REDUCCION DE DATOS ASTRONOMICOS USANDO IRAF

IRAF corresponde a las siglas Image Reduction and Analysis Facility, y como es de esperar de ese nombre proporciona un amplio conjunto de herramientas para el análisis y el procesado de imágenes astronómicas. Fue desarrollado a mediados de los años 80 por la institución National Optical Astronomy Observatories (NOAO) en Tucson, Arizona. Se ha hecho popular entre la comunidad astronómica entre otras cosas por haber sido seleccionado como el sistema sobre el cual se basan los programas de reducción y análisis de datos del Telescopio Espacial (HST). Su arquitectura permite que se añadan paquetes externos con facilidad. De hecho existen paquetes de aplicaciones específicas que se distribuyen separadamente como son STSDAS Y TABLES (desarrollados en el STScI, con muchas utilidades, incluyendo herramientas para procesar los datos del HST), PROS (específico para datos de rayos X).

La primera vez

Antes de arrancar IRAF es necesario tener en cuenta varios detalles. El sistema IRAF necesita un directorio de arranque, normalmente siempre se hace desde el mismo directorio, la mayoría creará un subdirectorio debajo su principal y lo llamará por ejemplo "iraf" (/home/username/iraf). Una vez colocados en este directorio ejecutamos la instrucción "mkiraf". Este comando nos preguntará que tipo de terminal vamos a usar, y que en general será xgterm. Entretanto se copiaran dos ficheros: login.cl y loginuser.cl, que contienen definiciones para arrancar el sistema. Conviene echar un vistazo al fichero loginuser.cl y comprobar que la variable imdir está puesta a HDR$pixels/ (set imdir = HDR$pixels/). También se creará un subdirectorio llamado uparm que contendrá los últimos valores de los parámetros de cada programa que se haya usado en IRAF.

Ahora estamos en condiciones de arrancar IRAF, para ello abriremos una nueva pantalla con el comando:

xgterm &

Esta pantalla contiene una interfaz gráfica mejorada para el análisis de datos. Sobre ella y desde el directorio seleccionado accederemos al sistema IRAF con el comando:

y ya estamos en IRAF!!

Además para trabajar con imágenes astronómicas vamos a necesitar una herramienta de visualización, IRAF no tiene este dispositivo pero permite utilizar programas externos como:

SAOImage - Fue de los primeros dispositivos, simple y muy robusto.

SAOtng - Es el sucesor de SAOImage, con utilidades muy sofisticadas.

Ximtool - Permite ver hasta 4 imágenes a la vez para compararlas, contiene un panel de control (es el más extendido).

Se puede usar cualquiera de estos, siempre y cuando no se pretenda usarlos simultáneamente, así pues se debe arrancar sólo uno en cada momento.

El CL

CL proviene de Command Language, y resulta ser el sistema operativo para acceder a todos las facilidades del sistema IRAF. Según se arranca el sistema veremos información acerca de la versión, algún mensaje de bienvenida y además nos dirá los paquetes disponibles en nuestro entorno. Reconocemos que hemos entrado cuando obtenemos el prompt cl. Para salir del entorno del cl se usa el comando logout.

Comandos tipo UNIX y externos

El siguiente paso es acceder al directorio donde tenemos los datos, esto se hace con el comando cd. Además existen otros comandos similares a los usados en UNIX como son copy, mkdir, mv, dir, ls, lprint, deletecuya función es sencilla de adivinar.

Cualquier programa se puede ejecutar en modo "background", simplemente añadiendo & al final de la línea.

Cuando una línea de comandos se hace muy larga se puede pasar a la siguiente añadiendo \ al final, y pasando a una nueva.

Redireccionar

Las salidas de un programa, información sobre la pantalla y/o mensajes de error, pueden ser redirigidas a cualquier archivo. Esto se hace de forma similar a UNIX, se añade:

> para la salida de un programa

>> si va al final de un fichero ya existente

>& para la salida y los mensajes de error

>G para la salida gráfica de un programa

Cadenas de comandos ("pipes")

Existe la posibilidad de hacer que la salida de un programa sea la entrada de otro. Por ejemplo

cl>files *.fits | imheader | page

Estos comandos hacen una lista de todos los ficheros *.fits y a continuacion nos muestra la cabecera de cada una de las imágenes, página a página.

Variables de entorno

Dentro de cl se mantiene una tabla de variables de entorno, algunas son impuestas por el sistema y sirven para controlar el funcionamiento de muchas funciones de IRAF. Por ejemplo las siguientes variables:

stdimage - tipo de dispositivo de visualización de imágenes, numero de pixeles de la imagen (imt1=[512,512]; imt2=[800,800]; imt3=[1024,1024])

stdgraph - dispositivo gráfico

stdplot - dispositivo gráfico de impresión, la impresora.

Del mismo modo se pueden definir variables nuevas con el comando set. Por ejemplo para especificar el directorio donde se encuentran los datos:

cl> set datos1 = /net/bmw_scratch/jap/n6090/

cl> cd datos1

Para cambiar el contenido de cualquier variable se usa el comando reset, y show para ver su valor. Si queremos que definir variables para poder usar desde el principio en cualquier sesión de IRAF, basta con colocar esas definiciones en el fichero loginuser.cl.

Calculadora

Dentro de cl tenemos acceso a una calculadora simple. El comando help mathfcns da un listado con las funciones disponibles. Veamos algunos ejemplos:

El resultado de un cálculo aritmético se obtiene precediendo cualquier operación por el signo "="

cl > = log10(4.*sin(1.5))

cl> =15:34:10 (convertir notación sexágesimal a decimal)

Se pueden definir nuevas variables para operar con ellas

cl> real m0,f0 = 25.

cl> m0=25.; f0 = 500.

cl> real vv; vv=-2.5 * log10(1567./f0)+m0; =vv

para ejecutar más de un comando en una línea se usa ;

Programas y paquetes de programas

Los comandos que sirven para realizar determinadas tareas dentro del cl se denominan programas, y están agrupados en paquetes de acuerdo con su funcionalidad ("tasks" y "packages" en la jerga de IRAF). A su vez los paquetes se suelen organizar en otros paquetes de más alto nivel. Una lista con los principales paquetes que constituyen el núcleo del sistema IRAF aparece debajo:

dataio - programas para realizar la conversión a distintos formatos de datos.

images - utilidades para el tratamiento general de imágenes (operaciones aritméticas, filtros, combinaciones, etc).

language - el lenguaje de comandos en si mismo.

lists - procesado de listas (listas de nombres, ficheros, etc)

noao - contiene la mayoría de programas usados en el tratamiento de datos CCD, análisis y calibración tanto de espectroscopía como fotometría.

plot - programas gráficos para imágenes de cualquier dimensión, manipulación de ficheros gráficos ("metacode files").

proto - programas prototipo o en desarrollo.

obsolete - programas antiguos que por su gran uso se mantienen.

tv - utilidades para visualización de imágenes y control.

system - utilidades del sistema (copiar, borrar, renombrar ficheros),

stsdas - programas desarrollados por el STScI

utilities - miscelánea de programas.

Cuando el sistema arranca sólo se tienen cargados un cierto número de paquetes, por ello no todos los programas son accesibles. Para ejecutar cualquier programa es necesario cargar previamente el paquete que lo contiene, para ello basta con teclear el nombre del paquete (siempre en minúsculas). Cada vez que se carga un paquete nos aparece en pantalla una lista con todos los programas o subpaquetes que contiene, a partir de ese momento ya tenemos acceso a ellos. También notaremos que cambia el "prompt", y que obtenemos las dos primeras letras del paquete recién cargado. Conviene mencionar que cargando muchos paquetes la memoria de la maquina queda reducida para ejecutar otros procesos, comprometiendo su rendimiento. Para abandonar un paquete cargado y que no vaya a ser usado posteriormente se usa el comando bye. No obstante sólo se puede abandonar el último paquete cargado y así sucesivamente en orden ascendente.

Parámetros

La forma de actuar de un programa depende generalmente de un conjunto de parámetros configurables. Para examinar el valor de estos se ejecuta el comando:

cl> lpar delete # muestra los parámetros del programa "delete" y se obtiene el siguiente resultado:

Los parámetros pueden ser de dos tipos: posicionales y ocultos (aparecen entre paréntesis). Los parámetros posicionales deben ser especificados cada vez que se ejecuta el programa (si no se hace, el programa lo va pidiendo), además el valor dado se convierte en el valor propuesto para la próxima ejecución. Sin embargo, no es necesario especificar cada vez los parámetros ocultos. Si queremos modificar los parámetros de un programa existen varias posibilidades:

a- se puede usar el comando epar "programa", que nos lleva a un editor (normalmente vi), para salir guardando lo que hemos modificado se puede usar :wq, o bien :go para ejecutar el programa inmediatamente.

b- también es posible hacerlo sobre la línea de comandos

cl> delete.verify=yes

c- se pueden recuperar los valores por defecto:

cl> unlearn delete

Los paquetes también tienen sus ficheros de parámetros, la modificación de éstos sirve para controlar variables que son relevantes en varios de los programas que contiene.

Ejecutando programas

Para ejecutar un programa basta con teclear únicamente su nombre, también podemos especificar los parametros posicionales en la misma línea, incluso podemos especificar los ocultos por su nombre seguido del signo "=" y su valor, por ejemplo:

cl> delete *.txt verify=no

Es posible ejecutar un conjunto de programas en modo "background", lo cual es muy útil si se trata de tareas largas y que no requieren nuestra intervención. Para ello se ejecuta el programa mkscript, que nos pedirá qué programas queremos ejecutar, sus parámetros y finalmente producirá un fichero "script.cl" con todos los comandos. Luego podemos ejecutarlo del siguiente modo:

cl> cl <script.cl >&script.log &

cl> jobs

Tendremos cualquier mensaje de error en script.log y con el comando jobs podemos ver el estado de la tarea (en ejecución, parada o terminada si no aparece en la lista).

Obteniendo ayuda

Existen varias posibilidades de obtener ayuda sobre los paquetes y programas de IRAF:

help programa - muestra toda la ayuda disponible para ese programa (existen varias secciones: parámetros, descripción, ejemplos).

describe programa - muestra la sección de descripción para ese programa.

example programa - muestra la sección de ejemplos para ese programa.

help paquete - describe en una línea cada programa contenido dentro del paquete.

package - enumera los paquetes cargados en ese momento.

? - enumera los programas disponibles en el último paquete cargado.

?? - enumera todos programas disponibles en ese momento.

apropos clave - enumera todos programas relacionados con la palabra clave.
NOTA: hay que definir previamente la tarea:
task apropos =/usr/pkg/iraf/extern/stsdas/apropos.cl
bien dentro de IRAF o bien en el loginuser.cl (si se define en el fichero estará definida al entrar en IRAF)

Trabajando con imágenes

Una imagen consiste en un fichero binario formado por una cabecera con información sobre como están grabados los datos y los datos propiamente dichos, que pueden tener cualquier dimensión.

Formatos

El sistema IRAF puede leer y escribir una variedad de formatos de imágenes, aunque los más comunes son:

FITS - Flexible Image Transport System. Es el formato Universal y se usa para distribuir datos.

OIF - Este el formato Standard de IRAF. Se compone de dos ficheros: image.imh (formato ASCII, contiene la cabecera), image.pix (binario, contiene los valores de cada pixel).

STF - Space Telescope Format. Es análogo al OIF con extensiones .hhh (cabecera) y .hhd (valores por pixel). Tiene otras peculiaridades dependiendo de los instrumentos.

Normalmente los programas reconocen el formato por la extensión de los ficheros que contienen las imágenes. Los valores de cada pixel también se pueden guardar en distinto formato: short (enteros con signo y 16 bit), long (enteros con signo y 32 bit), real (reales en 32 bit) y double (reales en 64 bit). Claramente las imagenes ocuparan mas o menos espacio en disco dependiendo del formato en que se guarden.

Leyendo la cabecera (imheader, iminfo, hedit, hselect)

Toda la información acerca de una imagen se escribe en la cabecera. Es posible ver y editar su contenido:

Ver la información básica de una imagen (dimensión y tipo de pixel):

cl> imheader dev$wpix long-

Ver todas la información:

cl> imheader dev$wpix long+

Editar, borrar palabras claves ("keyword") de una cabecera:

cl> hedit test.imh imagetyp "object"

Mostrar el valor de algunas palabras claves para una serie de imágenes (útil para sacar un listado de observaciones). En los ejemplos que siguen se muestra como sacar una lista con el nombre de la imagen [$I], el filtro [filter], el nombre del objeto [object]:

cl> hselect *.fit $I,object,exptime yes | page

cl> hedit *.fit $I,i_title .

Igualmente se pueden seleccionar imágenes según los valores de algunas palabras claves (insfilte igual a V ó exptime =1200):

cl> hselect*.fit $I,filter 'insfilte = "V"' |page # Extrae nombres de imagenes y filtro obtenidos con el filtro V

cl> hselect*.fit $I,filter 'exptime = 1200' |page # Extrae nombres de imagenes y filtro obtenidos con exptime igual a 1200

cl> hselect *.fit $I 'OBJECT ?= "flat"' # Extrae nombres de imagenes que contengan dentro de 'OBJECT' la cadena 'flat'

Manipulando ficheros de imágenes

Existen rutinas especiales para manipular imágenes (cada imagen puede estar compuesta de dos ficheros, formato original de IRAF), se recomienda no usar comandos como copy o mv para imágenes. Sus equivalentes son:

cl> imcopy a b

cl> imrename a b

cl> imdelete a

Secciones de imágenes

Se pueden trabajar con toda la imagen, o también se pueden seleccionar por dimensiones, secciones en un plano, cualquier comando se puede usar sobre una parte de la imagen. Por ejemplo:

cl> imcopy a[100:200,50:350] c

cl> imcopy a[-*,*] b

Otra utilidad es la que nos permite crear listas de imágenes a través del nombre, se trata del programa files. También el comando sections sirve para crear listas de imágenes, además incluyendo secciones. Por ejemplo:

cl> sections run*.imh[100:200,100:200] >all.lst

Crear una nueva lista de imagenes con distinto nombre a partir de otras existentes:

cl> sections %run%obj%*.imh >obj.lst

El hecho de crear listas de imágenes es especialmente util para ejecutar el mismo programa sobre muchas imágenes a la vez con un solo comando, por ejemplo:

cl> imheader @obj.lst

cl> imcopy @obj.lst f//@obj.lst

Inspeccionando imágenes

Existen varios programas que permiten ver en detalle las imágenes tanto visualmente como los valores de cada pixel, así como hacer algunas operaciones básicas.

display

Este comando permite visualizar la imagen en el dispositivo preferido (Ximtool, SAOtng) y en cualquier plano de los disponibles (4 para Ximtool). Por defecto se cubre el mapa de colores sólo con valores alrededor de la mediana de la imagen.

display dev$pix 1

También se puede especificar un rango determinado, deshabilitando el cálculo automático del rango dinámico (zscale=no), y tambien evitando que cubra todo el rango de valores de la imagen (zrange=no):

display dev$pix 1 zscale=no zrange=no z1=100 z2=400

imexamine
Este programa permite examinar interactivamente una imagen que ha sido previamente visualizada sobre la pantalla de imagenes (Ximtool o SAOimage). Es un programa muy completo y tiene muchas acciones que responden a una letra, entre las mas destacadas están:

m - estadistica de una zona alrededor del cursor

r - perfil radial del objeto proximo al cursor, centroide, anchura a altura mitad (FWHM), magnitud instrumental

h - histograma de una zona alrededor del cursor

s - diagrama de contorno en torno a la posición del cursor

e - diagrama de superficie alrededor de la posición del cursor

c/l - dibuja la columna o la fila marcada por el cursor

v - dibuja un corte entre dos marcas del cursor

z - lista de valores de cada pixel, alrededor de una posición seleccionada por el cursor

implot

Es muy similar a imexamine, aunque no está basada sobre la interacción con la pantalla de visualización de imágenes (ximtool).

imreplace
Este programa sirve para modificar valores de los pixeles. Por ejemplo permite: cambiar los valores de una region por una constante; sustituir los pixeles que están por debajo o por encima de un valor por una constante.

listpixels
Este programa da una lista con los valores de cada pixel en la imagen o una sección, sirve para exportar los valores a un fichero ASCII, o comprobar operaciones.

Operaciones basicas con imágenes

Estadística

Se puede obtener información sobre la distribución de valores en una imagen usando imstatistic:

cl> imstatistic *.imh \

>>> fields="image,npix,mean,midpt,mode,min,max,stdev" format+

Creación
imexpr sirve para crear nuevas imágenes según expresiones algebraicas definidas por nosotros y con las dimensiones deseadas:

cl> imexpr "(I*2 + J*10)*12" res dims="1024,512"

Aritmeticas:
Para realizar operaciones binarias entre imágenes se usa imarith. Por ejemplo:

cl> imarith image1 - image2 res

Para operar sobre cualquier número de imágenes usando cualquier expresión se usa imcalc (es necesario cargar el paquete stsdas). Por ejemplo:

cl> imcalc image1,image2 res (im1 + 4*im2)/5.

Combinando imágenes
imcombine es un programa que sirve para combinar un número cualquiera de imágenes, incluyendo una opción para proyectar una imagen de dimensión superior sobre otra con una menos (por ejemplo de un cubo a una imagen bidimensional). Es muy versatil y tiene muchas posibilidades. A continuación se describen los parámetros principales y sus opciones:

combine="average|median" # el resultado de la combinacion puede ser la media o la mediana.

reject="none,minmax,sigclip,pclip,crreject" # se pueden descartar valores que cumplan con ciertas condiciones, valores maximo y/o minimo, exceden un factor la desviacion tipica, o utilizando un determinado algoritmo

masktype="none,goodvalue,badvalue"# tipo de máscara a utilizar

offsets="wcs|none|grid" # se pueden desplazar entre si las imágenes antes de combinarlas.

scale="none,mode,median,mean,esposure" # cada imagen se puede escalar por un valor basado en la media, o la mediana, etc.

zero="none,mode,mean,median" # se puede añadir a cada imagen un valor basado en la moda, o la media, o la mediana.

lthreshold,hthreshold=limites # se combinan los imagenes descartando valores que estén dentro de un rango seleccionado.

Por ejemplo si queremos combinar una secuencia de imagenes de "flat-field" contenidas en el fichero flat.lst, obtener el valor promedio, escalando previamente al valor de la mediana y rechazando valores 3 sigma por encima y por debajo de la media, se ejecutaría:
cl> imcombine @flat.lst combine="average" scale="median" reject="sigclip"

Sistemas de coordenadas

Existen tres tipos de sistemas de coordenadas: lógico, físico y de usuario ("logical", "physical" y "world systems" en la jerga IRAF). El sistema lógico se define con referencia a la imagen en si misma, o incluso a una parte. El sistema físico tiene en cuenta si la imagen proviene de otra y las coordenadas se refieren a la original. El sistema de usuario puede ser el sistema de coordenadas sobre el cielo, o longitud de onda en el caso de espectroscopía.

El sistema de coordenadas de usuario se especifica a través de parámetros ("keywords") en la cabecera, los relevantes son:

CRPIX1 - Pixel referencia sobre el eje X

CRPIX2 - Pixel referencia sobre el eje Y

CRVAL1 - Coordenada de usuario sobre el eje X para el pixel de referencia

CRVAL2 - Coordenada de usuario sobre el eje X para el pixel de referencia

CDELT1 - Separación entre pixeles sobre el eje X, en coordenadas de usuario

CDELT2 - Separación entre pixeles sobre el eje Y, en coordenadas de usuario

CTYPE1 - Tipo de sistema de coordenada de usuario sobre el eje X

CTYPE2 - Tipo de sistema de coordenada de usuario sobre el eje Y

Existen programas que permiten modificar el sistema de coordenadas (físico y de usuario): wcsreset y wcsedit. La mayoría de los programas son capaces de actualizar la información del sistema de coordenadas cuando se producen transformaciones sobre la geometría de las imágenes.

Los gráficos

Muchos programas en IRAF producen una salida gráfica como paso final ó a veces para interaccionar con los datos. Los más comunes son: en una dimensión, implot, phistogram, pradprof; bidimensionales, contour, surface. Normalmente cada programa tiene sus propios comandos y suelen ser del tipo de una sola letra o un número. Se puede obtener una lista de todos los comandos propios de esa tarea tecleando ?. Además existe un conjunto de comandos disponibles en cualquier programa y que controlan básicamente el aspecto del gráfico, se puede obtener una lista tecleando :.help.

Además existe una posibilidad de invocar el entorno de la pantalla gráfica y sus comandos comunes con el comando

=gcur

Ficheros graficos

Cualquier salida grafica de un programa se puede guardar en un fichero para usarlo posteriormente. Estos ficheros se llaman ficheros de metacode, se pueden crear por redireccionamiento de la salida de un programa (añadiendo >G fichero) , o bien desde la pantalla gráfica (con el comando :.write fichero).

El programa gkimosaic sirve para mostrar varios gráficos simultáneamente, de los contenidos en un fichero de "metacode". Es útil cuando se ejecuta un programa en modo "background" para inspeccionar los resultados del programa.

El programa gkiextract sirve para extraer una parte de los graficos contenidos en un fichero de "metacode".

Gráficos sobre la pantalla de visualización de imágenes:

En algunos casos es interesante superponer la salida gráfica de algunos programa sobre la pantalla de visualización de imágenes. Por ejemplo en las situaciones que se describen a continuación:

disconlab y wcslab sirven para superponer una cuadrícula con las coordenadas sobre la imagen. Usando la imagen de la galaxia M51 incluida en el sistema:

disconlab dev$wpix disp+ cont- label+ left=0.1 right=0.9 bot=0.1 top=0.9

Si queremos marcar algunas posiciones sobre la imagen (con círculos ó cuadrados), por ejemplo una lista de estrellas (contenidas en un fichero posiciones), se usa el comando tvmark. Por ejemplo:

tvmark 1 posiciones mark=circle radii=10

Referencias

A Beginner´s Guide to Using IRAF. IRAF Version 2.10.Jeannette Barnes, August 1993.