РОС - программа расчёта оптики телескопов

[ekvi]

ВЛИЯНИЕ ЦЭ НА КАЧЕСТВО ИЗОБРАЖЕНИЯ В ЗЕРКАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
ИЛИ
РЕФРАКТОР ПРОТИВ РЕФЛЕКТОРА

На первом рисунке представлена подборка дифракционных тестов по изображению Сатурна для телескопа из 3х асферических зеркал Ф500х1500 мм в зависимости от величины центрального экранирования:

ЦЭ = d / D,

где
d - диаметр экрана (диагонального или вторичного зеркала, ф/камеры и т.п.),
D - диаметр входного зрачка системы.

3х-зеркальная асферическая система выбрана по соображениям почти идеальной коррекции в ней практически всех аберраций: нет хроматизма, комы, кривизны поля, астигматизм высокого порядка проявляется только на краю поля (нижний рисунок). Действительное ЦЭ в этой системе - около 40%.

В левой колонке иллюстраций на первом рисунке сверху вниз ЦЭ возрастает по 2 %, начиная с 2 % и до 6 %. В правой колонке верхний кадр создан при 2 % экранировании для полевой точки 10 мм, а далее, как и в левой колонке, идут кадры с увеличением ЦЭ, 8 % и 10 %, для центра поля. Начиная с 8 %, помимо засветки фона, возникает яркий рисунок муара и сильное искажение в центре, которое затем распространяется на все изображение, но контраст в зонах со слабой освещенностью у систем с ЦЭ значительно выше, чем у рефракторов. По-видимому, 9 % в зеркальных системах – это предел для ЦЭ.

На втором рисунке слева – эталонные снимки, в середине – тест рефрактора типа Таир Ф100х500 мм, справа – тест  модернизированной системы Гамильтона Ф310х530 мм с ЦЭ, искусственно заниженным до 5%.

Тесты по снимкам реальных объектов настойчиво склоняют к рефрактору, напрашивается неутешительный вывод о непригодности зеркальных объективов не только для визуальных наблюдений, но и для фотографических. Можно только надеяться, что этот вывод неверен и является результатом ошибки в алгоритме программы РОС, приводящей к завышению роли ЦЭ.

[Дрюша]

Тесты по снимкам реальных объектов настойчиво склоняют к рефрактору, напрашивается неутешительный вывод о непригодности зеркальных объективов не только для визуальных наблюдений, но и для фотографических. Можно только надеяться, что этот вывод неверен и является результатом ошибки в алгоритме программы РОС, приводящей к завышению роли ЦЭ.

Разумеется, - ошибки. В программе. Я видел Сатурн в реальные телескопы, рефракторы (70-150 мм, в т. ч. АПО) и рефлекторы (110-350 мм, и 150 тоже), и сразу скажу: если разница и есть, - то не до такой же степени. Больше всего, конечно, гадила атмосфера...

Я полагаю, что причина ошибки - уже обсуждалась. Но Вы тогда - не вняли. Ещё на тестах по двум звёздам я указывал на то, что Васа программа строит изображения, более характерные для когерентных источников. То есть, как если бы, скажем, два близких маленьких отверстия или маска (диапозитив) с изображением Сатурна подсвечивались бы светом доного одномодового лазера. Может быть, - тогда бы оно так и было. Но на самом деле две разные звезды или разные части планеты - испускают свет, который никак не интерферирует друг с другом. В этом случае интентивности засветки в каждой точке изображения от каждой точки объекта - тупо складываются (интегрруются).

[ekvi]

Я видел Сатурн в реальные телескопы...

Когда в 1977м я впервые заглянул в рефлектор, то ничего, кроме "бельма" в центре поля, я долго не мог различить.
Вот и сегодня результаты, которые выдает БПФ, 1:1 подтверждают мои первые впечатления от центрального экранирования - именно в него пока все и уперлось.
Делались попытки - как и в том, далеком 1977м, - заглядывать на объект сбоку, с края поля зрения, но и они оказались безуспешными. Надо будет у зрительного канала поучиться "не видеть бревна" в зрачке телескопа. Может быть, применить своеобразную маску...

useFitROS:
http://yadi.sk/d/igg9zkWOJNZZU

[ekvi]

Для повышения результативности тестирования телескопов по изображению реальных объектов требуется содействие форума.

Подскажите, пожалуйста, как можно отличить отличное изображение, более информативное, - от посредственного, бедного информацией? 
Какие для этого используют признаки, интегральные характеристики?
Или это определяется только интуитивно, по виду гистограммы?

Может кто даст ссылки на литературу, где этот вопрос явно  обсуждается?

[Алексей Юдин]

Используется ЧКХ, особенно на средних частотах.

[ekvi]

Используется ЧКХ,

- у снимка?

Виноват: я не точно сформулировал вопрос!

Речь шла об изображении тест-объекта, зафиксированного в снимке. По этому снимку тестируется объектив, на выходе - изображение, пропущенное через объектив, которое и подвергается анализу, сопоставляется с исходным изображением (эталоном). Поэтому требуется знать и сопоставлять характеристики исходного и результирующего  изображений, записанных в FIT-файлы в формате IEEE Float (формат безразличен).

[ekvi]

Итак, вопрос такой:

Имеется два снимка одного объекта. По каким численным характеристикам этих снимков можно сказать, что один снимок высокоинформативен, а другой - беден информацией?

Ясно, что если на одном снимке звезды "пухлые", а на другом "наколоты иголочкой", то более ценен второй. Но каким числом это можно выразить? Ведь среднее число пикселей "под звездами" может говорить еще и о том, что на этом участке неба просто нет ярких звезд, и, наоборот, что на плохом снимке - одни яркие звезды.
Правда, ответ на поставленный вопрос облегчается тем, что оценка результата тестирования оптики производится по эталонному снимку

Что и как об этом же может рассказать гистограмма?

[Алексей Юдин]

По результату воздействию на объект ЧКХ оптического тракта - пространственно-частотному спектру снимка. Т.е. в итоге всё равно по ЧКХ - объект должен быть неизменным, например Юпитер в одинаковое время, а если мы оцениваем телескопы, а не тракт в целом, то в объект ещё и атмосфера включается.

[ekvi]

По результату воздействия на объект ЧКХ оптического тракта

Понятно, что два объектива имеют разные ЧКХ. Но это - задача, стоящая перед программой РОС, она стоит в более широкой постановке, и к ее решению я, например, пока не готов.

В сегодняшней формулировке задача поставлена значительно уже: имеем конечный результат - два изображения, полученных через два разных объектива, но с одного тест-снимка, и эти изображения нужно сопоставить.

Решить задачу могут помочь только ассы обработки фото-снимков. 

[Алексей Юдин]

Фурье-образы сравнивать, приведённые к равному масштабу.

[ekvi]

Фурье-образы сравнивать

Вопрос: "По каким параметрам?" - возвращает нас к первоначально поставленной задаче.

У вышедшего из объектива сигнала имеются различные параметры:
Isq - среднеквадратический сигнал (глобальный или локальный),
Isa - среднеарифметический сигнал (глобальный или локальный),
dI = Isq - Isa,
Imax, Imin,
а также число "выраженных" звезд,
и т. д. - могут ли они оказаться полезными при сопоставлении результатов?

[Gleb1964]

Фурье-образы сравнивать, приведённые к равному масштабу.

а есть ли смысл так делать?
зачем, если изображения тест-объекта, тестируемое через разные объективы, все равно будет сверткой ЧКХ этих объективов с тест-изображением.
Т.е. достаточно получить ЧКХ объективов напрямую и сравнивать (как вы вначале и предлагали), а не пытаться извлечь ее позже из фурье образов сравниваемых изображений

[ekvi]

Т.е. достаточно получить ЧКХ объективов напрямую и сравнивать

Недостаточность известных критериев оценки качества оптики и привели к попыткам найти новые средства.
А. Зубаревым предложено тестировать по изображениям сложных объектов, что и было апробировано в программе РОС.
Теперь нужно только применить уже известные в фототехнологиях критерии оценки снимков.

[Алексей Юдин]

Недостаточность известных критериев оценки качества оптики и привели к попыткам найти новые средства.

О какой недостаточности речь? Всё давно в порядке, практически просто часты несовершенные методики, такие как испытание объектива тем же сенсором, с которым он должен работать, но это всё просто от бедности и лени.

[ekvi]

О какой недостаточности речь? Всё давно в порядке

Когда мы входим в этот мир, все в нем нас поражает:
-Это со? а это - со?
После получения папа-маминых ответов мы спокойно засыпаем ...

Не Вы ли, Алексей, ратовали за пробуждение?!

[ekvi]

ROS для пользователей:
http://yadi.sk/d/igg9zkWOJNZZU

[Gleb1964]

Тесты по снимкам реальных объектов настойчиво склоняют к рефрактору, напрашивается неутешительный вывод о непригодности зеркальных объективов не только для визуальных наблюдений, но и для фотографических. Можно только надеяться, что этот вывод неверен и является результатом ошибки в алгоритме программы РОС, приводящей к завышению роли ЦЭ.

Разумеется, - ошибки. В программе. Я видел Сатурн в реальные телескопы, рефракторы (70-150 мм, в т. ч. АПО) и рефлекторы (110-350 мм, и 150 тоже), и сразу скажу: если разница и есть, - то не до такой же степени. Больше всего, конечно, гадила атмосфера...

Я полагаю, что причина ошибки - уже обсуждалась. Но Вы тогда - не вняли. Ещё на тестах по двум звёздам я указывал на то, что Васа программа строит изображения, более характерные для когерентных источников. То есть, как если бы, скажем, два близких маленьких отверстия или маска (диапозитив) с изображением Сатурна подсвечивались бы светом доного одномодового лазера. Может быть, - тогда бы оно так и было. Но на самом деле две разные звезды или разные части планеты - испускают свет, который никак не интерферирует друг с другом. В этом случае интентивности засветки в каждой точке изображения от каждой точки объекта - тупо складываются (интегрруются).

все правильно Дрюша здесь пишет (и в других местах). Я прочитал всю тему, и смежную тоже, ту, что про интерференцию и дифракцию, которую отделили в отдельную ветку.
Там, на тестовой картинке двух звезд, что ранее была представлена, четко видна интерференция в кольцах - образование этаких "лучей". Это признак когерентной подсветки изображения. Это означает, что в формируемом программой изображении используется амплитуда и фаза по всей исходной тестовой картинке. А для теста по реальным объектам это не подходит, в реальных объектах есть только распределение интенсивности (или квадрата амплитуды) по объекту. Берете одну точку объекта (элемент разбиения) и считаете распределение по пикселам фокальной плоскости, с учетом фазы-амплитуды, потом возводите в квадрат амплитуду - получиться распределение интенсивности. Потом такой же расчет для следующего элемента тестовой картинки и т.д., с суммированием картинок интенсивностей. При таком подходе никаких когерентных спеклов не возникнет

[ekvi]

Берете одну точку объекта (элемент разбиения) и считаете распределение по пикселам фокальной плоскости, с учетом фазы-амплитуды, потом возводите в квадрат амплитуду - получиться распределение интенсивности.

Посмотрите исходный код - он к программе приложен.

Здесь проблема в другом: в процедурах MTF и PSF экранирование учтено вторично.
При устранении повтора устраняется и разница между рефрактором и рефлектором - в последней версии так и сделано.

[ekvi]

Время тестирования по снимкам реальных объектов в программе РОС сокращено на порядок. Стал доступным полный тест системы (см. иллюстрацию)

Найден объективный критерий для оценки качества коррекции ошибок оптической системы. Им оказалось среднеквадратическое отклонение яркости пикселей идеального и реального изображений:
dIsqim = sqrt ( sum ( sqr( Ir - Ii ) ) / n ),
где
Ir - яркость пикселя на изображении, сформированном через реальный объектив,
Ii - яркость пикселя на изображении, сформированном через тот же объектив при полном отсутствии аберраций и центрального экранирования,
n - число пикселей, формирующих  изображение тест-объекта.

useROS:
http://yadi.sk/d/igg9zkWOJNZZU

[ekvi]

Тест системы по снимку 256х256 пикселей кольцевой туманности. Трудно подобрать более реалистичный объект, обеспечивающий максимум объективности при оценке качества изображения системы по dIsqim.