Fotografía digital de astronomía - EL CCD DIGITAL

1. ASTRONOMÍA CON CCD





Las imágenes son ya esenciales en todos los trabajos astronómicos de investigación: baste recordar que muchos fenómenos no hubiesen sido descubiertos sin la fotografía por ser una técnica capaz de acumular luz + tiempo; entre los mismos se puede citar la estructura de las galaxias espirales, la presencia de millones de nuevas galaxias, las supernovas en galaxias distantes o las nebulosas más ténues, todos ellos objetos tan débiles que son invisibles a simple vista en los mayores telescopios sin ayuda fotográfica. Cuando los objetos a estudiar son tan débiles que la fotografía no puede casi captarlos -como los quasares más distantes o los arcos gravitatorios- se recurre a la microelectrónica: se ha comenzado a emplear en todas partes el chip CCD. El detector de imagen CCD fue desarrollado en 1970 por los investigadores norteamericanos Boyle y Smith de los Laboratorios Bell, en principio sin ninguna utilidad astronómica.
Con el correr del tiempo la técnica fotográfica se está quedando obsoleta; ¿por qué?: sencillamente porque la electrónica está ofreciendo un montón de ventajas sobre la fotografía convencional, algunas de las cuales son:
-Las imágenes son analizables por medios digitales (ordenadores)
-Un almacenamiento masivo de imágenes en un volumen mínimo (discos magnéticos,magneto-ópticos y ópticos en un futuro próximo), lo que no ocurre con los frágiles archivos en placas de vidrio de los centros profesionales clásicos
- Es capaz de obtener imágenes retocadas, mejoradas, coloreadas artificialmente, etc... pro-ceso que cuesta bastante trabajo en la fotografía clásica.

- Es fácil la transmisión de imágenes a larga distancia por medio de internet, el correo electrónico, las líneas telefónicas y otros similares.

-La suma de varias imágenes en una (adición electrónica) posibilita efectuar exposiciones"virtuales" de varias horas: así en enero de 1994 un grupo de 9 tomas de 25 minutos cada una (exposición virtual de 3,75 horas) permitió la captura del cometa Halley, con un brillo de 26ª magnitud, cuando estaba más allá de los 2.800 millones de kilómetros.
¿Cómo se efectúa el paso de imagen fotográfica (contenido analógico) a imagen digital (contenido digital)?, el proceso es bien sencillo y lo represento en este ejemplo simplificado: dada una imagen fotográfica ya revelada y con una alta resolución (una buena fotografía) por medio de un detector se lee punto a punto y línea a línea toda la imagen; esto puede lograrse por medio de una cadena de sensores (fotodetectores) que convierten cada nivel de brillo de la imagen original (variaciones analógicas) en un impulso eléctrico proporcional al brillo de cada punto (valores digitales). Estos impulsos van a almacenarse en diferentes posiciones de memoria que registran su valor y posición, según dos ejes ortogonales x e y; cuando el detector ha barrido completamente la imagen (con una resolución que depende del número de detectores capaces de leer la imagen en cada línea) tenemos un registro digital de la misma: un conjunto ordenado de valores numéricos que corresponden a la posición y brillo de cada uno de los puntos leídos en la imagen analógica. Así en un detector capaz de leer sólo 10 puntos por línea la resolución de la imagen digitalizada será la mitad de otro detector capaz de leer 20 puntos por línea; de la misma forma si el detector es capaz de leer 100 puntos por cada línea de barrido la resolución sería 10 veces superior a la del primer detector y sólo 5 que la del segundo. Un buen ejemplo de digitalizador simple lo encontramos en el caso de un telefax: por la entrada (indicada en la parte izquierda del esque-ma) se introduce el material gráfico a reproducir que puede ser texto, fotografías, diagramas o cualquier imagen que refleje la luz. Un dispositivo mecánico adecuado toma y arrastra de manera homogénea el material a reproducir, de modo que pasa de modo adecuado bajo la cadena de fotodetectores; éstos leen línea a línea (cada una formada por un número determinado y fijo de puntos) el brillo de la imagen, transformando en impulsos eléctricos de valor variable (según el brillo de cada punto) cada zona fotográfica. Si la lectura ha sido homogénea en el arrastre (algo siempre deseable) al final el detector emite información digital en varias salidas:


La rotulada como S1 refleja la posición mecánica de cada zona de la fotografía original; servirá para colocar -al reconstruir la imagen- en el lugar exacto el valor de cada punto y de cada línea según estos dos ejes: el del arrastre (x) y la posición en cada línea (y).

-La rotulada como S2 contendría el valor de brillo de cada punto en cada línea.
- La rotulada como S3 puede contener otra información auxiliar: si la toma se ha digitalizado de manera normal o en alto contraste, si en exploración normal o de alta resolución, si se ha aclarado u oscurecido, si contiene o no medios tonos, etc ... Todas estas salidas S1, S2, S3, ... Sn van con posterioridad al codificador que convierte los impulsos de manera adecuada y los codifica en forma de bits (dígitos binarios) para su emisión a distancia: en el caso de un telefax esta distancia puede oscilar entre una decena de metros (en unas oficinas de varias plantas) a miles de kilómetros (en el caso de oficinas comerciales en el extranjero). Es posible la existencia de ruido en la línea (que puede ser un conductor, en el caso de líneas telefónicas, o el espacio en el caso de radioenlaces), ruido que degrada la calidad de La información transmitida llegando, en ocasiones, a perder parte de la información si los bits afectados son adyacentes. Para evitar este efecto se introducirá en cada porción de la información ("palabras" en el argot informático) unos bits que sirvan en el receptor para saber si en su llegada hay o no cambios con respecto a lo que se emitió del emisor: el ejemplo más sencillo es el denominado bit de paridad, que detecta y corrige la presencia de un bit erróneo. Esto se consigue por medio de códigos correctores, de los cuales no hablaré porque nos centraremos en la digitalización y no la transmisión de datos; basta saber que en los fax actuales es posible reconstruir parcialmente una imagen ligeramente degradada, aunque no si el ruido es notorio y se pierde mucha información.

La imagen digitalizada constará, como es lógico, de una cantidad limitada aunque puede ser muy grande, de puntos de información (o bits) cada uno de ellos con 3 valores:
- el valor de posición del eje x, el lugar que ocupa en cada línea
- el valor de posición del eje y, la línea en que se encuentra y
- el valor de brillo.En el caso de una imagen normal -ideal para transmitir textos- este último valor sólo puede ser 0 ó 1, dependiendo de si ese punto contenía o no luminosidad y de si ésta alcanzó un umbral mínimo de activación, pero esto son aguas mayores que no trataré ahora por ser algo fuera de nuestro interés; en el caso de que esta imagen se desee leer en modo medios tonos o imagen con grises -ideal para trasmitir fotografías- este valor puede variar entre 0 (para un punto totalmente blanco) y un cierto valor máximo que puede ser 7 si el detector trabaja con 8 niveles de gris (0, 1, ..., 7) ó superior si trabajo con un número mayor de bits. A menor valor más claro y a mayor valor más oscuro; de este modo puede simularse una escala de grises, aunque según la electrónica de los procesadores se pueden utilizar otras técnicas matemáticas más complejas, como la interpolación o el tramado. Este ejemplo del fax, tan corriente hoy en día en nuestra sociedad informatizada, nos ha servido para conocer de un modo superficial la conversión analógico-digital. Para los más curiosos puedo decir que en 1842 Alexander Baim sentó sus principios, en 1902 Arthur Kirn empleó ya la célula fotoeléctrica, en 1922 se transmitió la primera imagen (Roma-Bar Harbor, Maine) y en 1937 fue lanzado el primer periódico emitido por radio-facsímil, difundiéndose esta técnica comercialmente desde 1948. Hoy en día no se concibe una oficina sin fax.