Моделирование и оптимизация оптико-электронных приборов с фотоприемными матрицами (1095912), страница 23

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

Текст из файла (страница 23)

Съемка темновых кадров в течение ночиминимизирует различия. Но может возникнуть ситуация, когда нужныйтемновойкадрнедоступен,чтобыдолжнымобразомкалиброватьизображение.Что же делать, если нет кадра калибровки, который соответствуетпродолжительности экспозиции и/или температуре изображения? Ответ:компенсацияэкспозиции.температураиприближаютсяНужноиспользоватьпродолжительностьктребуемомукадру.экспозициитемновойкакИспользованиекадр,можнокадрачьяблизкоразбросанастоятельно рекомендуется в этой ситуации (разброс постоянен и неизменяет масштаб в зависимости от длительности экспозиции).Если камера имеет регулировку температуры, то можно отснять набор"мастер-кадров" при различных значениях температуры и экспозиции. Онимогут использоваться для калибровки любой подобранной экспозиции,снятой с той же камеры.Калибровка кадра плоского поля.КаждыйпикселвПЗС-камереимеетслегкаразличнуючувствительность к свету.

Эти различия чувствительности добавляют ещеодин шумовой компонент к изображению (известный как ошибка плоскогополя), если не предпринять шаги для компенсации. Если корректировкаплоского поля важна для формирования изображений хорошего качества, токалибровка кадра абсолютно необходима для точных фотометрическихизмерений.На фоне яркого неба любые изменения чувствительности от пиксела кпикселу отражаются на изображении; более чувствительный пикселобнаруживается как более яркая точка.

Если не использовать космическийтелескоп, то всегда будет наблюдаться свечение неба; естественнаяатмосферная эмиссия гарантирует некоторое свечение неба даже на главныхобъектах наблюдения. Когда используются длительные экспозиции дляобнаружения чрезвычайно слабо светящихся объектов (более слабых, чемсвечение неба), то предельная чувствительность определяется тем, как точноможет быть скорректирована ошибка плоского поля.Есть несколько источников неравномерности плоского поля.

ТипичныеПЗС-датчики имеют разброс от пиксела к пикселу порядка 1 %.Виньетирование в оптической системе может уменьшить световой поток вуглах датчика. Пыль на оптических поверхностях около датчика можетбросать тени (часто называемые "пылевые кольца" из-за их внешнего вида).Чтобы сгенерировать кадр плоского поля, оптическая системаосвещается однородным источником света, и снимается кадр. Чтобыизбежать нелинейности наверху и шума внизу, экспозиция выбирается так,чтобы получить среднее значение от 30 до 50 % уровня насыщения.

Затемплоское поле повторно нормализуется, разделяя значение каждого пиксела насреднее значение по матрице. Любому пикселу, который является болеечувствительным, присваивается число чуть меньше 1; любому пикселу,который менее чувствителен, присваивается число чуть больше 1. Когда этоткадрумножаетсянаисходноеизображение,тоудаляетсяразбросчувствительности.Уплощение поля - наиболее трудный метод калибровки.

Полнаяапертура оптической системы должна быть равномерно освещена. Если этоне сделано тщательно, то плоское поле будет неправильным. Утечки светаразрушат калибровку, добавляя несфокусированный свет, который непроходил через оптическую систему. После калибровки ПЗС-камера недолжна перемещаться или перефокусироваться. Некоторые датчики имеютсущественную неравномерность плоского поля в зависимости от длиныволны (цвета), и бывает невозможно воспроизвести нормальный спектросвещения. Из-за этих проблем трудно сформировать хорошее плоское поле,поэтому такую калибровку иногда пропускают.Если нет никакого виньетирования и пылевые кольца не проблема, тоодной калибровки камеры может быть достаточно.

Следует закрытьпрозрачным материалом (несколько слоев белой бумаги для ксерокса будетдостаточно) один конец шестидюймовой длинной непрозрачной трубы,разместитьеепередПЗС-камерой,мягкоосветитьбелымсветом(естественный или от лампы накаливания, не люминесцентный и несветодиодный) и сделать снимок с экспозицией, которая обеспечит уровеньяркости примерно 30 % от максимума. Результирующее изображение можетбыть использовано в качестве плоского поля камеры, независимо отприменяемой оптики. Внимание: окно должно быть чистым (никаких пятенот пыли).Обычныйспособдляастрономическихснимковсостоитвиспользовании "сумеречной плоскости", где сумеречное небо - диффузныйисточник света. Быстрое изменение уровней света неприемлемо. Освещениеможет быть однородно, если избежать записи звезд (или удалять их,перемещаятелескопмеждуэкспозициямиииспользуямедианноесуммирование с перенормализацией). Более совершенный способ состоит втом, чтобы использовать "плоское небо".

Подробнее об этом изложено далее.Кадры плоского поля должны быть откалиброваны, чтобы удалитьразброс, а для более длительных экспозиций также должна быть выполненакоррекция темнового тока. Существенно, чтобы оба кадра (кадр плоскогополя и световой кадр) должным образом были скорректированы по разбросу;иначе коррекция плоского поля не будет работать правильно (вычитание иделение с точки зрения математики некоммутативны).Комбинирование кадров.Всешумовуюкадрыизображений, регистрируемыесоставляющую.КогдаизображенияПЗС-камерой, имеютскладываютсяиливычитаются, шум только прибавляется. Вычитание одного темнового кадраиз изображения удалит большие вариации среднего темнового тока отпиксела к пикселу.

Это также увеличит случайный шум темнового тока визображении на 41 %. Если вместо этого усреднить 10 темновых кадров довычитания, шум возрастет только на 5 %. Если использовать 20 или 40кадров, то добавленный шум будет незначителен.Типовой метод объединения состоит в усреднении кадров. Это даетлучшие результаты для вполне случайного гауссова шума. Однако если есть"выбросный" (резко отличающийся) пиксел на одном кадре (например, следкосмической частицы или звезда на фоне сумерек), то он будет включен всреднее число.Объединение с помощью медианы гораздо более эффективно приподавлении выбросных пикселов.

К сожалению, медианное объединениеприводит к увеличению уровня шума на 25 % по сравнению усреднением.Когда кадры плоского поля объединяются с помощью медианы, то требуетсяперенормализация. Это гарантирует, что каждый кадр имеет ту же самуюсреднюю яркость.Альтернативоймедианеслужитиспользованиемаскировкистандартного отклонения.

При этом сначала исключают выбросные пикселы,а затем находят среднее по оставшимся пикселам. Они в самом делеявляются компромиссом между медианой и средним числом, объединяяпреимущества уменьшения шума при усреднении с исключением выбросныхпикселов при медианном объединении.

Пользователь может также выбиратьспособы перенормализации для этих методов.Иногда можно не делать калибровку по всем трем калибровочнымкадрам. Все кадры изображения, снятые ПЗС-камерой, естественно,включают разброс: если вычитать темновой кадр из светового кадра иливычитатьплоскийтемновой(соответствующийпродолжительностиэкспозиции плоского кадра) из кадра плоского поля, затем кадр разбросавычесть из обоих. Нет необходимости в отдельном кадре разброса. Кадрразброса требуется, если:используетсямасштабированнаяэкспозициядлятемновыхкадров;используются кадры плоского поля, но нет темновых кадров стой же длительностью экспозиции, как и для кадра плоского поля (плоскийтемновой). В таком случае можно или только вычитать кадры разброса, илииспользовать их, чтобы помочь автомасштабированию темновых кадров.Рекомендуется использовать кадры разброса (их чрезвычайно легкосформировать) и всегда находить среднее, по крайней мере по 10 кадрам,чтобы избежать добавления дополнительного шума в изображении.

Еслиэкспозиция плоского поля коротка, то темновой ток незначителен и можновычитать только кадр разброса из кадра плоского поля. Нужно вычитать кадрразброса или темновой кадр из кадра плоского поля, иначе кадр плоскогополя не будет работать должным образом.Если не выполняется фотометрия (измерение яркости) и изображениедостаточно чисто для данного применения, не обязательно использовать кадрплоского поля. Также кадр плоского поля не обязателен для астрометрии,поскольку используемый центроидный алгоритм весьма устойчив; однакоэтот кадр может помочь, если отношение сигнал/шум мало. Баллончиксжатого воздуха особенно эффективен для пылевых колец. Но если требуетсялучшее качество работы камеры или выполняются фотометрическиеизмерения, то работа с кадром плоского поля необходима.

Как абсолютныйминимум, нужно всегда вычитать темновой кадр.Плоское небоимеет преимущество точной замены освещения и спектра реальныхусловий формирования изображений просто потому, что используетсяреальное изображение неба. Плоское небо особенно важно для утоньшенныхФПМ ПЗС с обратным освещением, которые могут страдать от эффекта,известного как бахрома. Бахрома - интерференционная картина в отраженияхмежду передней и задней поверхностями датчика; картина возникает из-замельчайших изменений в толщине датчика. Она заметна только вмонохромном свете; к сожалению, линии излучения присутствуют внебесном фоне как естественных, так и искусственных источников.Поскольку фон неба доминирует при длительных экспозициях, бахромаможет стать существенной проблемой. Из-за производственного разброса онаможет проявляться более или менее в разных датчиках.

Плоское небоработает хорошо, потому что оно точно представляет освещение неба,включая линии излучения. Этот способ, по существу, такой же, как плоскиесумерки, где сумеречное небо используется в качестве источника света, заисключением того, что оно сделано непосредственно из фона неба.На первом шаге нужно установить камеру и настроить фокус. Следуетизбегать перемещения камеры после съемки кадра плоского поля. Затемнеобходимо отснять большое количество (> 30) изображений ночного неба вслабо заполненной его части, используя различные области неба при каждойэкспозиции.

Характеристики

Список файлов лекций