Dicționar și noțiuni de bază

• Apertura: Diametrul lentilei, sau diafragmei, prin care realizam poza

• Raport focal: Raportul dintre distanța focală și apertură (fix la majoritatea telescoapelor, ajustabil la obiectivele camerelor, setat de diafragmă. Cu cât raportul focal este mai mic, cu atât imaginea formată de obiectiv sau telescop este mai luminoasa. (f/7 formează o imagine mai intunecată decât f/2)

• Diafragma: Un ansamblu de lamele negre opace din interiorul unui obiectiv foto care formează o deschizătură în centrul căii optice și este ajustabil prin rotirea unui inel. În funcție de numărul de lamele, poate fi mai aproape sau mai departe de un cerc perfect (un obiectiv cu 14 lamele va descrie un cerc mult mai bine decât un obiectiv cu 4 lamele).

• Aberatie Cromatică: fenomenul care face ca diferite lungimi de undă ale luminii sa aiba planul focal în puncte diferite. Acest tip de aberație este prezent la orice sistem optic de tip refractor, dar poate fi corectat, prin construcția sistemului optic utilizând sticlă cu dispersie redusă. Acest efect crează ”umbre” de diferite culori în jurul obiectelor și este datorat dispersiei cromatice, adică faptului că un mediu are indici de refracție diferiți în funcție de lungimea de undă a luminii ce în străbate.

• Cum este inregistrata o imagine digitală: senzorii fotografici sunt alcătuiți dintr-o matrice de fotocelule (pixeli) ce transformă lumina într-un semnal electric, în funcție de intensitatea acesteia. La finalul unei expuneri, toți electronii generați de celule sunt amplificați și transmiși către procesorul de imagine care citește valorile fiecărui pixel și atribuie o valoare digitală (ADU) poziției corespunzătoare din imagine.

• Timp de expunere: Timpul de expunere este timpul în care un senzor este “deschis” și inregistreaza lumina incidentă ce cade pe pixelii senzorului. După timpul de expunere, semnalul este citit și trimis mai departe către procesorul camerei, care transforma acest semnal într-o imagine. 

• Expunere RAW: Setare a camerelor foto uzuale pentru a salva imaginea de pe senzor cu nicio modificare, sau procesată cât mai puțin în cameră. 

• Expunere Bulb: senzorul va expune imaginea cat timp butonul declanșator este apăsat (sau prin intervalometru/telecomandă) 

• ISO:(valabil pentru camerele foto uzuale) reprezintă un factor de amplificare al semnalului generat de pixeli. Multă lume îl confunda cu sensibilitatea la lumină a senzorului, ceea ce este greșit. Sensibilitatea la lumină a senzorului este definită de Quantum Efficiency, adică ce procent din fotonii care ating pixelul vor genera un electron. 
• Quantum Efficiency este o caracteristică fixă a senzorului, dependentă de lungimea de undă a luminii și diferă de la senzor la senzor. ISO, in schimb, controlează câți electroni sunt necesari pentru a umple o unitate digitala (ADU)

Exemplu: Avem un senzor cu QE (Quantum Efficiency) de 50% la lungimea de unda de 500 nm care, la ISO 100, are nevoie de 4 electroni pentru a umple un ADU. La ISO 600, are nevoie de un singur electron (Unity Gain), iar la ISO 3200, are nevoie de 0.2 electroni. 

Asta înseamnă că: 

La ISO 100 – va fi nevoie de 4 electroni pentru a umple un ADU. Având Quantum efficiency de 50%, doar jumătate din fotonii care ajung pe senzor vor genera un electron, ceea ce înseamnă că va fi nevoie de 4 x 0.5  =  4 x 2 = 8 fotoni pentru a umple un ADU

La ISO 600 –  va fi nevoie doar de 1 x 0.5 = 2 fotoni să umplem un ADU

La ISO 3200 – va fi nevoie de 0.2 x 0.5, adica 0.4 fotoni. Asta înseamnă ca 1 foton va umple 2,5 ADU. Cum numărul de ADU trebuie sa fie întreg, 1 foton va umple doar 2 ADU, dar 2 fotoni vor umple 5 unitati (2,5 + 2,5). 

De asemenea, raportul semnal/zgomot din fotografie devine mai bun, deoarece semnalul util este amplificat și acoperă zgomotul de citire (zgomot fix, indus în timpul procesul de citire și conversie de la un semnal analog la unul digital a semnalului de pe senzor). 

Există, însă, o plajă de valori ISO pe care le putem utiliza fără ca zgomotul să se înrăutățească. Nivelul de zgomot de fundal este diferit de la o cameră la alta, în funcție de cât de ”curat” și fără interferențe este circuitul ei. Unele camere, precum Nikon D5300, au zgomotul de citire redus. De aceea, putem utiliza chiar si ISO 100 când realizăm fotografiile, fără ca zgomotul de citire să ne acopere semnalul util. Alte camere, precum Canon 1100D, au un zgomot de citire mai mare la ISO mai mic, fiind nevoie sa utilizăm un ISO mai ridicat pentru a acoperi zgomotul de citire. Acest ISO se numește punctul de ISO Invariance al camerei, punct de la care, crescând ISO-ul, nu vom mai fi afectați de zgomotul de citire. Această informație, precum și alte informații despre o mulțime de camere foto pot fi găsite pe site-ul Photons to Photos / Sensor Characteristics

Spre exemplu, un Canon 1100D va fi ISO invariant începând cu ISO 1600, va avea unity ISO pe la ISO 200 si Quantum Efficiency maxim de 35%. Din acest grafic, putem deduce faptul că, începând cu ISO 1600, zgomotul de fundal nu va mai avea un impact în cadre.

• Gain (valabil pentru camerele astro dedicate): La fel ca și ISO, reprezintă un factor de amplificare al semnalului generat de senzor. Aceleași regui, ca și în cazul ISO, se aplică. Un gain mai mare va acoperi zgomotul de citire, dar unul prea mare va reduce mult gama dinamică. Majoritatea camerelor dedicate astrofotografiei se folosesc de un circuit dublu, ce separă plajele de Gain în High Conversion Gain și Low Conversion Gain. Aceste două moduri de citire (readout modes) se folosesc de două circuite de amplificare separate: 

• • LCG: Un circuit ce are rolul de a menține full well depth crescut, în detrimentul zgomotului de citire mai mare. Util pentru situațiile în care semnalul luminos este foarte puternic și poate acoperi zgomotul de fundal
  • HCG: Un circuit ce are rolul de a amplifica semnalul luminos și a-l ridica peste zgomotul de citire, crescând raportul semnal/zgomot, în detrimentul full well depth. 
  •  

Acest punct de trecere între LCG și HCG poate fi unul prestabilit în funcție de gain-ul utilizat (ZWO, SVBony, PlayerOne), sau poate fi controlat de utilizator (ToupTek sau alte camere construite de către ToupTek)

Pentru majoritatea situațiilor, în astrofotografie vom utiliza HCG, deoarece ne oferă o gamă dinamică bună, prin creșterea raportului semnal/zgomot, iar full well depth-ul mai mic nu ne va pune probleme în majoritatea situațiilor. Dacă avem în cadru o stea foarte strălucitoare, putem compensa acest full well depth redus prin scurtarea timpului de expunere.

Low Conversion Gain poate fi utilizat pentru astrofotografia obiectelor din Sistemul Solar, sau dacă urmărim să realizăm expuneri foarte lungi, care ar satura pixelii folosind HCG.

• Black point/Offset: Acest termen se aplica doar pentru camerele astro dedicate, el fiind un parametru presetat de ISO într-o camera foto uzuală. Reprezintă care este valoarea de bază a unui pixel. Se mai numește și Pedestal. Rolul acesui parametru este să ridice nivelul de bază al semnalului generat de un pixel, pentru a evita valori negative în timpul citiri. Din cauza zgomotului sau a interferențelor electrice, pixelii vor avea o deviație, numită deviație standard (en. Standard deviation). Dacă pixelii pleacă de la o valoare 0, este probabil ca valorile să devieze chiar și în domeniul negativ, ceea ce ar însemna că pierdem informația din acei pixeli. Aplicând această compensare, vom oferi o marjă de eroare în care semnalul va avea deviație, fără ca acesta să devină negativ și să se piardă. 
• Crop factor: Este un factor cu care trebuie să înmulțim distanță focală pentru a obține distanța focală echivalentă unui senzor full frame (care are crop factor x1). Util în calculul timpilor de expunere și câmpului vizual.

Factori de crop des întâlniți:

• 1.3X pentru senzorii APS-H Canon
• 1.5X pentru senzorii APS-C Nikon (D5300, D3300), Pentax K-5, Sony A6000, Samsung NX1
• 1.6X pentru senzorii APS-C Canon
• 2.0X pentru senzorii Micro Four Thirds (M4/3, 4/3”): Panasonic-Lumix DMC, Olympus OM-D

• Sampling/Rezoluție: sau eșantionare

Sampling =Dimensiunea pixelului (în micrometri) Distanța focală206.265=x”/pixel

Rezultatul obtinut reprezintă porțiunea cerului, in arcsecunde, încadrată într-un pixel (arcsecunde per pixel). Valorile optime acceptate sunt dependente de seeing. În principal, cu seeing mediu, valorile bune sunt cuprinse între 0.7”/pixel și 2”/pixel. Dacă valoarea este sub limita inferioară, acea conditie se numește over-sampling, sau supra-eșantionare. Dacă valoarea este peste limita superioară, se numește under-sampling, sau sub-eșantionare. Rezultatul supra-eșantionării este faptul că erorile de urmarire vor fi mai vizibile iar raportul semnal/zgomot va fi mai slab. În contrast, sub-eșantionarea face ca erorile de urmărire sa fie mai puțin vizibile în poza și raportul semnal/zgomot să fie mai bun, dar detaliile mai fine ale țintei se vor pierde. Utilizati https://astronomy.tools/calculators/ccd_suitability pentru a determina rezoluția sistemului.

• Limitele Dawes și Rayleigh / Puterea de separație – se referă la limita fizică a telescopului de a putea rezolva detalii de mici dimensiuni. Cu cât apertura telescopului este mai mare, cu atât poate rezolva detalii mai mici din obiectele observate. Aceste limite se măsoară în arcsecunde.

1. Limita Dawes: 118 / apertură
2. Limita Rayleigh: 138 / apertura 

• Raport semnal/zgomot: Reprezintă raportul dintre semnal si zgomot dintr-o poza. Măsoară cât semnal util (lumina emisă sau reflectată de ținta pe care o capturăm) avem într-un cadru comparat cu zgomotul de fundal (zgomot de citire, zgomot termic). Când raportul semnal/zgomot este mic, detaliile capturate se vor pierde în marea de zgomot. Întotdeauna vom urmări sa avem un raport semnal/zgomot cat mai bun. 

• Quantum Efficiency: Este un procent care reprezintă eficiența unui pixel de a transforma un foton incident într-un electron de semnal util. Mai poate fi explicat și prin probabilitatea ca un foton sa genereze un electron atunci când cade pe un pixel. 

Este prezentat sumar de cele mai multe ori, reprezentând maximul acestei caracteristici. Pentru a înțelege corect Quantum Efficiency, este necesar să urmărim un grafic al acestui parametru în funcție de lungimea de undă a luminii. Majoritatea senzorilor vor avea Quantum Efficiency mai ridicat în zona verde din spectrul vizual și mai scăzut în zonele roșu și albastru, deoarece majoritatea senzorilor din camerele folosite pentru astrofotografie se folosesc de senzori construiți pentru camere de supraveghere ce urmăresc să păstreze balansul de alb natural. 

• ADU si Bit depth: ADU = Analog to Digital Units. Bit depth= numarul de biti, sau “pași” între negru și alb pe care îi poate reproduce un senzor. 

Numărul maxim de ADU este dat de bit rate-ul convertorului analog la digital. Un convertor de 8 biti va avea maxim 256 de ADU. Un convertor de 12 biti va avea 4096, 14 biti va avea 16384 iar 16 biti, 65535.

Aceste unități ADU de la 0 la maxim -1 (adică de la 0 la 2^numărul de biți – 1) reprezinta bit depth, adică toate valorile care pot fi capturate între negru și alb. Cu cat avem mai puțini biții, cu atat vom avea mai puține valori și diferenta intre umbrele de gri va fi mai sesizabilă. Camerele astro CMOS se folosesc de senzori cu 12, 14 si 16 biți. Toate camerele CCD au convertoare AD pe 16 biți. 

• Unity Gain: valoarea amplificarii necesara pentru ca un electron generat de senzor să fie echivalat cu o unitate ADU.

• Full Well Depth: Reprezintă capacitatea maximă a unui pixel de a stoca electroni până la citire. Acest număr este o proprietate fizica a unui pixel și depinde, printre altele, de dimensiunile pixelului. Un pixel mai mare poate stoca o încărcătură mai mare, pe cand unul mai mic are o capacitate mai redusă. Deși acest parametru este o caracteristică fizică și fixa a senzorului, capacitatea maximă este disponibilă doar la cel mai mic raport electroni / ADU, iar valoarea maxima într-un anumit punct se calculează prin formula  2^bit depth-1 * factor de amplificare (Gain).

• Camera OSC: One Shot Colour, este o un tip de cameră foto care folosește un senzor color, cu matrice Bayer. Toate camerele foto uzuale sunt de acest tip.

• Matrice Bayer: la bază, toți senzorii fotografici sunt monocromatici. Ce îi transformă în senzori color este matricea Bayer, o matrice de filtre color montate peste pixelii senzorului, care îi ajută să determine culoarea imaginii capturate. Desi exista si alte exemple, cel mai întâlnit model de matrice Bayer este RGGB (Red Green Green Blue). 

RGGB reprezinta gruparea de 4 pixeli, aranjati într-un pătrat și peste care s-au aplicat filtrele Roșu, Verde si Albastru. Observăm faptul că avem de două ori mai mulți pixeli verzi. Asta se datorează faptului că ochiul uman este de doua ori mai sensibil la verde decât la alte culori. Pentru a păstra acel balans de culori, s-a dublat numărul de pixelii verzi, în combinație cu construcția senzorilor cu o mai bună sensibilitate în regiunea verde a spectrului luminos. Imaginea ”RAW” de pe senzor este monocroma. fiecare pixel înregistrând valoarea de luminozitate a culorii filtrului sub care este localizat. În momentul în care o poza este realizată cu un aparat foto, ea trece prin procesul de debayering pentru a putea fi afișată color pe ecranul camerei.

Debayering: Reprezinta procesul prin care se crează o fotografie color dintr-o fotografie monocrom realizată de un senzor cu o matrice Bayer, realizat prin interpolare, adică prin estimarea valorii celorlalte doua culori pe pixelul cu a treia culoare, folosind valorile pixelilor învecinați.

Exemplu: Avem o imagine de 8 x 8 pixeli, alcătuită din 16 pixeli roșii, 32 de pixeli verzi și 16 pixeli albaștri. Pentru a putea crea o imagine color, pe un pixel avem nevoie de toate cele trei valori de culoare. De aceea, procesul de interpolare estimează valorile celorlalte două culori, folosindu-se de valorile pixelilor adiacenți. 

În jurul unui pixel roșu avem 4 pixeli verzi și 4 pixeli albaștri, din care putem ”deduce” o valoare de verde și albastru pe care o putem atribui acelui pixel roșu, pentru a obține o culoare cât mai aproape de realitate a luminii ce a lovit acel pixel. 

• Gama dinamică (Dynamic Range) : Gama dinamică reprezintă numărul de nivele de intensitate ce pot fi înregistrate într-o imagine, fără a se pierde detalii. Aceasta gamă este legată de capabilitățile senzorului, rezoluția convertorului Analog la Digital (ADC) și de nivelul de ISO folosit. 

Dacă la unity gain (1 electron = 1 ADU), pe o camera cu ADC de 14 biți, este nevoie de 16384 electroni să ajungem la intensitatea maximă ce poate fi reprezentată de un pixel, înseamnă că putem captura 16384 de trepte de intensitate între negru și alb. 

Dacă mărim ISO, micșorând raportul între electroni și ADU la 1 electron = 2 ADU, acele 16384 de trepte de intensitate vor fi umplute de doar 8192 de electroni. Asta înseamnă că, deși avem tot același număr de trepte de intensitate luminoasă, date de ADU, un electron generat de lumina de o anumită intensitate va ocupa două ADU, înjumătățind, practic, numărul real de trepte de luminozitate. Situația se înrăutățește deoarece, după cum spuneam mai sus, nu doar semnalul util este amplificat, ci și zgomotul de fundal, ceea ce afectează și mai mult gama dinamică prin ”poluarea” semnalelor slabe. Dacă avem o stea foarte strălucitoare în imagine, un ISO mai mare va face ca acea stea sa umple foarte rapid toate unitățile ADU disponibile. In acel moment, se spune ca steaua este “arsă”. 

Un pixel ”ars” va avea valoare maxima, adică este complet alb. Dacă pixelii din toate trei canalele color sunt arși, acel pixel va fi alb, indiferent de culoarea luminii înregistrate de acesta.

• Fotografiile color

Noțiunea de culoare în format digital

Digital, culorile sunt reprezentate prin combinarea a 3 valori (între minim și maxim, care diferă în funcție de programul de procesare utilizat) de roșu, verde si albastru. Un pixel roșu dintr-o fotografie va avea valoare maximă de roșu și valori minime de verde și albastru. Folosind combinații de valori pentru fiecare culoare, putem obține orice culoare și nivel de luminozitate. Negru este obținut cu valori minime pe toate cele trei canale, iar alb, cu valori maxime.

Straturi / Canale de culoareâ

O fotografie color este alcătuită din cele trei straturi, sau canale: roșu, verde și albastru. Fiecare canal este reprezentat de o imagine monocroma a cărei pixeli stochează valoarea de luminozitate corespunzătoare fiecărei culori. 

Putem observa asta în imaginea următoare:

• Avem prezentate mai sus imaginea color originală și cele trei canale componente. Cele trei imagini componente sunt colorate în funcție de canalul de pe care provin, pentru a demonstra cum se compun culorile. Toată imaginea color are o tentă oranj, culoare ce este compusă, majoritar, din roșu, combinat cu verde. Centrul imaginii, însă, conține culori mai reci, turcoaz, spre albastru, obținute din combinația lui verde cu albastru. Acest lucru îl putem vedea prin intensități crescute ale luminozității din canalele verde și albastru în centrul imaginii.

• Luminanța este combinația luminozității tuturor celor trei canale de culoare. În domeniul astrofotografiei monocromatice, canalul Luminanță (prescurtat L) reprezintă cadrele light trase printr-un filtru IR/UV cut, pentru a captura detaliile de luminozitate ale obiectului ceresc. Pentru a crea o imagine color, vom trage seturi de cadre prin filtre color R, G și B, pe care le vom combina, iar luminanța o vom aplica peste imaginea color, deoarece luminanța conține cele mai multe detali.

• Montură ecuatorială: Un tip de montură pentru telescoape ce facilitează urmărirea mișcării aparente a stelelor pe cer, prin construcția sa. O montură ecuatorială are doua axe: Axa RA (Ascensie Dreaptă) și axa DEC (Declinație). Cele doua axe sunt perpendiculare una pe cealaltă, axa RA fiind îndreptată către polul ceresc in apropierea stelei Polaris (în emisfera nordică) și paralelă cu axa de rotație a pământului, iar axa DEC este perpendiculară pe aceasta, descriind un arc de cerc între Nord și Sud. Declinația poate fi descrisă ca fiind pozitivă (Nordica) sau negativă (Sudica) față de ecuatorul ceresc. La polul ceresc, declinația are 90 de grade, iar la ecuatorul ceresc, declinatia este 0. Punctul 0 al axei RA este intersecția dintre meridian și ecuatorul ceresc prin care Soarele trece la echinocțiul de primăvară.

• Meridian: Linia imaginara care desparte cerul in doua emisfere ale cerului, estica si vestica si este descrisa ca un semicerc de la orizontul nordic la cel sudic, care trece prin polul ceresc și prin Zenit.

• Meridian flip: Acțiunea de a trece telescopul dintr-o parte în cealaltă a monturii în momentul în care ținta trece de meridian.

• Zenit: Punctul cel mai înalt de pe cer, drept in sus

• Nadir: Punctul diametral opus al zenitului, drep in jos.

• Arcgrade, arcminute, arcsecunde: Reprezintă unități de măsură folosite pentru a exprima distanța între două puncte pe cer. Întreg cerul are 360 de arcgrade, un arcgrad are 60 de arcminute, iar un arcminut are 60 de arcsecunde. Luna are, în medie, 0.5 arcgrade, adica 30 de arcminute, sau 1800 de arcsecunde. 

• Star tracking: Urmarirea mișcării aparente a stelelor pe cerul nopții, realizată cu ajutorul unei monturi ecuatoriale cu axa de Ascensie Dreaptă motorizată.

• Ghidaj: O îmbunătățire adusă urmăririi mișcării stelelor, prin observarea unei stele printr-un alt telescop sau prin același telescop, cu o altă cameră și trimiterea de semnale de corecție către montură. Ghidajul necesita o montură cu motorizare pe ambele axe pentru rezultate optime, dar poate fi realizat și pe monturi cu motorizare doar pe axa RA, reușind astfel să corecteze erorile periodice ale angrenajului axei RA.

• Backlash: jocul dintre angrenajele unei monturi, de obicei între melc și roata melcată.

• Eroare periodică: Eroarea de urmarire a mișcării aparente a stelelor pe cer dată de construcția imperfectă a angrenajelor care alcătuiesc sistemul mecanic al unei monturi ecuatoriale. Această eroare face ca obiectul centrat în telescop să oscileze pe direcția axei RA. Periodicitatea este dată de elementele care induc aceste erori, de cele mai multe ori fiind melcul, iar perioada erorii coincide cu perioada de rotație a melcului (timpul în care melcul realizează o rotație completă în jurul axei sale.

• PEC (Periodic Error Correction): Este o metodă prin care eroarea periodică este contracarată electronic, prin înregistrarea semnalelor de corecție trimise de un software de ghidaj și aplicarea acestor semnale în avans pentru a compensa eventualele accelerari sau încetiniri ale urmăririi cauzate de eroarea periodică