O ruído na astrofotografia

Ruído na astrofotografia? Este artigo aborda os pormenores

O ruído é um dos maiores desafios para os astrofotógrafos. Apesar das técnicas mais modernas e até da inteligência artificial, continua a ser um fator perturbador persistente que prejudica a qualidade da imagem. Mas o que está por trás deste fenómeno? Por que razão ocorre e que formas assume? Neste artigo, analisamos os tipos e as causas do ruído e damos-lhe dicas práticas sobre como pode otimizar as suas astrofotografias.

O que é o ruído?

O ruído refere-se a variações aleatórias no sinal que não contêm informação útil e que prejudicam a qualidade da imagem. Manifesta-se como flutuações aparentemente aleatórias no brilho ou na cor, que não fazem parte do objeto fotografado. A relação sinal-ruído (SNR) é determinante para a qualidade da imagem e é calculada da seguinte forma:

SNR = A_signal / σ_noise

Sendo que A_signal representa a amplitude do sinal captado pelo sensor, ou seja, uma média do sinal, enquanto σ_noise designa o temido ruído. Um SNR de 1 significa que o sinal não se distingue do ruído; considera-se «boa» uma valor de SNR igual ou superior a 10. Esta informação é particularmente útil na seleção de estrelas-guia. O software moderno calcula automaticamente as «melhores» estrelas no campo com base no FWHM (largura à meia altura do perfil da estrela) e no SNR.

Tipos de ruído

Na astrofotografia, são principalmente três os tipos de ruído relevantes:

Ruído escuro (Dark Noise)

O ruído de fundo é um sinal de interferência resultante de flutuações térmicas no sensor. Estas flutuações «ativam» o sensor e geram ruído indesejado que não pode ser controlado. Ao fotografar, é necessário ter em conta o tempo de exposição, pois quanto mais longa for a exposição, mais variações térmicas o sensor capta. O ruído de fundo depende fortemente da temperatura; por isso, existem hoje sensores refrigerados sofisticados que conseguem reduzir este ruído ao mínimo.

Além disso, o ruído de fundo pode ser ainda mais reduzido através da criação dos chamados «dark frames». Estes «dark frames» têm de ser captados nas mesmas condições que os «light frames» propriamente ditos, ou seja, com o mesmo tempo de exposição, o mesmo ganho/ISO e a mesma temperatura.

Ruído eletrónico

O ruído eletrónico resulta de erros de leitura aleatórios do sensor e varia consideravelmente de sistema para sistema. Nos sensores CCD, a cada píxel é atribuída uma variação quadrática média, designada por ruído de leitura. O ruído eletrónico torna-se particularmente relevante quando se fotografam objetos muito pouco luminosos, uma vez que pode sobrepor-se aos sinais desses objetos e prejudicá-los.

Ruído de disparo ou ruído quântico

O ruído de disparo, também conhecido como ruído quântico, é possivelmente o mais crítico dos três tipos de ruído. Resulta da natureza discreta da luz, que é constituída por fotões. O número de fotões registados durante um tempo de integração «t» segue uma distribuição estatística das contagens de fotões.

Para ilustrar isto, imagine um dia muito chuvoso, em que colocamos mil baldes do mesmo tamanho num grande jardim para recolher a água da chuva. Estes baldes estão muito próximos uns dos outros, tal como os píxeis num sensor astronómico. Contamos quantas gotas de chuva caem em cada balde, durante um determinado período de tempo. O número de gotas em cada balde irá variar; num balde podem ser 100 gotas, noutro 90 ou talvez 110.

Quanto mais tempo os baldes ficarem lá fora, mais água acumulam (desde que não transbordem!). O mesmo se aplica à luz: os fotões não incidem uniformemente em cada pixel do sensor, e a contagem de fotões segue uma distribuição estatística. No caso da luz monocromática (como a de um laser), trata-se normalmente de uma distribuição de Poisson.

Com base na natureza quântica do sinal, o número de contagens é:

Contagens = fluxo de fotões × QE × t

sendo que «QE» é a eficácia quântica do sensor, ou seja, representa a percentagem de luz convertida num sinal, e «t» é o tempo de integração. Daí resulta a relação sinal-ruído:

SNR ∝ √t

Esta fórmula mostra que, quanto maior for o tempo de integração, maior será a relação sinal-ruído e menor será o ruído. Embora se trate de uma simplificação (uma vez que os sinais astrofísicos podem apresentar distribuições mais complexas), a ideia principal mantém-se: quer menos ruído na sua fotografia? Então, aumente o tempo de integração.

A captura de centenas de «dark frames» ou imagens de bias só consegue reduzir o ruído de forma limitada, uma vez que o ruído percebido decorre principalmente da natureza quântica da luz. Para obter uma fotografia do céu profundo com pouco ruído, deve prolongar o tempo de integração tanto quanto possível, consoante as suas necessidades. Por exemplo, se tiver integrado durante 2 horas num objeto, mais 10 minutos ou mesmo uma hora de integração adicional não trarão uma melhoria significativa. Numa primeira aproximação, terá de duplicar, pelo menos, o tempo de integração para obter melhorias significativas. Isto significa que, com uma integração inicial de 2 horas, deverá prolongá-la para, pelo menos, 4 horas, a fim de alcançar um aumento percetível da qualidade.

Quando os tempos de integração são de 20 horas ou mais, isto pode tornar-se um problema, mas, graças à tecnologia moderna, existem alternativas. Os telescópios «rápidos», como, por exemplo, o telescópio da Omegon, que é extremamente rápido, reduzem para metade o tempo de integração necessário.

A abertura de f/2,8 permite tempos de exposição mais curtos (embora isso não signifique que se capte mais luz – isso é determinado pela abertura). É, portanto, como se chovesse «magicamente» com mais intensidade quando se trocam os baldes.

Resumo

Existem várias fontes de ruído, essencialmente três tipos principais: ruído de fundo, ruído eletrónico e ruído quântico. O ruído quântico é reduzido à medida que o tempo de integração aumenta e, ao contrário dos outros dois, não depende de fatores intrínsecos ao instrumento. A regra geral é, portanto: maior integração = fotografias de melhor qualidade.

Noites claras e muito sucesso na astrofotografia!

Emanuele é astrofotógrafo e estuda Física na Universidade de Palermo.

Emanuele tem uma paixão pela astronomia desde a sua infância. Hoje, é um astrofotógrafo talentoso e as suas fotografias são apreciadas e publicadas na Internet e em revistas especializadas. Os seus estudos e a sua paixão ajudam-no a dar os melhores conselhos para produtos especializados em torno da astronomia amadora!

Idiomas: italiano, inglês