmeno correttamente.

Se scatti con una fotocamera non raffreddata in sub brevi, è del tutto ragionevole saltare i dark. Non sei pigro: stai rinunciando a una correzione che non si applica in modo pulito ai tuoi dati.

I bias: quelli che di solito puoi ignorare

Un bias è l’esposizione più breve che la tua fotocamera può fare, con l’otturatore chiuso. Cattura l’offset elettronico e nient’altro.

I bias contano quando scali i dark: quando usi un dark di libreria scattato a una durata diversa e lo aggiusti matematicamente. Questo richiede di separare l’offset fisso dal segnale termico dipendente dal tempo, ed è quello che ti dà il bias.

Se scatti dark corrispondenti alla stessa durata dei tuoi light, il bias è già dentro il dark, e sottrarre il dark sottrae il bias con lui. Scattare bias a parte non aggiunge nulla.

I bias sono economici - un centinaio richiede meno di un minuto - quindi non c’è un argomento forte contro l’averli. Ma se sei al freddo a chiederti se ne vale la pena, questo è quello da saltare.

E i pixel caldi?

Qui il consiglio standard fallisce in silenzio. I dark rimuovono i pixel caldi che il tuo sensore produce prevedibilmente. Non rimuovono gli impatti di raggi cosmici, che cadono in un frame a caso, e non fanno niente per il grandissimo numero di persone che non scattano mai dark.

I pixel caldi vanno presi sul serio perché lo stacking non li rimuove. Fai la media di novanta frame che hanno tutti un pixel caldo a (1204, 883) e ottieni uno stack con un pixel caldo a (1204, 883). Poi la registrazione ruota il campo tra i frame e spalma quel difetto fermo in una breve striscia colorata: esattamente l’artefatto che fa sembrare amatoriale un’immagine altrimenti buona.

Possono essere trovati statisticamente invece. Il trucco è distinguere un difetto da una stella, dato che entrambi sono piccoli e luminosi. Il discriminante è che una stella non è un pixel: l’ottica spalma una sorgente puntiforme su diversi pixel, quindi una stella vera ha vicini luminosi. Un pixel caldo sta da solo. Confronta ogni pixel con la mediana dei suoi otto vicini, e scala la soglia in base a quanto quei vicini sono in disaccordo tra loro: attorno a un pixel caldo su cielo piatto concordano strettamente, attorno al nucleo di una stella sono le spalle della stella stessa e variano molto. Quella distinzione è ciò che ti permette di rimuovere uno e tenere l’altra.

Akastroid lo fa automaticamente su ogni frame, prima della registrazione, che tu abbia scattato dark o no. È deliberatamente conservativo - otto sigma - perché i costi sono asimmetrici. Un pixel caldo mancato è un puntino. Un nucleo stellare rimosso sono dati che niente può recuperare.

Una risposta pratica

Se hai poco tempo e le mani fredde:

1. Scatta sempre i flat. Venti-trenta, alla fine della sessione, prima di toccare il fuoco. Questo è il singolo guadagno più grande.
2. Scatta i dark se la tua fotocamera è raffreddata o i tuoi sub sono lunghi. Abbina temperatura, guadagno e durata. Venti è un numero ragionevole.
3. Scatta i bias se stai costruendo una libreria di dark. Altrimenti sono facoltativi.
4. Non perdere una notte serena per la calibrazione. I light sono la parte insostituibile. I flat si possono scattare all’alba, i dark con il tappo sull’obiettivo in casa.

E se non hai nessun frame di calibrazione, elabora comunque. Uno stack di light non calibrati con il gradiente rimosso e i pixel caldi puliti è una fotografia vera. Una calibrazione perfetta su dati che non hai mai raccolto non lo è.