Адаптивный фотоприемник

[ekvi]

Изготовив астрофотокамеру ф310 мм с F/D=1.7, я обнаружил, что ее информативность заметно уступает длиннофокусным слабосветосильным астрографам, имеющим "дифракционный фокус" (когда оптический кружок вписан в пиксель). Это произошло в результате уменьшения длины фокуса (масштаба снимаемых объектов) и отступления оптики от дифракционного качества (3 мкм вместо 2 мкм).
Поиск возможных резервов привел к необходимости "договориться" с атмосферой. Такая «договоренность» позволит вдвое увеличить разрешающую способность АФК в условиях уральской атмосферы и вчетверо повысить ее информативность.

Вопрос о контрасте и разрешающей способности матричных фотоприемников очень не прост. При больших экспозициях, иногда достигающих десятков часов, электроника, фильтруя шумы, в том числе, и турбулентный дребезг, позволяет повышать не только контраст, но и разрешающую способность астрографа, приближая ее к дифракционной.
Однако постпроцессорное сложение снимков – это пассивное следование за существующей технологией.

Как известно, турбуленция атмосферы ставит предел разрешению больших телескопов. Преодолеть этот барьер до сих пор пытались с помощью адаптивной оптики. Но компенсация дрожа-ния изображения посредством перемещения пусть даже очень легких элементов адаптивного зеркала – это "механический" путь решения.

На сегодняшний день, мне кажется, созрели все условия для решения этой глобальной проблемы "электронным путем" с помощью "активного фотоприемника":
- параллельные вычисления на видеопроцессорах в формате Float,
- многоядерные ПК с высокой тактовой частотой,
- высокочувствительные сенсоры (ISO > 6400),
- светосильные астрографы (F/D < 3).

Каким представляется "электронный путь" и "активный фотоприемник"?
1. По "искателю полюса" (F>250мм) полярная ось точно выставляется на полюс мира.
2. Обеспечивается необходимая жесткость трубе и монтировке.
3. Создаются все условия для безукоризненной работы привода монтировки.
Таким образом, мероприятия по пп 1 – 3 призваны обеспечить «стояние изображения на пикселе» на все время съемок. Того же можно добиться и прецизионным гидированием.
4. На монтировку астрографа устанавливается светосильный объектив, обеспечиваю-щий необходимый уровень сигнала при считывании информации с фотоприемной матрицы с частотой, в 5 – 10 раз превышающей турбулентные колебания изображения (3-10 КГц).
5. Разрабатывается специальная плата с графическим процессором, расположенным в непосредственной близости от сенсора астрографа.
6. Для управления в реальном времени работой "активного фотоприемника" разрабаты-вается программное обеспечение, ориентированное на параллельную обработку информации графическим процессором.
Во время своей работы управляющий модуль программы:
6.1. По ярким звездам или точкам объекта фиксирует на матрице реперные пиксели.
6.2. По реперным пикселям определяет, куда и с какой скоростью в данный момент атмосфера смещает изображение.
6.3. Делает прогноз о положении объекта и длительности предстоящей экспозиции.
6.4. Экспонирует объект в течение расчетного времени.
6.5. Считывает изображение с учетом его смещения относительно реперных пикселей.
6.6. Считанный сигнал складывает с суммарным в накопителе.
6.7. Переходит к следующему сеансу Прогноз-Экспозиция-Считывание.

Описанный алгоритм можно использовать и для более пассивного ожидания «с воздушного моря тихой погоды». Но, в отличие от постсуммирования записанных снимков, предлагается накопление сигнала производить в реальном времени и с активной коррекцией положения считываемой информации на величину и скорость атмосферного смещения изображения.
Поскольку «наука умеет много гитик», то при наличии высокочувствительной матрицы больших размеров пп 1 – 4 могут оказаться необязательными.
И, конечно, на первых порах размеры обрабатываемых изображений будут очень малы, может быть, в пределах 1 – 2 угловых минут, например, планет.
Но лиха беда – начало!

   Произведем оценку предлагаемого решения в цифрах.
Например, при размере считываемого участка матрицы 256*256 пикселей по 16 бит (при фокусе 520 мм это соответствует 8*8 угл. минут) потребуется тактовая частота счи-тывающего устройства 
f = (16 бит/8)*256*256*(10000 Гц)*(4 такта)*(3 цвета) = 1.6 ГГц,
   С такой работой справился бы и обычный процессор, да беда в том, что полученная цифра в 1000 раз превышает пропускную способность USB-кабеля (1 – 2 МГц). Примерно с такой же частотой происходит считывание информации и в ф/к Canon.
   Выходит, самое узкое место этой технологии не обработка, а съем информации с сенсора. Так что при fusb = 2МГц доступны пока только поля размером
- 32*32 пикселя (1*1 угл. мин.) – в 3х-цветном виде,
- 64*64 пикселя (2*2 угл. мин.) – в монохромном виде.
Таким образом, требуется специальный «фоточувствительный процессор», селективно запоминающий низкочастотный сигнал и игнорирующий высокочастотный.
Можно также перед входным зрачком поставить одна за другой на расстоянии 1 метра 2 мелкоячеистые сетки, перекрывающие доступ колеблющемуся сигналу. Размер ячейки – 5 мкм. Но при этом дифракционное пятно примет чудовищные размеры (10-20 мм).
Оба спасительных варианта утопичны.
Поэтому электронщикам деваться некуда - придется на 2 порядка увеличивать скорость считывания информации с сенсора.
Именно здесь и нужно применить распараллеливание при считывании информации. Кстати, не зря OT CCD имеет составную структуру.

Сам я не владею технологией печатных плат, не знаю современную элементную базу и слабоват в низкоуровневом программировании. Но, надеюсь, еще сохранился порох в наших пороховницах, и совместными усилиями нам удастся преодолеть воздушный барьер.
Думаю, эта тема достойна пера Д.Маколкина и кисти А.Водяника.

[FRIM@N]

1.Чувствительность матрицы измеряется не в ISO а в квантовой эффективности QE.
2. Таких матриц которые могли бы считывать слабые сигналы далеких галактик

с частотой, в 5 – 10 раз превышающей турбулентные колебания изображения (3-10 КГц).

не существует и в ближайшее время не предвидится. Даже перспективным EMCCD такое не под силу. Шум считывания будет выше полезного сигнала, даже с охлаждением и сверх светосильным F 0.7 объективом.
Собственно на этом все. Остаются длительные экспозиции и гидирование, плюс суммирование материала с целью улучшения соотношения сигнал шум.

[Олег Чекалин]

............................

Каким представляется "электронный путь" и "активный фотоприемник"?
..............................

Лет 10-12 назад в S&T анонсировался такой приемник.

[ekvi]

To FRIM@N:

Думаю, с таким вердиктом не стоит торопиться.

В моей АФК всего 1:1.7, но даже очень слабый полезный сигнал усматривается уже при экспозициях менее 1с. Это на 3 порядка меньше требуемого, но ведь и адаптивная экспозиция также не ограничена сверху.

Кроме того, обратите внимание: речь шла не только и не столько о накоплении слабого сигнала, сколько о его очищении от атмосферной размытости, т.е. о повышении разрешающей способности при регистрации сигнала с нормальным уровнем, т.е. , например, планет.

[ekvi]

Олег, а есть у них архив? - я посмотрел по сайту и не нашел.

[Олег Чекалин]

Я даже не знаю, по каким словам гуглить.

Кстати второй путь - быстрое считывание сенсора и нулевой шум этого считывания.
http://en.wikipedia.org/wiki/Lucky_imaging

Но все это не для мелких телескопов, при таком масштабе изображения требуются слишком мелкие ячейки, что делает затею бесполезной.

[ekvi]

Я хлопочу не только о "своих" планетах.
А светосила привлечена только в предверии того, что для высокочастотного считывания сигнала нормального уровня она не помешала бы.

Ваша наводка об увеличении скорости и бесшумном считывании замечательна.
Пойду смотреть.

[ekvi]

Я посмотрел Люки-метод: это все тот же постпроцессорный метод складывания специально отобранных (best) снимков из записи 50 тыс. кадров, отснятых с частотой 40 кадров/с.
Но даже на такой частоте результат феноменальный.
Кстати, FRIM@N не напрасно упомянул о шумах считывания, которые не бывают нулевыми. Просто на видеочастотах, которые обычно применяются (мне известны 60-75 кадр/с), эти шумы не так заметны, как они будут превалировать на частотах в килогерцы.

Поэтому - зачем сразу замахиваться на килогерцы? - можно начать, например, и со 100 Гц, т.е. пока яркость позволяет "держать" реперные пиксели. Но это будет производиться в РЕАЛЬНОМ времени.

[FRIM@N]

Кроме того, обратите внимание: речь шла не только и не столько о накоплении слабого сигнала, сколько о его очищении от атмосферной размытости, т.е. о повышении разрешающей способности при регистрации сигнала с нормальным уровнем, т.е. , например, планет.

При планетной съемке в настоящее время ЛА фактически используется методика описанная здесь http://en.wikipedia.org/wiki/Lucky_imaging  То есть программно для последующего сложения отбираются лучшие кадры (Lucky_imaging). Перспективы для движения вперед есть. Более чувствительные приемники которые смогут позволить увеличить количество захватываемых кадров в секунду в итоге будут повышать качество получаемых изображений.
Но уровень сигнала планет достаточно высок. В случае же дипская картина несколько иная. Как я написал выше основная проблема шум считывания. Я не знаю матриц доступных любителям и которые способны обеспечить подобных характеристик.
Если таковые вам известны озвучте тип, обсудим вместе даташит. Можно прикинуть, учитывая турбуленцию считывание кадра должно быть на уровне 1/400c. Проверял по тесным двойным, более длительная выдержка уже мажет. Но это зависит конечно от местных условий, на Паранале возможно ее можно удлинить если еще использовать адаптивку.

6.1. По ярким звездам или точкам объекта фиксирует на матрице реперные пиксели.
6.2. По реперным пикселям определяет, куда и с какой скоростью в данный момент атмосфера смещает изображение.
6.3. Делает прогноз о положении объекта и длительности предстоящей экспозиции.
6.4. Экспонирует объект в течение расчетного времени.
6.5. Считывает изображение с учетом его смещения относительно реперных пикселей.

Нечто подобное используется в бытовых камерах под названием электронная стабилизация. То есть технически эта технология существует и обкатана.

[Олег Чекалин]

..........................
6.4. Экспонирует объект в течение расчетного времени.
6.5. Считывает изображение с учетом его смещения относительно реперных пикселей.
6.6. Считанный сигнал складывает с суммарным в накопителе.
6.7. Переходит к следующему сеансу Прогноз-Экспозиция-Считывание.

Это тоже постпроцессинг.
Чтобы процесс не являлся пост-  требуется, чтобы коррекция положения заряда производилась непосредственно на сенсоре в процессе накопления. Другими словами потребуется специальный сенсор с другой архитектурой.

[ekvi]

FRIM@N!
Было бы замечательно, если бы на форум забрел конструктор такого стабилизатора: он наверняка бы сразу просек, как это реализовать и на чем.
В 2010 году я поработал в Регистаксе: там все поставлено на выбраковке лучших изображений. Пришлось делать программу AviSum. Но все это быстро привело к необходимости суммировать кадры на месте их создания. Это не только экономично, но и целесообразно.

[Алексей Юдин]

Смотрите труды IEEE и SPIE на тему Orthogonal Transfer (OT) CCD.

[ekvi]

Олег!
О таком сенсоре и я погоревал (см. 1й пост). Но это слишком и мало кто в этом заинтересован.

Я не обвязывал матрицу, но думаю, что такое считывание (с адаптивным смещением начала отсчета) организовать на управляемом контроллере не составит особой проблемы. К сожалению уже нет моего приятеля, который бы мог решить эту элементную (и элементарную для электронщика) задачу.  Да и на форуме их раз-два и обчелся...

[ekvi]

Спасибо, Алексей, Вы ответили FRIM@N и успокоили нас с Олегом - такие матрицы существуют: они обеспечивают стабильность изображения посредством его считывания со сдвигом, при этом не повышая уровень собственных шумов (я правильно понял "ангельский" язык?).

Осталось дело совсем за пустяком: приобрести такую матрицу и ПО к ней - и с атмосферой можно побрататься!

Тем Форум и прекрасен, что он - и коллективный мозг и коллективный кладезь.

[Алексей Юдин]

Там всё делается без внесения цифрового шума, в аналоговой форме - зарядовыми пакетами. Хотя компенсация турбуленции, естественно, неполная и .С/Ш из-за неё всё равно падает.

[ekvi]

FRIM@N сделал существенную поправку в наши представления о поведении атмосферы и даже подтвердил результатами своих наблюдений: пороговая частота находится на уровне половины килогерца (400 гц его цифра). Это не слишком далеко от рядовой видеосъемки на частотах 60 Гц, о которых говорит разработчик ф/к Canon.

И обратите внимание на составную структуру OT CCD: это способствует распараллеливанию потока считываемой информации и грандиозному ускорению этой процедуры.
Так что - "дерзайте, и вы обрящете"!

---------------------------------------------------
Для меня замечательно то, что и общественность Форума оказалась готовой к пониманию, и уровень техники созрел не просто к поиску решения проблемы, а уже прямо к ее реализации.

Полагаю, что теперь любители и сами доведут дело до его логического завершения, внедрив в свои астрографы OT CCD.

[ekvi]

Токовинин с Щегловым предлагают обработать миллион снимков... (по ссылке AndreYa).
Программа AviSum, которую пришлось разработать в 2010 г., просто складывала из AVI-файла снимки в формате 720*576*8 со скоростью 25 кадр/с и на сложение миллиона кадров ей пришлось бы потрудиться 10 часов. Боюсь, что для селекции  лучших снимков из миллиона суток ей не хватило бы. Так что, AndreYa, в ту сторону нам не надо: мы как раз оттуда и пришли сюда.

Мне показалось, что О.Чекалин с А.Юдиным прорабатывают вариант принципиально нового сенсора, который в первом посте я отнес к разряду нереальных: управление расположением накапливаемого матрицей сигнала.
Но если даже и такое уже стало возможным, то вариант, который обсуждаем мы с FRIM@N вообще из ряда простых инженерных решений: смещение точки считывания сигнала с сенсора в накопитель синхронно турбулентному смещению изображения по матрице.

[Владилен]

Проблема не простая: если размер объектива телескопа укладывается в радиус Фрида, то может не хватить освещенности и шумы испортят одиночные кадры до такой степени, что программно невозможно найти центры яркости. Если же размер объектива телескопа крупнее радиуса Фрида, то происходит наложение изображений, тут надо отбирать кадры когда обстоятельства так сложаться, что картинка окажется четкой.
Если превышаем радиус Фрида в два раза, то уже появляется четыре пикселя куда может попасть свет от четырех "независимых" источников света, и надо выловить момент когда все сложится нужным образом. Те же Lucky обещают повышение разрешения не более 5-7 раз http://www.membrana.ru/particle/11891, а в описании Регистакса упоминалось в одной из статей повышение разрешения около 4-х раз. При нашей стандартной 3" полуширине (ну и название: http://en.wikipedia.org/wiki/Fwhm  ) атмосферы при всем ужасном старании получим разрешение около 0.5", т.е. можно ставить масштаб 0.15-0.25" на пиксель.

[ekvi]

Справедливости ради необходимо отметить, что AndreyYa указал верное направление для ДАЛЬНЕЙШЕГО движения в сторону СВЕРХРАЗРЕШЕНИЯ, о котором говорит Владилен (<1"). Это замечание AndreyYa необходимо иметь ввиду астрономам, работающим на Коуровском спаренном астрографе "Мастер".

Но, поднимая настоящую тему, я вовсе не замахивался на сверхразрешение. Речь шла сугубо о восстановлении дифракционных возможностей наземной аппаратуры. Причем без использования экзотических фотоприемников (которые, как ни странно, уже есть), а с использованием только организационных (программных) возможностей электронной периферии.

[ekvi]

Владилен, Вы не могли бы поподробнее о Фриде?