Моделирование и оптимизация оптико-электронных приборов с фотоприемными матрицами (1095912), страница 21

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 21)

Этого чрезвычайно трудно (дорого) достигнуть механически, таккак в большинстве случаев требуются специальные способы гидирования.Во-вторых, яркие звезды в пределах кадра будут быстро насыщаться исветлеть. Это затрагивает не только насыщаемый пиксел, но также исмежныепикселы,посколькуизбыточныеэлектронызахватываютсяловушками и распространяются по столбцу в течение считывания.Влияние этих проблем можно уменьшить, если сделать ряд болеекоротких экспозиций, а затем объединить их вместе.Многие механизмы червячного привода телескопа имеют положения,при которых наблюдается относительно быстрый дрейф.

Если некоторые изизображений с короткой экспозицией смазаны из-за такого дрейфа, то ихможно удалить из последовательности. Все изображения последовательностидолжны быть калиброваны перед их объединением.Чувствительность в инфракрасной области.ПЗС-камеры очень чувствительны к ближнему инфракрасному свету.Это может привести к неожиданной проблеме с отражениями внутриоптического прибора. Вообще оптические системы имеют черные рифленыевнутренние поверхности, чтобы предотвратить отражение помех. Обычнометаллические части анодируют черным цветом; к сожалению, большинствоанодированных покрытий хорошо отражают в инфракрасном свете.

Врезультате камера может видеть отражения, которые человеческий глаз невидит. Такой тип отражения наиболее вреден при калибровке по плоскомуполю, когда генерируется "горячая точка" в центре изображенияПростое решение данной проблемы состоит в том, чтобы окраситьанодированные поверхности черной краской.

Это особенно важно длятрубчатых структур прямо перед камерой. Можно также поставить экранпрямо перед камерой, чтобы блокировать световые помехи, но нужнопозаботиться, чтобы избежать виньетирования.При съемке трехцветного снимка с помощью ПЗС-камеры важнообратить внимание на то, что наиболее синие фильтры пропускаютинфракрасный свет.

Поэтому важно поставить инфракрасный блокирующийфильтр.Некоторыесовременныефильтрывключаютвстроенныйинфракрасный блокирующий слой.Отношение сигнал/шум.ПЗС-камера, по существу, является счетчиком фотонов. Отношениесигнал/шум (ОСШ) может быть рассчитано при суммировании по всемпикселам в пределах апертуры следующим образом:где S - сигнал, фот; B - фон неба, фот; D - темновой ток, e-; R - шумсчитывания, е-; T - полное время накопления, с; t - время накопления одногоизображения, с.Отношение сигнал/шум, равное 3, обычно рассматривается какминимум при обнаружении. Более высокое значение ОСШ требуется дляфотометрических измерений. Следующие факторы влияют на значениеОСШ:лучшее значение ОСШ достигается, если сохранять размерызвезды как у мелкого объекта по критерию Найквиста (не менее 2,5 пикселовпоперек ПШПМ);при очень коротких экспозициях или последовательностикороткихэкспозицийвлияниешумасчитыванияможетбытьограничивающим фактором;в большинстве случаев фон неба является ограничивающимфактором для продолжительных экспозиций при работе, даже на темныхучастках неба;токаесли снимок должным образом откалиброван, то шум темновоговажентолькоприформированииузкополосногоизображения(спектроскопия, узкополосный интерференционный фильтр и т.д.).Чтобы улучшить работу в случае, когда шум считывания являетсяограничивающим фактором, нужно рассмотреть возможность увеличенияэкспозиции, особенно при суммировании последовательности экспозиций.Во всех случаях при увеличении размеров телескопа квантоваяэффективность камеры или время экспозиции улучшают сигнал от самыхслабых обнаруживаемых объектов.Битовая глубина.Большинство ПЗС-камер формирует 16-битовые изображения созначениями пикселов в пределах от 0 до 65 535.

Последующая обработкаможет увеличивать битовую глубину сверх этого. По умолчанию,изображения, отснятые ПЗС-камерой, сохраняются в 16-битовом форматеFITS. Если выполняется обработка, при которой увеличивается битоваяглубина, то нужно хранить информацию в формате FITS IEEE Float.При хранении изображений в формате JPEG, который может работатьтолько с 8-битовыми данными, могут возникнуть проблемы.

Поэтомурекомендуется сначала сохранить изображение в таком формате с высокойбитовой глубиной, как FITS IEEE Float, или 16-битовый TIFF. Тогда данныене потеряются в ходе преобразований файла.5.2.3. Масштабирование яркостиОсновы масштабирования яркости.Современные ПЗС-камеры могут различать до 65 536 уровней яркости,а большинство компьютерных мониторов показывают не более 256 уровнейяркости. Этот недостаток мониторов может быть сглажен, если использоватьтехникy масштабирования яркости.

Решается следующая задача: диапазонПЗС-камеры от 0 до 65 535 преобразовать в диапазон видеомонитора от 0 до255. В простейшем случае каждый пиксел преобразуется по формулегде Pn - новое значение пиксела; Po - старое значение пиксела; М масштаб; S - смещение. Окончательное значение пиксела P получаем наоснове следующего алгоритма:Значения M и S подбираются опытным путем в зависимости от тoгo,какоеизображениепоявитсямасштабирования яркости.наэкране.Втабл.5.1приведеныИз табл. 5.1 видно, что в первом примере (M = 0,01, S = -5) резкоподчеркиваются яркие пикселы, a темные обнуляются.

В остальных двухпримерах, наоборот, темные пикселы становятся существенно ярче, aнаиболее яркие тускнеют.Таблица 5.1. Примеры масштабирования яркостиPPnPnnPoM=0,01M=0,01,S=-50,0104,99900,501,0010,500,000100100010,010010,100010,0000,0050,0100100010105,10,0010,0050010010105,5,,0001,0010005010105,5,,0000,000100100050105,5,0,0000000100104,90005,5,4,99000000014,9950=105,-P=0,01,S=54,9999MS-0,1P10,100015,000015,00001000,00515,000010000,00,000095,0000,0000105155,000020,0000105,000020,0000110,0000110,0000Нередко существует несколько изображений для одного и тoгo жеобъекта изображения. Например, два различных изображения Галактики"Водоворот" (М51) показаны на рис. 5.1.

Первое изображение показывает вседетали в рукавах спирали, но ядро галактики "выгорело". Ha второмизобрaжении имеются все спиральные рукава, но они побледнели, затотеперь можно видеть сверхновую звезду, смежную c ядром галактики.Гистограммы.Чтобы лучше понять более сложные методы масштабирования яркости,полезно анaлизиpовать гистограммы яркости. Каждое изображение имеетсвою гистограмму, зависящую от соотношения количества ярких и темныхпикселов в изобрaжении. Пример гистограммы яркости приведен на рис. 5.2.Рис.

5.1. Изображение галактики "Водоворот" (М51) при двyxразличных масштабах яркости.Рис. 5.2. Типичная гистограмма яркости изображения (N - количествопикселов).Типичная гистограмма имеет пик, соответствующий наиболее частoповторяющейся яркости в изображении. Для астрономических изображенийпик гистограммы обычно соответствует фону неба. Изменение параметровмасштабирования яркости к изменению формы гистограммы.Нелинейное масштабирование яркости.При выполнении масштабирования яркости могут выполняться нетолько линейные операции вычитания и умножения.

Часто используетсяоперация логарифмиpования, чтобы охватить широкий диапазон яркости.Иногда к различным участкам гистограммы применяют различные функциимасштабирования яркости. Это позволяет уменьшать яркость наиболее яркихдеталей и сохранять или усиливать яркость слабосветящихся деталей.Пример результата нелинейного масштабирования яркости представлен нарис. 5.3.Спецификация гистограммы.Все операции изменения параметров масштабирования яркости могутвизуализироватьсяизменениемформыгистограммы.Можномодифицировать гистограмму так, чтобы улучшить вид объекта. Используяпроцесс,называемыйспецификациейгистограммы,можноделатьгистограмму плоской, наклонной или огибаемой любой желаемой кривой.Эта техника особенно полезна для сжатия областей гистограммы, в которыепопало очень мало пикселов.Рис.

5.3. Изображение звездного неба до (а) и после (б) гаммакоррекции.5.2.4. Пространственная фильтрацияНизкочастотная фильтрация.Низкочастотная фильтрация дефокусирует или сглаживает изменения винтенсивности пикселов изображения. Самый простой низкочастотныйфильтр только вычисляет среднее значение текущего пиксела и всей егоокрестности, состоящей из восьми смежных пикселов. Результат заменяетисходное значение текущего пиксела.

Процесс повторяется для каждогопиксела в изобрaжении. На рис. 5.4приведен результат низкочастотнойфильтрации.Шум всегда изменяется быстро от пиксела к пикселу, потому чтокаждый пиксел генерирует собственный независимый шум. Изображениетелескопа не является "некоррелированным" этим способом, посколькуреальные изображения распределены по многим пикселам. Таким образом,низкочастотный фильтр влияет на шум сильнее, чем это дает изображение.После подавления шума плавные изменения могут стать заметными, хотяраньше они были невидимы.

Следовательно, низкочастотный фильтр можетиногда использоваться, чтобы обнаружить слабосветящиеся детали, которыебыли подавлены шумом.Можно выборочно применять низкочастотный фильтр к некоторомудиапазону яркости в изобрaжении, что позволит несколько пригладить фонего изображения, но оставит яркие области нетронутыми. Это превосходныйкомпромисс, потому что более слабые объекты фона наиболее шумные, ноэто не изменяет точности ярких объектов переднего плана.Рис. 5.4.

Изображение звездного неба до (а) и после (б) низкочастотнойфильтрацииФильтрование может визуализироваться, рисуя "ядро свертки". Ядро маленькая сетка, показывающая, как значение фильтруемого пиксела зависитот его соседей. Чтобы выполнить низкочастотную фильтрацию простымусреднением смежных пикселов, используется следующая маска:1/91/91/91/91/91/91/91/91/9В процессе фильтрации каждый текущий пиксел и его восемь соседейумножаются на 1/9 и складываются вместе. Текущий пиксел (в центре)заменяется полученной суммой. Это повторяется для каждого пикселаизображения.Если не нужно фильтровать так резко, то можно изменить маскy, чтобыуменьшить усреднение, например:0+1/801/81/21/80+1/80Центральный пиксел вносит половину своего значения в результат, акаждый из четырех пикселов выше, ниже, слева и справа от центра вносят по1/8.

Это имеет значительный эффект. Выбирая различные низкочастотныефильтры, можно выбрать тот, который достаточно сглаживает шум, но неслишком размывает изображение.Можно также увеличивать размерность маски. Приведенные вышепримеры имели размерность 3 х 3. Можно использовать размерность 5 х 5или даже больше. Единственная проблема с применением больших масок число требуемых вычислений становится очень большим.Высокочастотная фильтрация.Высокочастотныефильтрыподчеркиваютмелкиедеталивизобрaжении.

Характеристики

Список файлов лекций