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La pratica

Quando ottenere maggiore risoluzione con la tecnica Drizzle

Immagini con risoluzione più alta

Un problema che tocca anche il telescopio Hubble: come si arriva a un sottocampionamento e quali software possono aiutare a risolvere il problema.

L’ammasso globulare M5 a sinistra con stacking normale, a destra con stacking Drizzle di 20 immagini da 300 s. di esposizione ciascuna. La versione normale è stata portata alla stessa dimensione dell'immagine drizzle per il confronto. Il setup per l’immagine era nel range di sottocampionamento, riconoscibile dai molti contorni di stelle non riprodotti in modo ideale, e che appaiono un po’ pixelati. Un rifrattore con apertura di 105 mm e lunghezza focale di 670 mm è stato equipaggiato con una fotocamera con pixel da 9 μm. Il campionamento è quindi di 2,77”/pixel con un potere risolutivo teorico di 1,14”. Con la tecnica del drizzle (risultato a destra) è possibile una riproduzione più fine delle stelle densamente ammassate, e le coppie di stelle vicine appaiono separate più chiaramente. M. Weigand L’ammasso globulare M5 a sinistra con stacking normale, a destra con stacking Drizzle di 20 immagini da 300 s. di esposizione ciascuna. La versione normale è stata portata alla stessa dimensione dell'immagine drizzle per il confronto. Il setup per l’immagine era nel range di sottocampionamento, riconoscibile dai molti contorni di stelle non riprodotti in modo ideale, e che appaiono un po’ pixelati. Un rifrattore con apertura di 105 mm e lunghezza focale di 670 mm è stato equipaggiato con una fotocamera con pixel da 9 μm. Il campionamento è quindi di 2,77”/pixel con un potere risolutivo teorico di 1,14”. Con la tecnica del drizzle (risultato a destra) è possibile una riproduzione più fine delle stelle densamente ammassate, e le coppie di stelle vicine appaiono separate più chiaramente. M. Weigand

Se si utilizza un sensore di grande formato per fotografare un'ampia porzione di cielo, si può incorrere in un sottocampionamento, un problema che riguarda anche il telescopio spaziale Hubble. Una procedura intelligente potrebbe fornire un rimedio: la tecnica del Drizzle.

La risoluzione dei dettagli di un’immagine è determinata non solo dalle condizioni osservative, ma anche da due fattori che riguardano lo strumento: il potere risolutivo del telescopio e la finezza della griglia di pixel della fotocamera. Non tutte le combinazioni fotocamera-telescopio sfruttano appieno il potere risolutivo dell'ottica; per esempio, se si sceglie un sensore di grande formato con pixel relativamente grandi per riprendere la più ampia porzione di cielo possibile, si verifica un sottocampionamento. Anche il telescopio Hubble si trova in questa situazione con la “Widefield Planetary Camera”, motivo per cui è stato sviluppato un algoritmo in grado di recuperare parte del potere risolutivo perso: la tecnica del Drizzle.

L'idea alla base del Drizzle, sviluppata da A. Fruchter e R. Hook, consiste nell'uso di diverse riprese in cui la griglia dei pixel, troppo grossolana, viene spostata leggermente da un'immagine all'altra rispetto all'oggetto. Lo spostamento consente di rilevare l'oggetto nell'intervallo dei sub-pixel.

Per questo i pixel di tutte le immagini vengono ridotti e proiettati su una griglia più fine. In base alla sovrapposizione delle due griglie di pixel, i valori di luminosità “piovono” sulla nuova griglia e vengono redistribuiti. Dopo il riordino, viene eseguita la media dei  valori di luminosità relativi a tutte le immagini di una serie per ogni pixel. Con una scelta opportunamente ridotta del fattore di Drizzle, alla sovrapposizione di molte immagini si ottiene una rappresentazione uniforme con un campionamento più fine.

Dithering e molte immagini

Il leggero scostamento tra le singole immagini di una serie, necessario per il metodo del Drizzle, può essere creato con il dithering. In questo processo, la posizione del telescopio viene spostata casualmente di alcuni pixel dopo ogni esposizione. Il dithering viene solitamente utilizzato per eliminare i pixel di disturbo con un metodo di stacking adeguato. Questo può essere fatto, per esempio, con l'autoguida, che insegue una posizione spostata di alcuni pixel dopo ogni esposizione. Tutti i più comuni software di autoguida offrono questa opzione.

Inoltre, per ricostruire le informazioni perse è necessario effettuare il maggior numero possibile di scatti. Solo così è possibile colmare gli spazi vuoti creati dalla ridistribuzione dei valori di luminosità.

La stessa stella su diverse immagini, con posizioni leggermente diverse. Il profilo della stella appare asimmetrico, da cui si riconosce il sottocampionamento. Inoltre il profilo cambia da immagine a immagine, caratteristica che viene sfruttata dalla procedura del drizzle. M. Weigand La stessa stella su diverse immagini, con posizioni leggermente diverse. Il profilo della stella appare asimmetrico, da cui si riconosce il sottocampionamento. Inoltre il profilo cambia da immagine a immagine, caratteristica che viene sfruttata dalla procedura del drizzle. M. Weigand

I limiti della procedura

Naturalmente la tecnica del drizzle ha anche dei limiti. Il fattore di drizzle non è arbitrario, perché il campionamento non può essere aumentato a piacimento. Il numero di immagini necessarie per una rappresentazione uniforme sarebbe molto elevato e praticamente impossibile da realizzare. Di norma, si raccomanda un fattore di circa 2. Inoltre, il potere risolutivo del telescopio e il seeing limitano la tecnica. Con il seeing tipico della Germania, il drizzle è raramente efficace per tempi di esposizione lunghi con un campionamento di circa 1,5”/pixel o più piccoli. La tecnica è particolarmente interessante in situazioni di sottocampionamento, come le immagini panoramiche della Luna e del Sole, e nell’ambito del deep-sky con lunghezze focali piuttosto corte. Va notato che la tecnica del drizzle non può essere combinata con metodi di stacking come lo stacking mediano o sigma. Questo perché i pixel della griglia più fine vengono ricevono contenuto solo in modo intermittente, il che è simile al verificarsi di un pixel di interferenza, scartato da questi metodi di stacking.

Il principio di funzionamento della tecnica drizzle: nell'immagine a sinistra, una stella è stata catturata esattamente sull'intersezione di quattro pixel e i suoi valori di luminosità sono distribuiti uniformemente tra i pixel. La stella appare quindi pixelata e il suo profilo reale non viene riprodotto. La griglia originale dei pixel dell'immagine (blu) viene ridotta (rosso) e proiettata su una nuova griglia (seconda immagine), 2 volte più fine. Con una sola immagine, in alcuni punti si verificano naturalmente dei vuoti, come si può vedere nella redistribuzione dei valori risultante nella terza immagine. Ecco perché sono necessarie molte immagini con piccoli spostamenti variabili. Dopo averne calcolato la media, il profilo della stella è ora meglio rappresentato nel caso ideale (immagine di destra). M. Weigand Il principio di funzionamento della tecnica drizzle: nell'immagine a sinistra, una stella è stata catturata esattamente sull'intersezione di quattro pixel e i suoi valori di luminosità sono distribuiti uniformemente tra i pixel. La stella appare quindi pixelata e il suo profilo reale non viene riprodotto. La griglia originale dei pixel dell'immagine (blu) viene ridotta (rosso) e proiettata su una nuova griglia (seconda immagine), 2 volte più fine. Con una sola immagine, in alcuni punti si verificano naturalmente dei vuoti, come si può vedere nella redistribuzione dei valori risultante nella terza immagine. Ecco perché sono necessarie molte immagini con piccoli spostamenti variabili. Dopo averne calcolato la media, il profilo della stella è ora meglio rappresentato nel caso ideale (immagine di destra). M. Weigand

I software

Purtroppo solo alcuni programmi di stacking offrono l’opzione drizzle o un algoritmo similare. Per I video di oggetti del Sistema Solare si trova la funzione per esempio nei programmi AutoStakkert! e RegiStax. Per le immagini deep-sky ci sono anche Fitswork e DeepSky-Stacker. Sono tutti scaricabili gratuitamente da Internet.

In conclusione

Il Drizzle offre la possibilità di sfruttare meglio il potere risolutivo di un telescopio in caso di sottocampionamenti e di migliorare il profilo delle stelle. In questo modo si hanno dei vantaggi dal punto di vista della resa dei dettagli. La procedura funziona quando sono soddisfatte le seguenti condizioni: la combinazione fotocamera-telescopio si trova in un’area di sottocampionamento, si dispone possibilmente di molte immagini singole e tra queste immagini singole c’è uno spostamento (dithering).

Autore: Mario Weigand / Su gentile concessione di: Oculum-Verlag GmbH