observatorio astronómico robotizado accesible vía web

Transcripción

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES
Doctorado en Automática y Robótica. Curso 2006-2007
OBSERVATORIO ASTRONÓMICO ROBOTIZADO
ACCESIBLE VÍA WEB
AUTOR: Diego LÓPEZ ZAMARRÓN
TUTOR: José María SEBASTIAN Y ZUÑIGA
Junio 2007
c 2007 Diego LÓPEZ ZAMARRÓN1
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Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la portada se han obtenido de [42] y son
propiedad de la UPM.
1
Excepto las imágenes y textos gentileza de terceras partes. Sus autores se citarán expresamente en este
texto.
2
Exceptuando lo que es propiedad de otros, como se citó antes.
I
Índice general
1. Introducción
1.1. Motivación . . . . . . .
1.2. Visión General . . . . .
1.3. Objetivos . . . . . . . .
1.4. Organización del trabajo
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2. Contexto del Trabajo
2.1. Trabajo previo . . . . . . . . .
2.2. Trabajo actual . . . . . . . . .
2.2.1. Proyecto ASTROCAM
2.2.2. Proyecto CICLOPE . .
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3. Observatorio Astronómico Robotizado
3.1. Construcción . . . . . . . . . . . .
3.1.1. Exterior . . . . . . . . . . .
3.1.2. Interior . . . . . . . . . . .
3.2. Automatización . . . . . . . . . . .
3.3. Desarrollo de aplicaciones de control
3.4. Características . . . . . . . . . . . .
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4. Mosaicos
4.1. Preámbulo . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Estado del arte . . . . . . . . . . . .
4.2.1. Mosaicos en astrofotografía
4.2.2. Mosaicos en general . . . .
4.3. Software testeado . . . . . . . . . .
4.4. Anotaciones . . . . . . . . . . . . .
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5. Conclusiones y futuros trabajos
5.1. Conclusiones . . . . . . . .
5.1.1. Observatorio . . . .
5.1.2. Mosaicos . . . . . .
5.2. Futuros Trabajos . . . . . .
5.2.1. Observatorio . . . .
5.2.2. Mosaicos . . . . . .
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A. Puesta en marcha del Observatorio
A.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2. Sesiones de observación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Bibliography
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IV
Índice de figuras
1.1. Sesiones de observación nocturnas y divulgativas realizadas por astrónomos aficionados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Fotografía de un observatorio astronómico . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3. Fotografía del telescopio espacial Hubble en orbita alrededor de la tierra .
1.4. Mosaico del objeto Messier 101 formado por imágenes obtenidas por el
telescopio Hubble y por telescopios desde tierra . . . . . . . . . . . . . .
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2.1. Estructura de la información obtenida por una cámara CCD . . . . . . . .
2.2. Método de calibración avanzada de imágenes astronómicas . . . . . . . .
2.3. Captura de pantalla de la aplicación AIP4WIN procesando una imagen
astronómica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4. Nuevo circuito electrónico añadido a la webcam para obtener larga exposición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5. Logotipo del Proyecto ASTROCAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6. Logotipo del Proyecto CICLOPE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7. Arquitectura software y estructura modular de CICLOPE . . . . . . . . .
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3.1. Fotos exteriores del observatorio terminado . . . . . . .
3.2. Detalles del proceso de construcción del observatorio . .
3.3. Detalles de la estación meteorológica del observatorio . .
3.4. Detalles de colocación del pedestal para el telescopio . .
3.5. Detalles de colocación del suelo técnico del observatorio
3.6. Detalles de la instalación eléctrica del observatorio . . .
3.7. Posición de los sensores de la cúpula . . . . . . . . . . .
3.8. Detalle de los mecanismos de apertura de la cúpula . . .
3.9. Captura de pantalla Ciclope Astro - Inicio . . . . . . . .
3.10. Captura de pantalla Ciclope Astro - Album . . . . . . .
3.11. Captura de pantalla Ciclope Astro - Reservas . . . . . .
3.12. Captura de pantalla Ciclope Astro - Video . . . . . . . .
3.13. Captura de pantalla Ciclope Astro - Planetarium . . . . .
3.14. Captura de pantalla Ciclope Astro - Astrofotografía . . .
3.15. Captura de pantalla Ciclope Astro - Weather . . . . . . .
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4.1. Mosaico de la luna realizado por Antonio PEREZ . . . . . . . . . . . . .
4.2. Mosacio de la luna formado por 4 imágenes . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3. Mosaico de la luna formado por 24 imagenes . . . . . . . . . . . . . . .
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4.4. Imagenes que componene el mosaico de la luna de 24 imágenes
4.5. Mosacio de la luna formado por 34 imágenes . . . . . . . . . .
4.6. Autostitch - Mosaico de la luna realizado con 4 imágenes . . . .
4.7. Autostitch - Mosaico de la luna realizado con 24 imágenes . . .
4.8. Autostitch - Mosaico de la luna realizado con 34 imágenes . . .
4.9. iMerge - Mosaico de la luna realizado con 4 imágenes . . . . . .
4.10. iMerge - Mosaico de la luna realizado con 24 imágenes . . . . .
4.11. AutoPano- Mosaico de la luna realizado con 4 imágenes . . . .
4.12. AutoPano - Mosaico de la luna realizado con 24 imágenes . . .
4.13. AutoPano - Mosaico de la luna realizado con 34 imágenes . . .
4.14. Hugin - Mosaico de la luna realizado con 4 imágenes . . . . . .
4.15. Hugin - Mosaico de la luna realizado con 24 imágenes . . . . .
4.16. Hugin - Mosaico de la luna realizado con 34 imágenes . . . . .
4.17. AstroMosaic - Mosaico de la luna realizado con 4 imágenes . .
4.18. AstroMosaic - Mosaico de la luna realizado con 24 imágenes . .
4.19. gimp - Mosaico de la luna realizado con 4 imágenes . . . . . . .
4.20. Imagen panorámica obtenida con distintas aplicaciones . . . . .
4.21. Otra imagen panorámica obtenida con distintas aplicaciones . .
A.1.
A.2.
A.3.
A.4.
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Telescopio en montura ecuatorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Primeras fotografías del sol usando el filtro solar . . . . . . . . . .
Ajustes en la cuña ecuatorial para poner en estación el telescopio . .
Mosaico de la luna, con imagenes sin ningun tipo de procesamiento.
alizado con iMerge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.5. Fotos del primer intento de enfoque con una máscara Hartman . . .
A.6. Foto de Saturno. Apilamiento de 10 imágenes. . . . . . . . . . . . .
A.7. Foto de la galaxia M31 (Galaxia de Andromeda) . . . . . . . . . . .
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Re. . .
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Resumen
El presente trabajo aborda dos temas diferentes pero globalmente relacionados. De un
lado describe el proceso de construcción del primer observatorio astronómico robotizado de libre acceso vía web y de otro, realiza una aproximación al estado del arte de la
tecnología para la realización automática de mosaicos de objetos celestes.
El observatorio astronómico robotizado de la Universidad Politécnica de Madrid tiene
como objetivo principal ser un medio para difundir la astronomía en todos los niveles de
conocimiento de la sociedad. La vía de comunicación para conseguirlo es Internet. Para ello, se está desarrollando una aplicación web de caracter colaborativo que permitirá
poner a disposición de los usuarios un conjunto de herramientas e instrumentos profesionales. Con la finalidad de llegar al mayor número de personas, el interfaz de control del
observatorio se adaptará al nivel de conocimientos del usuario, y en función del conocimiento que vaya adquiriendo y la participación que realice podrá adquirir mayor nivel y
por tanto acceso a otros controles. A mayor colaboración, por ejemplo enseñando a otros
usuarios, adquirirá mayor tiempo de observación. Existirán también las penalizaciones.
Un uso inadecuado del instrumental, por ejemplo intentando observar el sol sin la protección adecuada, restará tiempo de observación e incluso un descenso de nivel.
Para conseguir atraer aficionados, además del libre acceso al material, hay que proporcionar herramientas de calidad que les permitan un manejo fácil y sencillo del mismo,
permitiéndoles hacer las mismas cosas que harían si estuvieran físicamente en el observatorio. Una de estas herramientas que se pretende incorporar es la realización automática
de mosaicos de objetos celestes, como la luna. Para ello, en este trabajo también se aborda
el estudio de la tecnología actual existente en este campo. Recientes trabajos han conseguido automatizar la mayoría de las tareas que se ven involucradas aqui, consiguiendo
mejorar los algoritmos haciendo que en éstos sea mínima o nula la entrada de datos por
parte del usuario. Por ejemplo, dado el campo de vista de la cámara y la porción de cielo
a fotografiar, un programa calcula cuantas fotos deben realizarse y además posicionar el
telescopio en la posición correcta para realizarse. Por otro lado también existe una aplicación, que dado un conjunto de imágenes, es capaz automáticamente de alinearlas y formar
un mosaico con ellas sin la intervención del usuario. Sin embargo, no existe aun una herramienta que realice todo el proceso completamente de forma automática y específicamente
para objetos celestes.
VII
Capítulo 1
Introducción
1.1. Motivación
Hoy en día está de moda trabajar en equipos multidisciplinares en el mismo espacio
físico. Una de las razones principales que esgrimen los defensores de esta metodología es
que fomenta las relaciones personales entre los compañeros y con ello un mejor ambiente
de trabajo, repercutiendo de forma directa en la gestión y explotación de la empresa.
Si bien, esta metodología, junto por ejemplo con jornadas de team building1 produce
muy buenos resultados en ambientes controlados como la división de una gran empresa,
no es extrapolable a otro tipo de proyectos, tambien multidisciplinares, pero que a su
vez estan formados por distintas instituciones o empresas y donde la coordinación del
proyecto esta distribuida entre personas que no siempre pueden establecer un contacto
personal cara a cara.
Ejemplos de este otro tipo de organizaciones multidisciplinares son los proyectos de
software libre desarrollados por comunidades de usuarios interconectados por medio de
internet o también los proyectos de investigación y difusión financiados por distintas instituciones y formados por científicos heterogéneos.
Hay que destacar que existen herramientas que permiten el intercambio continuo de
información y con ello, la consecución de objetivos comunes, como puede ser el desarrollo de nuevas tecnologías o la difusión de la ciencia y todo ello salvando las distancias
físicas entre los investigadores y desarrolladores.
Una de las principales herramientas de este tipo, es Internet. Es indudable su exito
actual como medio de comunicación y difusión, pero debe recordarse que no es algo
nuevo, puesto que hace unos años ya lo usaban los científicos y los desarroladores de
proyectos de software. La novedad está en el uso de la misma, por parte de la gente
aficionada que comparte sus descubrimiento y experiencias para que el resto de la gente
pueda aprender de ellas. Este es por ejemplo, el caso particular de la Astronomía, una
de las ciencias más accesible para el aficionado. Ejemplos típicos de compartición de su
conocimiento y experiencias son la creación de páginas y foros web, donde divulgan y
comparten sus descubrimientos y problemas, asi como la realización de observaciones
1
Técnica que consiste en realizar juegos por equipos con un alto contenido docente, que permite conocer
como interactúa un equipo de trabajo y analizar la capacidad de rendimiento y coordinación.
1
Introducción
2
Figura 1.1: Sesiones de observación nocturnas y divulgativas realizadas por astrónomos
aficionados
nocturnas en grupo, como puede verse en la figura 1.1.
Resumiendo las ideas anteriores, el interés personal en algo, junto con un ambiente
multidisciplinar y heterogeneo de conocimiento y una infraestructura común de comunicación y difusión hacen que la labor de desarrollar proyectos2 sea algo constructivo y
reconfortable personalmente.
Estas características se dan en el autor y su entorno, haciendo que este proyecto y los
venideros se realicen a priori en una ambiente favorable para la consecución de metas.
Por una parte el autor forma parte del Proyecto ASTROCAM [12], el cuál está formado por un grupo heterogéneo de astrofísicos que entre uno de los objetivos marcados
es la difusión de la astronomía al público en general. Uno de los medios para conseguirlo
es mediante la construcción de un observatorio astronómico robotizado accesible vía web
para cualquier persona. Es aquí donde se desarrolla la mayor parte de la actividad del
autor, permitiendole acceder a material y conocimiento que dificilmente podría conseguir
en la vida diaría. Es en este punto además donde se mezcla con la participación en el Proyecto CICLOPE [22], el cuál tiene una dilata experiencia en el desarrollo de laboratorios
educacionales de acceso remoto.
1.2. Visión General
En la actualidad existe una elevada cantidad de automatismos que hacen que la vida
cotidiana sea más cómoda, como por ejemplo la apertura automática de puertas. En el
entorno profesional, la inclusión de automatismo tiene, entre otros objetivos por ejemplo,
mejorar la precisión de un proceso mecánico.
En el mundo de la astronomía profesional y aficionada también ocurre lo mismo.
Desde los grandes radio-telescopios hasta gran parte de los telescopios de aficionados
cuenta con monturas robotizadas que permiten un control preciso sobre los mismos. Esto
es más evidente, puesto que existe un telescopio en orbita alrededor de la tierra, el Hubble
(Veasé figura 1.3), que es controlado desde la tierra. No sólo se automatiza el telescopio,
sino también el resto de instrumentos, como por ejemplo las cámaras o la propia cúpula.
Sin embargo, el acceso a estos recursos que facilitan la observación es caro y no todo
el mundo aficionado a la astronomía puede permitírselo. Incluso pudiéndoselo permitir,
2
Tanto de tamaño pequeño como grande.
1.2 Visión General
3
Figura 1.2: Fotografía de un observatorio astronómico
Figura 1.3: Fotografía del telescopio espacial Hubble en orbita alrededor de la tierra
el nivel de sotisficación y complejidad de algunos modelos complican su manejo y por
tanto el disfrute en la observación.
La existencia de un observatorio astronómico robotizado accesible vía web compuesto
de material profesional y de acceso libre para cualquier persona facilitará la observación
y disfrute de la astronomía, y por que no, descubrir un nuevo objeto celeste.
Las comodidades de un observatorio robotizado accesible vía web como el que se está
desarrollando no es solamente que pueda ser manejado sentado frente a un ordenador y asi
evitar por ejemplo el frio de una noche de observación (Veasé figura 1.2). Van más alla, por
ejemplo será posible programar sesiones de astrofotografía para que se realicen mientras
uno duerme o contar con la colaboración de expertos en tiempo real mientras se realiza
una observación. Pero una de las más importantes es, que una persona con escaso o nulo
conocimiento en astronomía e instrumentación podra acercarse al apasionante mundo de
la observación astronómica.
Introducción
4
Figura 1.4: Mosaico del objeto Messier 101 formado por imágenes obtenidas por el telescopio Hubble y por telescopios desde tierra
1.3. Objetivos
La contribución de este trabajo es doble, por un lado describe el proceso de puesta en
marcha y automatización del Observatorio Astronómico de la UPM y de otro, aborda el
estado del arte en la generación automática de mosaicos para la creación de una nueva
herramienta para el observatorio.
El primer objetivo será descrito con más detalle en el capítulo 3. En él se realiza una
descripción del proceso de construcción física y robotización del observatorio, así como
de las herramientas que se han ido desarrollando para controlarlo. Se debe destacar el
esfuerzo de este trabajo multidisciplinar donde ha sido necesario aplicar conocimientos
de astronomía, informática, mecánica y visión por computador entre otras tecnologías.
El segundo objetivo será descrito en el capítulo 4. En él se aborda el estudio de la tecnología actual que existe para la realización automática de mosaicos. Con esto se pretende
obtener un estudio preliminar para el diseño de una aplicación web que se incorporará al
observatorio para la obtención automática de mosaicos de objetos celestes, como la luna,
o de partes del cielo, de forma similar a como hace el telescopio Hubble en la figura 1.4.
1.4. Organización del trabajo
El presente trabajo está organizado de la siguiente manera:
Capítulo.1 Introducción. Este capítulo. Visión general del documento.
1.4 Organización del trabajo
5
Capítulo.2 Contexto del Trabajo. Describe el entorno donde se ha desarrollado el trabajo.
Capítulo.3 Observatorio Astronómico Robotizado. Descripción del proceso de construcción y robotización del Observatorio Astronómico de la UPM.
Capítulo.4 Mosaicos. Estado del arte de la tecnología para realizar mosaicos de forma
automática.
Capítulo.5 Conclusiones. Reune las conclusiones deducidas por el autor tras efecutar el
trabajo y se indican las líneas de trabajo futuras a desarrollar e investigar.
Anexo.A Puesta en marcha del Observatorio. Se describen las operaciones que se han
realizado para la puesta en marcha del observatorio, alineación de la cuña, colimación del telescopio, etc.
Capítulo 2
Contexto del Trabajo
El presente capítulo pretende de alguna manera contextualizar este trabajo dentro del
entorno donde desarrolla su actividad profesional y académica el autor del mismo, puesto
que existe relación entre ambas actividades.
El autor actualmente es el Técnico del Proyecto ASTROCAM [12] y colabora activamente en el Proyecto CICLOPE [22], además de cursar el Programa de Doctorado en
Automática y Robótica en la ETSII1 de la UPM2 .
En este capítulo se hace un repaso al trabajo previo realizado en el programa de doctorado, asi como a la labor que desarrolla en los proyectos ASTROCAM y CICLOPE. Se
pretende resaltar el entorno multidisciplinar, institucional y empresarial donde se desarrolla, así como la incursión en un campo desconocido para el autor como es la astronomía
y en particular la astrofotografía.
2.1. Trabajo previo
Como parte de la formación del autor, durante el periodo de docencia del programa
de doctorado en Automática y Robótica en el curso académico 2005-2006, se cursó la
asignatura de Visión por Computador. Para la evaluación de la misma, se realizó un trabajo
titulado Astrofotografía con Webcam [17] que sirvió de introducción a la astrofotografía.
El trabajo se estructuraba en dos partes:
1. Introducción al procesamiento de imágenes astronómicas.
Esta primera parte del trabajo consistió en realizar una aproximación a los conceptos básicos y vocabulario del mundo de la astrofotografía. Por ejemplo se aprendió
que eran los dark frames, que sirven para eliminar parte del ruido que capta el sensor
de la cámara (Veasé figura 2.1).
Igualmente, se estudiaron métodos de calibración de imágenes (Veasé figura 2.2) y
sistemas de enfoques para el telescopio.
1
2
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
Universidad Politécnica de Madrid
7
8
Figura 2.1: Estructura de la información obtenida por una cámara CCD
También se probaron distintas herramientas software existentes para el procesado
de imágenes astronómicas (Veasé figura 2.3). y se estudió la metodología de trabajo para las noches de observación, la puesta en estación de un telescopio y las
diferencias entre una observación visual y una observación con webcam.
2. Modificación, hardware y software, de una webcam para realizar astrofotografía.
Se realizó la adaptación de una webcam para conseguir mayor tiempo de exposición
por tratarse de una forma barata y sencilla de iniciarse en la astrofotografía, pero
además con buenos resultados, como puede comprobarse en [15]. En este caso se
realizó la alteración sobre un modelo bien conocido como es la Philips ToUcam
Pro. La modificación se llevó a cabo según el procedimiento de Steve Chambers
[38]. La webcam no cambia su aspecto tras la reforma (Veasé la figura 2.4).
Tras la realización de este trabajo se consiguió una buena aproximación al vocabulario
y metodología de trabajo en astrofotografía, y la construcción de un dispositivo para la
captación de imágenes astronómicas de alta calidad y de bajo coste.
2.2. Trabajo actual
Actualmente el autor desempeña el puesto de Técnico del Proyecto ASTROCAM
[12]. Su trabajo consiste, de forma resumida y entre otros cometidos, en desarrollar y
mantener el Observatorio Astronómico Robotizado de la Universidad Politécnica de Madrid, situado en la Facultad de Informática [6]. Esta actividad esta relacionada con las
actividades del Proyecto CICLOPE [22] en el que colabora, y tambien con la investigación que realiza el autor en el campo de la astrofotografía. En esta sección se describirá
de forma resumida los objetivos de los Proyectos ASTROCAM y CICLOPE.
2.2 Trabajo actual
Figura 2.2: Método de calibración avanzada de imágenes astronómicas
9
10
Figura 2.3: Captura de pantalla de la aplicación AIP4WIN procesando una imagen astronómica
Figura 2.4: Nuevo circuito electrónico añadido a la webcam para obtener larga exposición
2.2 Trabajo actual
11
Figura 2.5: Logotipo del Proyecto ASTROCAM
2.2.1. Proyecto ASTROCAM
ASTROCAM [12] es la Red de Astrofísica de la Comunidad de Madrid en la que
participan científicos del CSIC, UAM, UCM, UPM, ESAC y UEM, así como distintas
empresas del sector privado, que pretende dotar a dichos investigadores de una estructura
y un marco común de actuación potenciando distintas actvidades, como pueden ser:
Movilidad de investigadores y postdocs entre los distintos grupos a nivel local e
internacional, fomentando el desarrollo de proyectos comunes y haciendo uso de
recursos comunes como pueden ser las fuentes bibliográficas, recursos computacionales, laboratorios, etc.
Respaldar la creación de un Master Interuniversitario de excelencia en Astrofísica.
Optimizar la explotación científica de los recursos disponibles actualmente (XMM,
HST, Observatorio de las Islas Canarias, ...) y de los futuros (Herschel, JWST, ...).
Aumentar la competitividad de la Astrofísica en la CAM3 en proyectos internacionales.
Potenciar el desarrollo y uso de nuevas tecnologías, así como la formación de excelencia de investigadores. Potenciar igualmente la incorporación de jovenes postdocs
a un entorno de excelencia y empresarial.
Preparar, formar y motivar personal en el campo de la gestión en Astrofísica desde
el punto de vista humano, científico y técnico.
Prestar el conocimiento científico-técnico en todas aquellas actividades que la CAM
considere oportunas, así como difundir los logros de las Astronomía a la sociedad,
aumentando la visibilidad de la investigación que se lleva a cabo en la CAM. La
tele-operación de un observatorio astronómico permitirá divulgar los avances en
Astrofísica en los centros de enseñanza secundaria y al gran público en general.
La actividad principal donde desarrolla su actividad el técnico y donde tambien participa
el Proyecto CICLOPE es en la difusión de la astronomía, principalmente con la construcción de un observatorio astronómico robotizado de libre acceso vía web.
3
Comunidad Autónoma de Madrid
12
Figura 2.6: Logotipo del Proyecto CICLOPE
2.2.2. Proyecto CICLOPE
CICLOPE [22] nace en el año 2001 en el seno de la Facultad de Informática [6] bajo la
coordinación del profesor Dr. Francisco M. SÁNCHEZ MORENO. El principal objetivo
de CICLOPE es ofrecer la posibilidad de crear laboratorios remotos accesibles via web.
Ante la escasez de recursos o infrautilización de los mismos, para el acceso a laboratorios por parte de escuelas y universidades, CICLOPE, ha desarrollado una arquitectura
software común (Veasé figura 2.7) para todos los laboratorios, de forma que los laboratorios puedan estar disponibles las 24 horas del dia, los 365 días del año. De esta forma, tan
solo es necesario que el alumno cuente con un computador personal con acceso a internet
para poder realizar sus prácticas en cualquier momento y lugar.
CICLOPE sigue la filosofía del software libre para su desarrollo de forma que cualquier persona o institución puede adaptar el software a sus necesidades e incluso mejorarlo. Además, se ha diseñado de forma modular (Veasé figura 2.7) de forma que puede
personalizarse también las características del laboratorio.
Hasta el momento se encuentran en funcionamiento dos laboratorios remotos. Uno
esta situado en la Facultad de Informática de la UPM y se trata de un robot para la enseñanza de sistemas de tiempo real [32][19] y el otro se encuentra en la Escuela Técnica
Superior de Ingenieros Industriales de la UNED4 y se trata de un sistema de prácticas
reales con un espectrografo [33].
4
Universidad Nacional de Educación a Distancia
2.2 Trabajo actual
13
(a) Arquitectura
(b) Estructura Modular
Figura 2.7: Arquitectura software y estructura modular de CICLOPE
Capítulo 3
Observatorio Astronómico Robotizado
El primer Observatorio Astronómico de la Universidad Politécnica de Madrid ha visto
por fin la luz1 a mediados del año 2007 despues de un largo proceso burocrático de varios
años. Se encuentra situado en la azotea del bloque 6 (Veasé figura 3.1) de la Facultad de
Informática [6].
La particularidad de este observatorio frente a los existentes en otras instituciones
[10][9] radica primero en su robotización y segundo en su acceso a él de forma libre y a
través de un navegador web.
En este capítulo se hará una descripción del proceso de construcción (Veasé sección
3.1), del proceso inicial de robotización (Veasé sección 3.2), del proceso de desarrollo de
las aplicaciones web que permiten su control remoto a través de internet (Veasé sección
3.3) y por último de las características globales que reune el observatorio (Veasé sección
3.4).
Figure 3.1: Fotos exteriores del observatorio terminado
1
Nunca mejor dicho
15
16
Figure 3.2: Detalles del proceso de construcción del observatorio
3.1. Construcción
3.1.1. Exterior
Cúpula
La construcción de la estructura física del observatorio se divide en dos partes. De
un lado el muro circular2 y de otro, la propia cúpula de fibra de vidrio.
El proceso de diseño y construcción de la cúpula motorizada de fibra de vidrio se
encargó a la empresa Catalana de Telescopios [5] que tardó más de medio año en
llevarla a cabo. Era la primera vez que el constructor se enfrentaba a una cúpula
de este tamaño, 3,5 metros de diámetro. La elección de esta cúpula y no otra,
como las Baader3 , fue debido a la continua reducción de presupuesto tras retrasarse
reiteradamente el proyecto.
Finalmente, tras la elevación del perímetro circular, que se llevó a cabo en unos
dias, en diciembre de 2006 se ensambló la cúpula de fibra de vidrio y se izó4 en la
estructura, como puede observarse en la figura 3.2.
Estación Meteorológica
En febrero de 2007 se instaló junto al observatorio una estación meteorológica completa. Se trata del modelo Davis Vantage Pro 2 Plus with Fan-Aspirated Radiation
Shield. Su localización está próxima al observatorio, observesé la figura 3.3, pero
2
Fachada.
Constructor de cúpulas avanzadas tecnologicamente y con acabado profesional. www.baaderplanetarium.de
4
No faltó gente para echar una mano.
3
3.1 Construcción
17
Figura 3.3: Detalles de la estación meteorológica del observatorio
Figura 3.4: Detalles de colocación del pedestal para el telescopio
respetando unas distancias mínimas para evitar lecturas erroneas. Se trata de un modelo inalámbrico y mediante otro dispositivo, un monitor, se accede a las lecturas
de los sensores de la estación en tiempo real.
3.1.2. Interior
Pedestal
Al realizar un observatorio de cierta altura como éste, hace que el telescopio deba
situarse bastante elevado sobre el suelo. El telescopio es un instrumento de precisión. Una leve vibración en su base puede provocar una variación de segundos de
arco en la dirección del objetivo que esté observando, haciendo que éste desaparezca de su campo de visión. Por ello se ha realizado un pedestal lo más robusto
posible para disminuir al mínimo las vibraciones a pesar de la considerable altura a
la que se encuentra del suelo, como se puede observar en la figura 3.4. A finales de
febrero de 2007 quedó instalado.
18
Figure 3.5: Detalles de colocación del suelo técnico del observatorio
Figura 3.6: Detalles de la instalación eléctrica del observatorio
Suelo técnico
Las particularidades de este observatorio, con planta circular, han hecho que el
proceso de colocación de un suelo técnico se haya demorado más de lo planificado
inicialmente. Finalmente el 20 de marzo de 2007 se terminó la instalación como
puede observarse en la figura 3.5.
Electricidad
De nuevo problemas burocráticos retrasarón la instalación electrica que no pudo
estar concluida hasta junio de 2007. En la figura 3.6 puede verse parte del proceso
de instalación.
Una vez concluida la construcción física del observatorio, las siguientes fases han sido,
por un lado realizar la automatización de la cúpula y la continuación de las aplicaciones
web de control y por otro, la colocación en el observatorio del telescopio. Este proceso
está descrito con más detalle en el anexo A. El resto se verá en las siguientes secciones.
3.2 Automatización
19
N
Sensores
Abertuta
O
E
S
Figura 3.7: Posición de los sensores de la cúpula
3.2. Automatización
El proceso de automatización o robotización del observatorio astronómico consiste
en instalar los mecanismos adecuados para permitir controlar de forma remota cada uno
de los dispositivos que interviene en el proceso de observación astronómica. De forma
básica los elementos son, la cúpula (apertura/cierre y giro), el telescopio y las cámaras.
El telescopio dispone ya de una montura robotizada que se controla a través del puerto
serie y las cámaras se controlan a través del puerto paralelo y USB. Las aplicaciones web
de control tanto del telescopio como de las cámaras se decriben en la sección 3.3. En
cuanto a la cúpula, el fabricante sólo incorporó 2 motores y un sistema manual de control
de apertura/cierre y giro que está formado por pulsadores.
El diseño inicial realizado para la automatización de la cúpula se basa en dos puntos:
1. La apertura se realizará de forma automática una vez se comience la sesión de
observación5. El propio motor limita la apertura y cierre de las puertas6 de la cúpula.
2. El giro de la cúpula será esclavo al giro del telescopio. La cúpula seguirá al telescopio.
El interfaz de comunicación elegido inicialmente es el puerto paralelo. Mediante el puerto
paralelo y unos relés se controlan los botones de abrir, cerrar, parar, girar izquierda y girar
derecha simulando al sistema manual que hay actualmente. Para saber en que posición
se encuentra la cúpula se han situado 4 sensores en las direcciones geográficas norte, sur,
este y oeste y el iman de éstos en el centro de la apertura de la cúpula (Veasé figura 3.7).
La problemática del seguimiento de la cúpula al telescopio se resuelve de la siguiente
forma. En cualquier momento se sabe donde está apuntando el telescopio (coordenada
5
El sistema de control determinará si las condiciones son adecuadas para la apertura de la cúpula, por
ejemplo, puede estar lloviendo.
6
Faldón inferior y superior.
20
Figura 3.8: Detalle de los mecanismos de apertura de la cúpula
DEC7 ), leyendo los datos de su montura. Para saber donde se encuentra la abertura de la
cúpula se leen los pasos por los sensores “geográficos” y es en esos momentos cuando se
conoce con exactitud la posición relativa de la cúpula frente al telescopio. A continuación
ya se le puede indicar a la cúpula la posición hasta la que debe desplazarse, para ello
previamente se ha calculado la velocidad media de giro de la cúpula para establecer cuanto
tiempo debe moverse hasta alcanzar el objetivo.
El sistema de control es complejo puesto que debe sincronizarse cada poco tiempo,
pero lo es más, porque debe tener en cuenta una restricción física importante. El motor
que permite la apertura y cierre de la cúpula gira solidariamente con ésta. El motor es
eléctrico y actualmente es alimentado mediante un cable. Este cable limita el número
máximos de giros que la cúpula puede dar en una misma dirección8 . Se ha estudiado ya
una solución a este problema, que consiste en la instalación de una cadena portacables
unida al borde circular de la cúpula y que giraría solidariamente con la cúpula, evitando
que el cable se enrolle en el pedestal del telescopio. Queda limitado también el número
de giros pero es un sistema más robusto.
El sistema no se encuentra activo aun vía web, puesto que hemos detectado deficiencias en el sistema de apertura de una de las puertas9 de la cúpula. El mecanismo que lleva
implementado no ofrece robustez (Veasé figura 3.8) y 2 de cada 3 veces falla, por lo que
en estos momentos se están estudiando otras alternativas. La que más fuerza tiene por
el momento es la independización del mecanismos de apertura de la puerta baja con la
alta y abrir la puerta baja con otro motor, similar al de apertura de garajes por ejemplo.
Aumentaría el sistema de control, pero daría robustez al proceso.
Con este sistema se dispone de una funcionalidad mínima para operar remotamente el
observatorio de forma robusta.
7
Es el movimiento en azimuth del telescopio, movimiento horizontal, paralelo al suelo.
También se da para el telescopio, puesto que a él están unidas cámaras con cables de longitud limitada.
9
El faldón inferior.
8
3.3 Desarrollo de aplicaciones de control
21
Figure 3.9: Captura de pantalla Ciclope Astro - Inicio
3.3. Desarrollo de aplicaciones de control
Desde la adquisición del Telescopio, allá por el año 2003, se han ido desarrollando
sucesivas versiones de librerías y aplicaciones [31]. El tiempo pasa y las tecnologías de
diseño de aplicaciones web avanzan. La plataforma actual de desarrollo escogida para el
diseño completo de la aplicación web de control del observatorio astronómico es java.
Esto ha obligado a la reescritura de numerosas librerías y aplicaciones pero ha supuesto una mejora puesto que ahora todo el material se encuentra escrito en un sólo código y
por tanto es más mantenible y reutilizable.
Con la incorporación del Proyecto ASTROCAM al desarrollo y construcción del observatorio, la tarea de desarrollo de software se ha incrementado, incluso antes de la culminación de la obra física.
El proyecto principal se ha llamado Ciclope Astro y actualmente tiene tres subproyectos que se encargan de distintas partes y herramientas de la aplicación web de control del
observatorio.
Ciclope Astro [31][30]
Es el nucleo central y sobre el cuál se desarrolla la aplicación web del observatorio (Veasé figura 3.9). Gran parte de sus funcionalidades aun se encuentra en
desarrollo y otras han sido desarrolladas en subproyectos independientes. Al día
de hoy dispone de una aplicación mínima funcional que consta de un sistema de
gestión de usuarios y reservas (Veasé figura 3.11), control en tiempo real del telescopio con distintos interfaces y retransmisión en tiempo real (Veasé figura 3.12),
así como la toma de fotos y astrofotos (Veasé figura 3.14). Igualmente se encuentran parcialmente implementadas las funcionalidades del sistema de noticias, album
fotográfico (Veasé figura 3.10), chat y foro de usuarios. Otra de las funcionalidades
parcialmente implementada es la retransmisión en tiempo real de acontecimientos
22
Figure 3.10: Captura de pantalla Ciclope Astro - Album
de importancia y divulgativos, por ejemplo la retransmisión de eclipse, donde astronómos guián el telescopio y añaden comentarios para la gente que lo esté viendo.
Igualmente se encuentra empotrado un planetario, pero únicamente para mostrar información y no como sistema de control del telescopio.
Todas estas funcionalidades y las que quedan por desarrollar persiguen crear una
aplicación web colaborativa, como así se denomina en el universo del web 2.0,
donde el principal objetivo es que el usuario de la aplicación sea el centro sobre el
cúal gire la propia aplicación. Los usuarios serán los responsables finales de qué,
como y cuando se hagan las cosas (desarrollen nuevas herramientas, se adapten
otras, se retransmita un evento , etc).
La versión beta de la aplicación se encuentra disponible en http://www.ciclope.
info/astro.
• Ciclope Planetarium
El objetivo principal de este subproyecto es desarrollar una aplicación web
similar a las aplicaciones de escritorio como Starry Night o Kstars. Este tipo
de aplicaciones dibujan un planetario, una simulación del cielo nocturno dependiendo de la posición geográfica en la tierra, el día y la hora.
Actualmente es capaz de mostrar el cielo que se ve desde Madrid a distintos
niveles de zoon y proporcionar información de las estrellas visibles, obtenida
en distintos catálogos (Vease figura 3.13).
Las siguientes evoluciones sobre las que ya se está trabajando son:
Figure 3.11: Captura de pantalla Ciclope Astro - Reservas
Figure 3.12: Captura de pantalla Ciclope Astro - Video
23
24
Figure 3.13: Captura de pantalla Ciclope Astro - Planetarium
◦ mostrar distintas capas de información (Planetas, Constelaciones, etc).
◦ servir de interfaz para el telescopio. Es decir, seleccionar una estrella e
indicar que el telescopio se mueva a esa estrella.
◦ distintas proyecciones. El cielo se puede proyectar de distintas formas
según el sistema de representación. Cambia el aspecto visual.
Una versión demo de la aplicación se encuentra disponible en [11].
• Ciclope Astro CCD [18]
Se trata del subproyecto encargado de controlar de forma remota las cámaras,
cada uno de sus parámetros para poder realizar astrofotografía (Veasé figura
3.14). En sucesivas versiones incluirá modulos de procesamiento de imágenes
astronómicas, como los procesos de calibrado o la realización automática de
mosaicos.
Actualmente es capaz de controlar completamente una webcam ToUcam Pro
modificada para larga exposición. Se está trabajando para incorporar un sistema de programación de toma de conjuntos seguidos de astrofotos.
• Ciclope Weather
Este subproyecto permite acceder a los datos proporcionados por la estación
meteorológica del observatorio. Se integra tambien dentro de Ciclope Astro
(Veasé figura 3.15).
Es capaz de mostrar tanto los datos en tiempo real como históricos semanales,
mensuales y anuales. Permite configurar un número de variables meteorológicas y situaciones en las cuales deba lanzarse una alarma, por ejemplo, cerrar
Figure 3.14: Captura de pantalla Ciclope Astro - Astrofotografía
Figure 3.15: Captura de pantalla Ciclope Astro - Weather
25
26
o mantener cerrada la cúpula porque esta lloviendo. Es parte fundamental del
sistema de control de la cúpula.
Los datos se encuentran disponibles en http://www.ciclope.info/
weather.
3.4. Características
Resumiendo, las características principales que reune el observatorio astronómico de
la UPM, algunas de las cuáles ya estan implementadas y otras en camino, son:
Manejo del observatorio desde un navegador web: Distintos interfaces según el
nivel, ...
Tours guiados de aprendizaje: Vista de la luna, ...
Jerarquía de niveles de usario: test, indices de colaboración, enseñanza, ...
Sistema de karma10 : Más karma quien más colabora, ...
Foro, chat, noticias, album fotográfico, reservas
Astrofotografía de larga y corta exposición
Procesamiento de astrofotos: calibración, mosaicos, ...
Al tratarse de una herramienta colaborativa, se lanzará otro proyecto paralelo que consistirá en realizar un estudio estadístico completo de que es lo que hace realmente un usuario
con la aplicación y como son las relaciones entre los usuarios. De estos estudios se podrán
sacar nuevas conclusiones que permitan desarrollar nuevas funcionalidades o evolucionar
las ya existentes.
El material disponible de observación en el observatorio actualmente es:
Telescopio Meade LX200GPS 10”
Cámara CCD SBIG Modelo ST-237A + Rueda Portafiltros CFW-5C
Varias WebCams ToUcam Pro I y II, 2 de ellas modificadas para fotografía de larga
exposición
Filtro Solar
10
Indice de puntuación para los usuarios en función de la participación en la aplicación web.
Chapter 4
Mosaicos
4.1. Preámbulo
La realización de mosaicos fotográficos a priori no es una operación compleja, pero
sí tediosa de realizar. La complejidad aumenta cuando se intenta automatizar el proceso.
Por mosaico, en este trabajo, se debe entender un conjunto de imágenes que han sido
combinadas1 en una simple y gran imagen compuesta [34]. Para este trabajo en particular,
las imágenes son vistas parciales de la luna que son combinadas para obtener la imagen
parcial o completa de la luna (Veasé por ejemplo la figura 4.1).
El objetivo del presente capítulo es realizar una aproximación al estado del arte de la
tecnología y software que se usa para la realización automática de mosaicos o fotografías
panorámicas.
En la sección 4.2 se describirá de forma resumida la situación actual de desarrollo
de las tecnologías encaminadas a la realización automática de mosaicos, mientras que en
la sección 4.3, se mostrarán las pruebas realizadas a distintas aplicaciones que permiten
realizar mosaicos, y por último, en la sección 4.4 se comentarán los resultados de las
aplicaciones probadas y su relación con la tecnología actual.
4.2. Estado del arte
Los algoritmos y métodos de unión de fotografías para crear imágenes de alta resolución o mosaicos llevan años desarrollándose, por ejemplo, para crear mapas digitales o
unir fotos obtenidas mediante satélite [20]. Sin embargo con la explosión de ventas y uso
de cámaras digitales y con ello, el procesamiento directo en un ordenador, han hecho que
las investigaciones vuelvan a este campo [28].
La evolución de las técnicas de alineamiento de imágenes tambien han ido cambiando
con el tiempo, desde los primeros alineamiento con tomas verticales, pasando por las relaciones entre los ejes de rotación o por las técnicas globales para eliminar los efectos del
paralelaje, hasta llegar a las técnicas actuales de alineaminento basado en las características de la imagen que permiten métodos rápidos y robustos, incluso capaces de reconocer
1
Alineadas.
27
Mosaicos
28
Figure 4.1: Mosaico de la luna realizado por Antonio PEREZ
4.2 Estado del arte
29
múltiples panoramas2 . Lo mismo ha ocurrido para las técnicas de pegado y mezcla de
imágenes.
La necesidad básica de los mosaicos en astrofotografía viene del hecho de que el
tamaño del CCD de la mayoría de cámaras es pequeño y por tanto capaz sólo de captar un
trozo muy pequeño del cielo, es decir, su campo de visión es reducido. Existen soluciones
a este problema, como por ejemplo el uso de reductores focales, pero no es válido para
todos los objetos que pueden fotografiarse, por tanto, tomar series de imágenes con solape
es una solución a veces necesaria.
Independientemente de para que y como se hagan las imágenes, un buen mosaico debe
tener dos características, las imágenes individuales deben proporcionar una cobertura total
del área y se debe tener especial atención con el brillo y el color al unir imágenes [37].
En la sección 4.2.1 se describirá cúal es el proceso de aplicación práctica para realizar
mosaicos en astrofotografía, mientras que en la sección 4.2.2 se describirá cuales son las
técnicas actuales que se estan desarrollando para realizar mosaicos / fotos panorámicas
de forma automática.
4.2.1. Mosaicos en astrofotografía
Aunque como todo proceso en astrofotografía es personalizable, se pueden, incluso
deben, seguir unas pautas para realizar mosaicos. Los pasos que deberían seguirse para
realizar un mosaico en astrofotografía son:
En primer lugar se debe elegir como se van a tomar las imágenes: tiempo de exposición, filtros, oculares, etc, en función del objeto a fotografiar. Después, realizar
las fotografías con un solape entre ellas. Este último paso puede realizarse actualmente con la ayuda de software para determinar que fotografías realizar de forma
que el telescopio se mueva a la posición deseada y ahí realizar la fotografía con un
porcentaje de solape ya configurado previamente [37].
El siguiente paso es procesar de forma individual cada imagen para disminuir en lo
máximo posible todo el ruido que acumula el CCD en cada exposición consiguiendo
por ejemplo eliminar el vignetting. Una vez calibradas las imágenes, se disponen y
alinean para formar el mosaico, un proceso manual en la mayoría de las ocasiones,
por ejemplo haciendo uso de iMerge o Photoshop.
La última fase consiste en ajustar el brillo para homogeneizar la imagen final.
4.2.2. Mosaicos en general
De forma general el proceso de realización de mosaicos o imágenes panorámicas consiste en primer lugar determinar el modelo matemático que va a regir en el proceso de
alineación de imágenes. Después debe definirse como se van a obtener los puntos en una
imagen, que van ayudar a determinar la posición relativa entre imágenes. Una vez se
identifica una imagen, se debe definir el método para chequear que punto de una imagen
2
Definición de panorama
Mosaicos
30
se corresponden en el mismo punto en la otra, para así obtener la relación matemática
entre ellas. Con esta información de obtiene un punto de vista óptimo para representar
la imagen final de forma correcta, es decir, como se proyecta. Por último se realizan los
ajustes visuales finales en la imagen de forma global.
Modelos matemáticos
Para poder unir imágenes es necesario determinar la relación matemática entre las
coordenadas de un punto que representa el mismo pixel o región en imágenes distintas [35]. Existen varios modelos paramétricos para obtener esta relación, desde
simples trasnformaciones en 2D hasta tener en cuenta el modelo de rotación de
una cámara en 3D. Normalmente, para este tipo de imágenes se usa el modelo de
transformación proyectiva que conserva las líneas rectas.
Métodos de alineamiento
Existen dos formas, método directo o el método basado en caracteristicas. Se describirá este segundo método por ser el más utilizado. Este método comenzó a
usarse en los primeros dias de la visión estereo y ha ganado popularidad en la unión
de imágenes debido debido a su invarianza a escala y transformación afín debido a
que es capaz de manejar de forma conjunto imágenes a distintas escalas y aspectos
[26].
Comunmente la tecnología que se usa es SIFT [21], uno de los mejores algoritmos
[25]. Recientemente se ha desarrollado un nuevo algoritmo, SURF [24], con similares propiedades pero con mejor rendimiento computacional (mayor rapidez), que
sin embargo aun no ha sido utilizado para este tipo de tareas.
Este método permite determinar puntos de interés en una imágen, pero para evitar falsos positivos, debe pasarse por un algoritmo de filtrado, como por ejemplo
RANSAC o LMS [16]. Esta fase consiste en encontrar el conjunto de parámetros de
alineamiento que sean consistentes de forma que se minimice el error. Igualmente
se elimina el paralelaje y es donde se buscan los posibles distintos panoramas [26].
Proyección
Esta fase consiste en proyectar todas las imágenes en un sola de forma que se vea
desde un punto de vista correcto. Existen distintos tipos de proyeciones, pero lo
más usual para los panoramas son las proyecciones cilíndricas y esféricas [36].
Coser o Mezclar (Blending)
Esta es la fase final, sería sencilla si todas las imágenes estuvieran alineadas correctamente y con el mismo tiempo de exposición, sin embargo, esto no siempre es asi
y normalmente hay imágenes donde varía la exposición o no están completamente
alineadas (blurring) o se han fotografiado objetos en movimiento (ghosting) de ahí
que sea necesario realizar un procesamiento final. Algunos tipos de procesamiento
son:
• Feathering and center vignetting [27]: Corrige distintas exposiciones.
4.3 Software testeado
31
• Optimal seam election [13]: Elimina objetos en movimiento.
• Gradient domains blending [14]: Corrige distintas exposiciones.
• Exposure compensation [27]: Mejor que el feathering. Para grandes diferencias de exposición.
• High dynamic range imaging (HDR) [39]: Compensa las distintas exposiciones aplicando una función global a la imagen.
4.3. Software testeado
En esta sección se describirán algunas de las aplicaciones software que implementan
las características anteriores y que permiten realizar mosaicos.
Se han probado tanto aplicaciones comerciales como libres, tanto para Microsoft Windows como para GNU/Linux. No son todas las que existen, pero si las más conocidas y
utilizadas, tanto para realizar mosaicos de objetos celestes, como para el otro uso comentado en la sección 4.2, realización de fotografías panorámicas.
Antes de describir y comentar los resultados, se muestran las imágenes de prueba para
comparar entre si los resultados de las aplicaciones. En primer lugar, el caso más sencillo,
mosaico de la luna realizado con 4 imágenes. Se muestra el resultado final (Vease figura
4.2) obtenido por su autor3 junto con las 4 imágenes que han servido de base.
3
Realizado con la aplicación AstroMosaic.
Mosaicos
32
Figure 4.2: Mosacio de la luna formado por 4 imágenes
A continuación, un mosaico de la luna formado por 24 imágenes.
Figure 4.3: Mosaico de la luna formado por 24 imagenes
33
34
Mosaicos
Figure 4.4: Imagenes que componene el mosaico de la luna de 24 imágenes
Y por último, el ejemplo más complejo, formado por 34 imágenes, pero dado su
número no se reproducen en este documento.
35
Figure 4.5: Mosacio de la luna formado por 34 imágenes
Se desconoce que herramienta se ha usado para realizar la imagen final en estos dos
últimos casos, pero investigando otros trabajos de su autor, éste hace uso de la herramienta
Adobe Photoshop. Se debe tener en cuenta además, que cada imagen individual ha sido
previamente calibrada y algunas han sido obtenidas tras el apilamiento de varias tomas.
Aplicaciones probadas:
1. AutoStitch [4]
Es la implementación de Lowe y Brown, los autores que propusieron SIFT [21] y un
método de reconocimiento automático de panoramas [26]. A pesar de distribuirse
de forma libre, no es posible acceder a todas las funcionalidades ni al código. Funciona únicamente bajo MS Windows. Comienza a ser usado por astrofotógrafos
aficionados, pero no muy usado porque a veces falla como se puede comprobar en
la figura 4.8. En las figuras 4.6 y 4.7 puede verse el resultado para el mosaico de 4
y 24 imágenes respectivamente.
2. iMerge [8]
Mosaicos
36
Figure 4.6: Autostitch - Mosaico de la luna realizado con 4 imágenes
Aplicación no comercial que permite distribuir y mezclar múltiples imágenes en
un mismo lienzo para obtener un mosaico, donde, en las zonas de solape entre
imágenes se realiza la media de las contribuciones individuales de cada imagen.
Permite alineamiento y control de brillo automático. Funciona únicamente bajo MS
Windows. Aunque permite el alineamiento automático, éste sólo funciona cuando
se situan muy cerca los puntos en común, por tanto deben disponerse de forma
manual en el lienzo. Es de lo más usados por los astrofotógrafos y se obtienen
resultados muy buenos (Veansé las figuras 4.9 y 4.10).
3. AutoPano [3]
Es una versión comercial con licencia AutoStitch. Según sus desarrolladores han
mejorado gran parte de los algoritmos, sin embargo para la realización de mosaicos
lunares falla estrepitosamente cuando el número de imágenes es grande. Funciona
únicamente bajo MS Windows. Veansé los resultados en las figuras 4.11, 4.12 y
4.13.
4. Hugin [7]
Se trata de una versión libre GPL para la realización de imagenes panorámicas.
Funciona tanto en MS Windows, Linux y Mac. La instalación se realizó sobre
GNU/Linux sin el módulo de mezclas, pero aun así se pudo comprobar que falla
cuando se trata de varias imagenes, y no es capaz de hacer el matching. Sería la
implementación libre de Autostitch, y como se puede comprobar para este tipo de
mosaicos no funciona adecuadamente. Pueden verse los resultados en las figuras
4.14, 4.15 y 4.16.
5. AstroMosaic [1][2]
37
Mosaicos
38
Figure 4.9: iMerge - Mosaico de la luna realizado con 4 imágenes
Figure 4.10: iMerge - Mosaico de la luna realizado con 24 imágenes
39
Mosaicos
40
Figure 4.11: AutoPano- Mosaico de la luna realizado con 4 imágenes
Figure 4.12: AutoPano - Mosaico de la luna realizado con 24 imágenes
Figure 4.13: AutoPano - Mosaico de la luna realizado con 34 imágenes
Figure 4.14: Hugin - Mosaico de la luna realizado con 4 imágenes
41
Mosaicos
42
43
Mosaicos
44
Figure 4.17: AstroMosaic - Mosaico de la luna realizado con 4 imágenes
Es una implementación libre GPL muy similar a iMerge, pero en este caso el alineamiento es totalmente manual y el proceso de ajuste de brillo y mezcla se realiza
de forma automática y sin opción a elegir parámetros al final del proceso. Pueden
verse los resultados en las figuras 4.17 y 4.18.
6. Gimp Plugin
Este punto podría llamarse como adaptacion / personalización de un programa de
proposito general en procesamiento de imágenes para una tarea específica, como es
realizar mosaicos / imágenes panorámicas. En este caso se trata de la aplicación
GIMP, al cual se le ha añadido un plugin para unir imágenes seleccionado manualmente una serie de punto de control. Además realiza el matching y la mezcla de
forma automática. Como puede comprobarse en la figura 4.19 no funciona muy
bien el proceso de mezcla. Plugin similares tiene la aplicación Photoshop para MS
Windows así como el propio Gimp.
4.4. Anotaciones
En esta sección se comentan los resultados de las distintas aplicaciones con los tres
tipos de mosaicos propuestos. Como se ha podido observar, los resultados han sido muy
dispares.
En primer lugar, en cuanto al alineamiento de las imágenes, la mayoría funciona adecuadamente para el caso de 4 imágenes, mientras que con 24 y 34, el resultado es casi
irreconocible salvo para los programas de alineamiento manual y el programa Autostitch
[4]. Esto es particularmente extraño puesto que se supone que todos ellos se basan en la
misma teoria [26]. ¿Será que simplemente la implementación es incorrecta?
4.4 Anotaciones
Figure 4.18: AstroMosaic - Mosaico de la luna realizado con 24 imágenes
45
Mosaicos
46
Figure 4.19: gimp - Mosaico de la luna realizado con 4 imágenes
En cuanto al aspecto final, ninguno de los programas obtiene4 un aspecto similar al
obtenido por el autor. Unas veces porque no realiza la alineación correcta, otras porque
no hace el mismo ajuste del brillo que el autor, y otras, simplemente porque no se ha
realizado un procesado final.
Sin duda alguna, el proceso de alineamiento automático es una gran ventaja, pero sólo
se ha conseguido realizar bien con Autostitch. Por contra, a pesar de la mayor fiabilidad
del proceso manual, cuando el número de imágenes es elevado el proceso se convierte en
muy tedioso de llevar a cabo.
Se ha comprobado que estas aplicaciones automáticas tienen un comportamiento similar cuando se trata de imágenes panorámicas con mayores ángulos de rotación de la
cámara. Aun así, el mejor resultado lo sigue obteniendo Autostitch. Veansé las figuras
4.20 y 4.21. Es decir, Autostitch no está pensado para realizar mosaicos de la luna, como
si lo está AstroMosaic.
La idea inicial para este trabajo partía del uso de SIFT [21] para la generación automática de mosaicos. Tras detectar que ya existía una herramienta para ello, Autostitch
[4], se decidió continuar y comprobar si era adecuado para mosaicos lunar. Como se ha
comprobado falla, por tanto el objetivo es conseguir adaptar el algoritmo para este tipo
de objetos. A pesar de la existencia de un nuevo método más rápido para la extración
de características para la alineación, si hay algo de lo que la astrofotografia debe huir es
de la prisa, por tanto el método SURF [24] en principio se descarta para una posterior
investigación y comparativa.
4
Habiendo realizado correctamente la alineación.
4.4 Anotaciones
47
(a) Hugin
(b) AutoStitch
(c) AutoPano
(d) iMerge
Figure 4.20: Imagen panorámica obtenida con distintas aplicaciones
Mosaicos
48
(a) AutoStitch
(b) AutoPano
Figure 4.21: Otra imagen panorámica obtenida con distintas aplicaciones
Chapter 5
Conclusiones y futuros trabajos
5.1. Conclusiones
5.1.1. Observatorio
La construcción del observatorio astronómico de la UPM ha sido un largo proceso
de continuos reajustes y cambios de proyectos pero que finalmente ha visto la luz. El
proceso de su automatización será un largo proceso hasta que cada una de las variables que
intervienen en una observación este completamente automatizada, esto es por ejemplo,
que al finalizar la sesión se ponga la tapa del telescopio.
Sin embargo, no se puede esperar a tener todo completamente automátizado para que
la gente disfrute de ello, porque como se ha dicho varias veces a lo largo de este documento, se pretende que el obervatorio y la aplicación web de control sean una herramienta
de colaboración y participación de cualquier usuario interesado en la astronomía o su difusión, o que simplemente sienta curiosidad. Es por ello, que la mayoría de las aplicaciones se encuentren en estado de desarrollo beta, ello no significa que no funcionen, sino
que el conjunto de funcionalidades es reducido.
La gran dificultad radica en enfrentarse a un proyecto de dimensiones importantes
donde se reunen distintos campos del saber y la tecnología, pero que gracias al ambiente
heterogéneo de trabajo sale adelante con suficiencia. Para la realización del proyecto se
tratan temas de mecánica, electricidad, matemáticas, astronomía, informática, etc y todos
ellos al final quedan reducidos a simples cliks del ratón.
Como no podía ser menos, el objetivo final es poner el cielo al alcance del raton del
ordenador.
5.1.2. Mosaicos
La realización automática de mosaicos de la luna usando la tecnología SIFT [21]
surgió como posible linea de trabajo a investigar para la realización de la tesis doctoral.
Se conocían ya los buenos resultado de SIFT para el reconocimiento de objetos, pero se
desconocía por completo si existía algun tipo de aplicación que fuera capaz de realizar
mosaicos, y en particular de la luna. De ahí que se hiciera el estado del arte para acercarse
49
50
y conocer en profundidad que es lo que existe y que es lo nuevo que se debe desarrollar.
En las primeras aproximaciones de descubrió la aplicación Autostitch [4], desarrollado en parte por el autor de los SIFT. Se trata de una aplicación automática para la
generación de panoramas. Se buscaron otras similares y también las que se usan los astrofotógrafos, como iMerge [8] o astromosaic [1].
Como se ha podido comprobar, tras pasar una batería de pruebas a las aplicaciones,
los resultados han sido muy variados. Desde los programas manuales que consiguen
reproducir la imagen con bastante fidelidad1 , hasta los programas automáticos, los que
usan SIFT, que no sacan ni algo parecido a una luna, salvo Autostitch.
Se puede concluir que la aproximación de usar SIFT es buena, pero debe personalizarse para objetos como la luna, y particularmente, a la hora de realizar la proyección y
pegar las imágenes. La mayoría de los programas estan pensados para realizar fotografías
panorámicas, donde existen grandes movimiento de pan y tilt, pero no ocurre lo mismo
cuando se observa un objeto lejano, como la luna.
Otras posibles líneas de investigación surgen en cada una de las etapas en las que se
puede dividir el proceso de generación de imágenes, desde la simplificación calculando
los puntos de interes sólo en las regiones de solape entre imágenes hasta métodos novedosos de procesamiento de imagenes a la hora de mezclar las imágenes.
5.2. Futuros Trabajos
5.2.1. Observatorio
El trabajo a realizar en esta línea esta bastante definido, basicamente se debe continuar implementando nuevas funcionalidades e ir integrandolas en la aplicación principal
Ciclope Astro [11]. Del mismo modo, a medida que la gente haga uso de ella, se espera
obtener una retroalimentación y con ello seguir mejorando las características y funcionalidades.
Entre otras funcionalidades se implementará el sistema de karma para los usuarios, la
creación de tests por parte de profesionales astrónomos para la evalución de actividades o
el nivel de los usuarios. La posibilidad de que los usuarios inviten a otros a usar el sistema
con sus mismos privilegios, método similar al funcionamiento de obtención de cuentas de
gmail.
5.2.2. Mosaicos
El siguiente paso a dar por esta línea de trabajo es realizar una aproximación a las
distintas implementaciones libres que existen de SIFT para adaptarlo a las caracteriticas
particulares de las fotos de la luna y del cielo profundo. Se trata de adaptar toda la
metodología y algorítmica de la creación de fotos panorámicas a la creación de mosaicos
lunares.
1
No se ha realizado ningun procesamiento, tan sólo alineamiento y ajuste de brillo.
5.2 Futuros Trabajos
51
De forma paralela o al finalizar la etapa anterior, se debe desarrollar una herramienta
para que de forma automática se tomen las imágenes y se realice el procesado individual
de cada una de ellas.
Una vez se dispongan de esta aplicacione, se integrará dentro de la aplicación Ciclope
Astro.
52
Appendix A
Puesta en marcha del Observatorio
A.1. Introduccion
La astrofotografía de cielo profundo requiere de precisión, mayor cuanto más tiempo
de exposición sea necesario. No pretendiendo contar aqui todas las implicaciones físicas
y matemáticas que involucra el proceso de seguimiento mientras se esta realizando una
fotografía de larga exposición, simplemente decir que para poder realizar buenas sesiones
de astrofotografía es preciso colocar el telescopio sobre una montura ecuatorial (Veasé
figura A.1).
No sólo es situar la cuña ecuatorial y encima el telescopio, es preciso orientar y configurar la cuña de forma que el telescopio sea capaz de hacer seguimiento únicamente
moviendo uno de sus ejes (el perpendicular al suelo), de forma que se minimicen los
errores debido a los motores.
Existen numerosos métodos de alineamiento de la cuña ecuatorial, conocido como
procedimiento de puesta en estación, pero el más recomendable es el conocido método de
la deriva [23].
Este proceso es el más importante pero no el único que debe realizarse para disponer
de un obervatorio en condiciones optimas para la observación y más si se pretende que sea
operado de forma remota. Éste y otros procesos deben realizarse en persona en sesiones
de obsevación.
Otra de las razones de la necesidad de realizar sesiones de observación en primera
persona, a parte de para configurar el material, es para sentir en primera persona como se
realizan las observaciones para ser capaces de reproducir lo más fielmente en la aplicación
web todos los controles.
A.2. Sesiones de observación
Las ganas que se tenían por probar el observatorio, hicieron que incluso desde antes de
tener la instalación eléctrica se realizaran las primeras observaciones tendiendo un cable
de luz y otro de red hasta el laboratorio.
Las primeras observaciones se realizaron por el día, y como no, el sol es el gran
objeto celeste a ver por el día. Haciendo uso del filtro solar para el telescopio y de un
53
54
Figure A.1: Telescopio en montura ecuatorial
filtro de soldador para el finder realizamos nuestras primeras fotografías (Veasé figura
A.2) y retransmisiones en tiempo real.
Al contar con luz en el observatorio se decidió empezar una serie de observaciones,
ya por la noche, para terminar de configurar todos los elementos de observación. Desde
la cuña, el telescopio, pasando por las cámaras, hasta la propia aplicación.
En la primera noche, se realizó el procedimiento de puesta en estación siguiendo el
método de la deriva, que consiste en hacer las correciones en azimuth y en latitud de la
cuña ecuatorial1 (Veasé figura A.3).
En esa misma noche, se intento realizar la sincronización del telescopio con una estrella, pero no funcionó de forma adecuada, asi que se seguieron realizando observaciones
con guiado manual, observando la luna y tomando fotos para un mosaico (Veasé figura
A.4) y probando el mecanismo de enfoque usando una máscara de Hartman, pero no se
conseguía juntar los punto (Veasé figura A.5). Tras consultar con Antonio PEREZ [15],
nos indicó que el telescopio estaba descolimado.
Otro de los días, se realizó una salida para probar el telescopio y realizar el alineamiento en montura altazimutal. El funcionamiento fue correcto. Se volvió al observatorio y se intentó de nuevo sincronizar, pero seguía haciendo cosas raras. Finalmente
se decidió resetear la configuración del telescopio. Tras ello, el funcionamiento ya era
correcto, de nuevo gracias a Antonio PEREZ.
Conseguido que el telescopio se sincronizara de forma adecuada y realizara un seguimiento
adecuado, se procedió a colimar el telescopio [41], y realizar nuevas observaciones de
satélites, planetas (Veasé figura A.6) y alguna galaxia (Veasé figura A.7).
1
En dos ejes, perpendicular al suelo, y perpendicular al eje de la tierra
A.2 Sesiones de observación
(a) Buscador
55
(b) Telescopio
Figure A.2: Primeras fotografías del sol usando el filtro solar
Figure A.3: Ajustes en la cuña ecuatorial para poner en estación el telescopio
56
Figure A.4: Mosaico de la luna, con imagenes sin ningun tipo de procesamiento. Realizado con iMerge
Figure A.5: Fotos del primer intento de enfoque con una máscara Hartman
A.2 Sesiones de observación
Figure A.6: Foto de Saturno. Apilamiento de 10 imágenes.
Figure A.7: Foto de la galaxia M31 (Galaxia de Andromeda)
57
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observatorio astronómico robotizado accesible vía web

Transcripción

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