USO DEL PROGRAMA TRACKER PARA CALIBRAR Y PROMEDIAR ESPECTROS VISIBLES CAPTURADOS CON VIDEO CÁMARA

Alberto E. Villalobos Chaves

aewolframio@gmail.com

En este blog se ha tocado el tema de la calibración de espectros visibles amateur en varias oportunidades. Si bien la forma de obtener el espectro ha sido prácticamente la misma, esto es,  utilizando un rejilla de difracción consistente en un simple trozo de CD o DVD colocado en frente de la lente de una cámara digital  o una cámara de video, el software utilizado para  procesar los espectros ha sido diferente.

En un caso se utilizó el software Visual Spec para procesar espectros capturados en forma de imágenes digitales, en otro se utilizó el software Rspec para procesar en tiempo real espectros capturados en video. En esta oportunidad se describirá algunas de las características de un software llamado Tracker que es una herramienta gratuita de modelación y análisis de video orientada a la enseñanaza de la física. Con este software se pueden modelar una gran cantidad de experimentos físicos como seguimiento del centro de masa, movimiento rotacional y muchos otros relacionados con la cinemática y dinámica del movimiento .Sin embargo el programa tiene muchas mas aplicaciones y dentro de estas me he encontrado con una  que permite calibrar espectros visibles obtenidos de forma muy similar a la que se ha comentado en este blog (Spectroscopy Using the Tracker Video Analysis Program).

Si bien en esta referencia se explica en detalle la forma en que se obtienen los espectros no se explica  claramente la forma en que se procesan con Tracker por lo que he considerado importante no solo dar a conocer la herramienta sino explicar aunque sea en forma básica como aplicarla en el caso específico de la calibración de espectros visibles.

Lo primero que hay que hacer por supuesto es grabar en video un espectro (también se pueden procesar imágenes fijas pero el potencial del programa se logra con videos).  Si no se dispone de una videocámara para hacer nuestro propio experimento podemos utilizar una colección de espectros de lámparas que se pueden bajar de la página de Tracker (ver punto 8.Bajar videos de espectroscopía). Si lo que se quiere es ver de una vez el programa funcionado se pueden bajar también espectros ya procesados con Tracker (Spectroscopy Experiments).

Para efectos de este trabajo voy a utilizar un video capturado por mi mismo de una lámpara fluorescente de mesa en la sala de mi casa (Figura 1) utilizando como rejilla de difracción un trozo de DVD recortado en forma circular y al que se le ha eliminado el recubrimiento de plástico metalizado. Esta rejilla improvisada se ha colocado en frente del objetivo de la cámara de video (Figura 2).

Figura 1: Captura del espectro de emisión visible de una lámpara fluorescente. La lámpara está cubierta por una cartulina negra a la que se le practicó un pequeño orificio por donde sale solo un punto de luz. La captura se realizó con la luz de la habitación apagada. La cámara de video no apunta directamente a la fuente luminosa.

Figura 2: Colocación de la rejilla de difracción (trozo circular de DVD) en frente del objetivo de la video cámara.

El software puede ser descargado en varios formatos y para varios sistemas operativos directamente de la página de Tracker. En mi caso descargue la versión ejecutable para Windows (ver 3.10) que no requiere instalarse sino simplemente crear una carpeta en la cual descomprimir el programa.

Una vez iniciado el software procedemos a importar el video del espectro que queremos calibrar buscando el comando "Importar" en el menú "Archivo" (Figura 3)

Figura 3: Importando un video para procesamiento en Tracker

Una vez cargado el video procedemos a generar un perfil de intensidad luminosa vs. distancia que se  constituye entonces en nuestro espectro sin calibrar. Para hacer esto utilizamos el comando "Perfil de Línea" tal como se observa en la Figura 4 y procedemos a  arrastrar con el mouse (shift-arrastrar) una línea que abarque todo el espectro capturado, indicándose además el ancho que va a tener esta línea en la casilla "Expandir" (Figura  5). 

Figura 4: Serie de comandos para generar un "Perfil de Línea".

Figura 5: Perfil de línea al que se le ha dado un valor de "expansión" de 20. El espectro generado en la ventana superior derecha puede aumentarse utilizando los comandos que aparecen al colocarse sobre la gráfica y dar botón derecho del mouse.

En este momento debemos identificar dos bandas de color o zonas oscuras en el espectro de las que podamos estar seguros de su longitud de onda. Para ayudarnos en esta selección podemos utilizar la siguiente referencia (Spectroscopic Atlas for Amateurs Astronomers 16.1 Spectra of gas discharge lamps). Una vez identificadas estas bandas de referencia del espectro utilizamos el comando "Puntos de calibración" (Figura 6)

Figura6: Serie de comandos para generar dos "Puntos de Calibración".

En nuestro ejemplo vamos a utilizar dos bandas verdes debidas a emisión del mercurio reportadas en el  atlas de espectroscopía antes citado y que se ubican en 541.915 nm y  546.075 nm (Figura 7). 
 

Figura 7: Espectro de referencia utilizado para asignar los puntos de calibración (Spectroscopic Atlas for Amateurs Astronomers). 

Se toca entonces en el primer punto de calibración con el cursor del mouse y la tecla shift apretada dando un click para seleccionarlo. Entonces aparece un cuadrado rojo y se abre una ventana que indica "Ejes", se selecciona "Solo X" y se introduce en el cuadro de "x" el valor de longitud de onda del primer punto de calibración. Se repite lo mismo con el segundo punto de calibración y el espectro ya está calibrado (Figuras 8 y 9). Es de hacer notar que el espectro a calibrar debe tener las bandas de la región violeta  a la izquierda y las de la región roja a la derecha. Si este no es el caso se debe girar la imágen con el comando "ejes" , previo a la escogencia de los puntos de calibración.

 Figura 8: Selección y asignación del valor de longitud de onda, en nanómetros, de los puntos de calibración. La imágen ha sido agrandada utilizando la herramienta de zoom (icono de lupa) para poder ser mas certero en la asignación de los puntos.

Figura 9: Espectro de la lámpara fluorescente calibrado.

Como se observa de la figura anterior, si bien las bandas principales del espectro reportado están  presentes en el espectro de la lámpara medida, hay una gran variabilidad de la línea base o "ruido". Esto se debe a falta de sensibilid de la cámara de video que no permite atrapar suficiente luz. Sin embargo hay que recordar que  hasta el momento todo el procesamiento que se ha hecho ha sido con un único cuadro del video. Una de las ventajas de Tracker es que podemos sumar y promediar todos los cuadros del video de forma tal  de aumentar las señales verdaderas y disminuir el ruido lo que va a mejorar considerablemente el espectro final.

Para lograr lo anterior debemos utilizar el comando "sum" como se muestra en la Figura 10, escogiendo en la ventana emergente que aparecerá (Añadir cuadros de video) la opción "Mostrar media" y luego cerrar. Oprimimos entonces el botón de play que aparece justo debajo de la pantalla principal en la que aparece el espectro de líneas. Si el video es muy largo lo mejor será no utilizar el 100% de los cuadros pues se puede agotar la memoria. En el ejemplo en estudio el archivo tiene un tamaño de 92 M y se utilizó el 100% de los cuadros.

Figura10: Serie de pasos necesarios para accesar el comando "Sum" que permitirá promediar todos los cuadros del video.

Puesto que el espectro está ya calibrado el efecto de aplicar estos comandos se observará paulatinamente tanto en la imágen del espectro de líneas como en la gráfica espectral, obserándose como el resultado  es una importante disminución del ruido y el mejor delineamiento de las señales mas débiles (Figura 11).

 Figura 11: Espectro de la lámpara fluorescente calibrado y promediado al 100 con todos los cuadros del video.

Como se desprende de este breve reporte, se pone de manifiesto que la capacidad del programa Tracker para el procesamiento de espectros es notable por su simplicidad, permitiéndo hacer una calibración y mejoramiento de la imágen en cuestión de unos cuantos segundos sin necesidad de utilizar ningún otro software.

Considero además que al margen de que se pueden hacer experimentos con espectroscopía, que es uno de mis campos de interés, es importante dar a conocer que este software gratuito existe y que con el se pueden modelar una gran cantidad de otros experimentos físicos.

CAPTURA DE ESPECTROS EN TIEMPO REAL UTILIZANDO UNA VIDEO CÁMARA Y EL PROGRAMA RSPEC

Alberto E. Villalobos Chaves

aewolframio@gmail.com

En un trabajo previo se ha descrito una forma simple de obtener espectros de emisión visibles calibrados por medio de la captura con cámara digital y posterior procesamiento de las imágenes por medio de un programa diseñado para estos efectos (Visual Spec).

En la metodología referida, previo a la utilización del programa propiamente dicho, las imágenes capturadas han de ser trabajadas con algún software de procesamiento de imágenes que permita recortar, convertir a escala de grises y salvar en formato .fit lases imágenes ya trabajadas.

Una vez procesada la imágen con la ayuda de Visual Spec podemos obtener el espectro calibrado en términos de una gráfica intensidad vs. longitud de onda.

El procedimiento descrito anteriormente se puede considerar como "off-line" o sea que los resultados, a saber el espectro calibrado, no se pueden observar hasta después de descargar las fotografías de la cámara y realizar el procesamiento de las imágenes.

En el presente trabajo se pretende dar a conocer un software que permite obtener espectros visibles en tiempo real o sea que nos permite observar el espectro ya calibrado en el momento mismo en el que estamos realizando la medición.

El software en cuestión es el Rspec (Real-time Spectroscopy), programa que permite utilizar una video cámara digital como instrumento de captura de espectros de emisión visibles y procesar las imágenes en tiempo real.

Como ejemplo vamos a proceder a obtener los espectros de emisión visible de una lámpara de sodio del tipo comunmente utilizadas en el alumbrado público.

Lo primero que necesitamos, aparte de la video cámara, es una rejilla de difracción que nos permita descomponer la luz de la lámpara en sus componentes constituyentes. Para este efecto vamos a utilizar un trozo de CD al que se le ha eliminado el material reflectante por medio de una cinta engomada, mismo que luego recortaremos en forma circular y lo colocaremos frente al objetivo de la video cámara (Figura 1).

Figura 1: Colocación de la rejilla de difracción en frente del objetivo de la video cámara.

A continuación conectamos la cámara digital a través del puerto usb de la misma al puerto usb de un ordenador que tenga instalado el programa Rspec (Figuras 2 y 3).

Figura 2: Montaje del espectroscopio. Al forndo se observa una lámpara de sodio del alumbrado público.

Figura 3: Detalle en el que se observa a la izquierda la lámpara de sodio del alumbrado público y en la pantalla de la video cámara el espectro de emisión visible correspondiente. Nótese que la video cámara no está dirigida directamente a la fuente luminosa sino desviada hacia la derecha.

En la Figura 4 podemos observar la pantalla principal de Rspec en donde en el recuadro de la izquierda aparece la imágen que está siendo capturada en tiempo real por la video cámara y en el de la derecha aparece la representación intensidad vs. pixeles de lo que sea que se coloque entre las dos líneas horizontales del recuadro de la izquierda.

Para poder proceder con el proceso de calibrado es necesario que la imágen del espectro quede entre las dos líneas horizontales del recuadro izquierdo, sin embargo no es necesario mover la cámara para acomodar el espectro pues Rspec tiene una función que permite rotar la imágen en tiempo real mientras sigue la captura de la video cámara.

Figura 4: Espectro visible no calibrado de una lámpara de sodio del alumbrado público.

Una vez alineada la imágen y teniendo la previsión de que el extremo rojo del espectro quede hacia la derecha, se procede a identificar dos señales del espectro no calibrado de los que se tenga certeza de los valores de longitud de onda que les correspondan. Se aplica entonces la función de calibrar que mostrará una pantalla emergente en la que podemos relacionar la posición del pico reconocido en el espectro con su correspondiente longitud de onda (Figura 5).

Figura 5: Proceso de calibración del espectro visible de la lámpara de sodio.

El programa tambien permite calibrar basándose en espectros de referencia en los que, por comparación directa, le permite al usuario decidir la correspondencia de las señales observadas con las de la referencia. Si bien Rspec trae una biblioteca de espectros de referencia estelares, pues la orientación del software está dirigida a la astronomía, también se pueden adicionar patrones propios. En la Figura 6 se observa la comparación entre el espectro de referencia de una lámpara fluorescente (azul) medido en un espectrofotómetro profesional, con el espectro medido de una lámpara fluorescente de escritorio (rojo) utilizando una rejilla de difracción construida con un trozo de DVD y una simple pantalla de cartón negro perforado (Figura 7).

Figura 6: Calibración del espectro de una lámpara fluorescente de escritorio (rojo) utilizando un patrón medido en un espectrofotómetro profesional (azul)

Figura 7: Captura del espectro de emisión visible de una lámpara fluorescente. La lámpara está cubierta por una cartulina negra a la que se le practicó un pequeño orificio por donde sale la luz. La captura se realizó con la luz de la habitación apagada. La cámara de video no apunta directamente a la fuente luminosa.

Una vez calibrado el espectro las subsecuentes capturas mantienen la calibración puediéndose hacerse ampliaciones de alguna zona específica del espectro, eliminar la señal del fondo de la imágen e incluso, en el caso de señales poco luminosas, utilizar la opción de promediar un número de hasta 200 espectros lo que aumenta mucho la calidad del espectro obtenido.

Los espectros calibrados se puede guardar en formato .dat lo que permite utilizar otros programas informáticos de manejo espectral para analizarlos. A manera de ejemplo se puede ver en la Figura 8 los espectros de la lámpara de sodio generados con Rspec y capturados con la cámara de video en un caso sin función de visión nocturna y en otro con esta función activada (en este último caso se pueden observar señales de emisión en la región del infrarrojo cercano en 774 nm, 826.9 nm y 877.5 nm). Estos datos fueron guardados en formato .dat y posteriormente abiertos y analizados con un programa de análisis espectral llamado Spekwin32.

Figura 8: Archivos .dat generados por Rspec y abiertos por otro software de análisis espectral.

El programa tiene mas posibilidades de las mostradas en este pequeño trabajo y en la página de Rspec se pueden descargar no solamente una versión de prueba completamente funcional por un mes del software sino también tutoriales y archivos de video con los cuales hacer ensayos.

Quisiera terminar animando al lector interesado a que haga sus propios experimentos y de sus primeros pasos en el mundo de la espectroscopía en tiempo real.