Удачное изображение

Удачная визуализация (также называемая удачной экспозицией ) — это одна из форм получения спекл-изображений, используемая в астрофотографии . В методах получения спекл-изображений используется высокоскоростная камера с достаточно коротким временем экспозиции (100 мс или меньше), так что изменения в атмосфере Земли во время экспозиции минимальны.

те оптимальные экспозиции, которые меньше всего зависят от атмосферы При удачной визуализации выбираются (обычно около 10%), и объединяются в одно изображение путем сдвига и добавления коротких выдержек, что дает гораздо более высокое угловое разрешение , чем было бы возможно при одной, более длинной экспозиции . который включает в себя все кадры.

Объяснение

Изображения, сделанные с помощью наземных телескопов, подвергаются эффекту размытия из-за атмосферной турбулентности (что видно глазу по мерцанию звезд ). Многие программы астрономических изображений требуют более высокого разрешения, чем это возможно без некоторой коррекции изображений. Lucky Imaging — один из нескольких методов, используемых для устранения атмосферного размытия. При выборе 1% или менее удачная визуализация может достичь дифракционного предела даже телескопов с апертурой 2,5 м, что означает коэффициент улучшения разрешения как минимум в пять раз по сравнению со стандартными системами визуализации.

Зета Бутис была получена с помощью Северного оптического телескопа 13 мая 2000 года с использованием метода удачной визуализации. ( Диски Эйри вокруг звезд представляют собой дифракцию от апертуры телескопа 2,56 м.)
Типичное изображение этой двойной звезды с короткой выдержкой из того же набора данных, но без использования какой-либо спекл- обработки. Под воздействием земной атмосферы изображение каждой звезды разбивается на крапинки.

Демонстрация принципа

Последовательность изображений ниже показывает, как работает удачное воображение. ^[1] Из серии из 50 000 изображений, снятых со скоростью почти 40 изображений в секунду, были созданы пять различных изображений с длинной выдержкой. Кроме того, в начале демонстрационного эпизода показаны один снимок с очень низким качеством изображения и еще один снимок с очень высоким качеством изображения. Показанная астрономическая цель имеет идентификатор 2MASS J03323578+2843554. Север вверху, восток слева.

	Одиночная экспозиция с низким качеством изображения, не выбрана для удачного получения изображений.		Одиночная экспозиция с очень высоким качеством изображения, выбранная для удачного получения изображений.
	На этом изображении показано среднее значение всех 50 000 изображений, что почти соответствует длительной выдержке 21 минута (50 000/40 секунд) при просмотре ограниченного изображения. Выглядит как типичное звездное изображение, слегка вытянутое. Полная ширина на половине высоты (FWHM) зрительного диска составляет около 0,9 угловой секунды.		На этом изображении показано среднее значение всех 50 000 отдельных изображений, но здесь центр тяжести (центроид) каждого изображения смещен в одно и то же исходное положение. Это изображение с коррекцией наклона или стабилизацией изображения с длинной выдержкой. Он уже показывает больше деталей — два объекта — чем изображение с ограниченным зрением .
	На этом изображении показаны усредненные 25 000 (выбор 50 %) лучших изображений после того, как самый яркий пиксель в каждом изображении был перемещен в одно и то же исходное положение. На этом изображении мы почти видим три объекта.		На этом изображении показаны усредненные 5000 (выбор 10%) лучших изображений после того, как самый яркий пиксель в каждом изображении был перемещен в одно и то же исходное положение. Окружающий зрительный ореол еще больше уменьшается, становится отчетливо видно кольцо Эйри вокруг самого яркого объекта.
	На этом изображении показаны усредненные 500 (выбор 1 %) лучших изображений после того, как самый яркий пиксель в каждом изображении был перемещен в одно и то же исходное положение. Ореол зрения еще больше уменьшается. Отношение сигнал /шум самого яркого объекта на этом изображении самое высокое.

Разница между изображением с ограниченным обзором (третье изображение сверху) и результатом, выбранным из лучших 1% изображений, весьма заметна: была обнаружена тройная система. Самый яркий компонент на западе — звезда M4V с V = 14,9 звездной величины. Этот компонент является удачным эталонным источником изображений. Более слабый компонент состоит из двух звезд спектральных классов М4.5 и М5.5. ^[2] Расстояние системы составляет около 45 парсеков (пк). Видны воздушные кольца, что указывает на обсерватории Калар-Альто достижение дифракционного предела 2,2-метрового телескопа . Отношение сигнал/шум точечных источников увеличивается при более сильном отборе. Зрительный ореол на другой стороне более подавлен. Расстояние между двумя самыми яркими объектами составляет около 0,53 угловой секунды, а между двумя самыми тусклыми объектами — менее 0,16 угловой секунды. На расстоянии 45 пк это соответствует расстоянию между Землей и Солнцем в 7,2 раза, около 1 миллиарда километров (10 ⁹ км).

История

Удачные методы визуализации были впервые использованы в середине 20-го века и стали популярными для получения изображений планет в 1950-х и 1960-х годах (с использованием кинокамер, часто с усилителями изображения ). По большей части потребовалось 30 лет, чтобы отдельные технологии обработки изображений были усовершенствованы, чтобы эта нелогичная технология получения изображений стала практической. Первый численный расчет вероятности получения удачных шансов был сделан в статье Дэвида Л. Фрида в 1978 году. ^[3]

На ранних этапах применения удачных изображений обычно предполагалось, что атмосфера размазывает или размывает астрономические изображения. ^[4] В этой работе на половине высоты оценивалась полная ширина размытия (FWHM) и использовалась для выбора экспозиции. Более поздние исследования ^[5]^[6] воспользовался тем, что атмосфера не размывает астрономические изображения, а обычно создает несколько резких копий изображения ( функция рассеяния точки имеет крапинки ). Были использованы новые методы, которые использовали это преимущество для получения изображений гораздо более высокого качества, чем если бы изображение было размазанным .

В первые годы XXI века стало понятно, что турбулентная прерывистость (и вызванные ею колебания астрономических условий наблюдения ) ^[7] может существенно увеличить вероятность получения «удачной экспозиции» для данных средних астрономических условий наблюдения. ^[8]^[9]

Гибридные системы Lucky Imaging и адаптивной оптики

В 2007 году астрономы из Калифорнийского технологического института и Кембриджского университета объявили о первых результатах новой гибридной системы удачного изображения и адаптивной оптики (АО). Новая камера впервые дала разрешение, ограниченное дифракцией, на телескопах 5-метрового класса в видимом свете. Исследования проводились на телескопе Маунт-Паломар-Хейл с апертурой 200 дюймов. Телескоп с удачной камерой и адаптивной оптикой приблизил его к теоретическому угловому разрешению, достигая 0,025 угловых секунд для определенных типов обзора. ^[10]По сравнению с космическими телескопами, такими как 2,4-метровый «Хаббл», система по-прежнему имеет некоторые недостатки, в том числе узкое поле зрения для получения четких изображений (обычно от 10 до 20 дюймов), свечение воздуха и электромагнитные частоты, блокируемые атмосферой .

В сочетании с системой АО удачная визуализация выбирает периоды, когда турбулентность, которую должна корректировать система адаптивной оптики, снижается. В эти периоды, длящиеся лишь небольшую долю секунды, поправки, вносимой системой АО, достаточно, чтобы обеспечить превосходное разрешение в видимом свете. Удачная система обработки изображений усредняет изображения, сделанные в хорошие периоды, для получения окончательного изображения с гораздо более высоким разрешением, чем это возможно с помощью обычной камеры AO с длинной выдержкой.

Этот метод применим для получения изображений с очень высоким разрешением только относительно небольших астрономических объектов, диаметром до 10 угловых секунд, поскольку он ограничен точностью поправки за турбулентность атмосферы. Для наведения также требуется относительно яркая звезда 14-й величины в поле зрения. Находясь над атмосферой, космический телескоп Хаббл не ограничен этими проблемами и поэтому способен получать изображения с гораздо более широким полем зрения и высоким разрешением.

Альтернативные методы

Другие подходы, которые могут обеспечить разрешающую способность, превышающую пределы атмосферного зрения, включают адаптивную оптику , интерферометрию , другие формы получения спекл-изображений и космические телескопы НАСА , такие как космический телескоп «Хаббл» .

Ссылки

^ Хипплер, Стефан; и др. (2009). «Прибор AstraLux Sur Lucky Imaging Instrument в NTT» (PDF) . Посланник . 137 : 14–17. Бибкод : 2009Msngr.137...14H .
^ Янсон, Марк; Хормут, Феликс; Бергфорс, Каролина; Бранднер, Вольфганг; Хипплер, Стефан; Дэмген, Себастьян; Кудрявцева Наталья; Шмальцль, Ева; Снифф, Кэролин; Хеннинг, Томас (2012). «Исследование множественности больших M-карликов Astralux». Астрофизический журнал . 754 (1): 44. arXiv : 1205.4718 . Бибкод : 2012ApJ...754...44J . дои : 10.1088/0004-637X/754/1/44 . S2CID 118475425 .
^ Фрид, Дэвид Л. (1978). «Вероятность получить удачное изображение с короткой выдержкой из-за турбулентности». Журнал Оптического общества Америки . 68 (12): 1651. doi : 10.1364/JOSA.68.001651 .
^ Ньето, Ж.-Л; Тувено, Э. (1991). «Повторное центрирование и отбор изображений с короткой экспозицией с помощью детекторов счета фотонов». Астрономия и астрофизика . 241 : 663. Бибкод : 1991A&A...241..663N .
^ Закон, Нью-Мексико; Маккей, CD; Болдуин, Дж. Э. (2006). «Удачная визуализация: визуализация с высоким угловым разрешением, видимая с земли». Астрономия и астрофизика . 446 (2): 739–745. arXiv : astro-ph/0507299 . Бибкод : 2006A&A...446..739L . дои : 10.1051/0004-6361:20053695 . S2CID 17844734 .
^ Таббс, Роберт Найджел (2003). Удачное воздействие: астрономические изображения атмосферы, ограниченные дифракцией (докторская диссертация). Кембриджский университет. дои : 10.17863/CAM.15991 . hdl : 1810/224517 .
^ Бэтчелор, ГК; Таунсенд, А.А. (1949). «Природа турбулентного движения при больших волновых числах». Труды Лондонского королевского общества. Серия А. Математические и физические науки . 199 (1057): 238–255. Бибкод : 1949RSPSA.199..238B . дои : 10.1098/rspa.1949.0136 . S2CID 122967707 .
^ Болдуин, Дж. Э.; Уорнер, ПиДжей; Маккей, компакт-диск (2008). «Функция распределения точек в Lucky Imaging и вариации зрения в короткие сроки» . Астрономия и астрофизика . 480 (2): 589–597. Бибкод : 2008A&A...480..589B . дои : 10.1051/0004-6361:20079214 .
^ Таббс, Роберт Н. (2006). «Влияние временных колебаний r ₀ на наблюдения с высоким разрешением». Достижения в адаптивной оптике II . Труды SPIE. Том. 6272. стр. 62722Y. дои : 10.1117/12.671170 . S2CID 119391503 .
^ Файнберг, Ричард Треш (14 сентября 2007 г.). «Заточка 200 дюймов» . Небо и телескоп .
^ Болдуин, Дж. Э.; Таббс, Р.Н.; Кокс, GC; Маккей, CD; Уилсон, RW; Андерсен, Мичиган (2001). «Визуализация 800 нм с ограничением дифракции с помощью Северного оптического телескопа длиной 2,56 м». Астрономия и астрофизика . 368 : L1 – L4. arXiv : astro-ph/0101408 . Бибкод : 2001A&A...368L...1B . дои : 10.1051/0004-6361:20010118 . S2CID 18152452 .
^ «Удачное изображение» . Институт астрономии Кембриджского университета. 27 января 2020 г. Проверено 11 февраля 2021 г.
^ Дантовиц, Рональд Ф.; Тир, Скотт В.; Козубал, Марек Дж. (2000). «Наземные изображения Меркурия с высоким разрешением» . Астрономический журнал . 119 (5): 2455–2457. Бибкод : 2000AJ....119.2455D . дои : 10.1086/301328 .
^ «HDR+: фотография при слабом освещении и расширенном динамическом диапазоне в приложении Google Camera» . Блог Google AI . Проверено 2 августа 2019 г.
^ «Представляем набор данных серийной фотографии HDR+» . Блог Google AI . Проверено 2 августа 2019 г.

Дальнейшее чтение

К. Л. Стонг, 1956 г., берет интервью у ученого Роберта Б. Лейтона для журнала «Ученый-любитель» , «О проблеме получения более резких фотографий планет», Scientific American, том 194, июнь 1956 г., стр. 157. Ранний пример выбора экспозиции с механической коррекцией наклона кончика (с использованием кинопленки и выдержкой 2 секунды и более).
Уильям А. Баум, 1956, «Электронная фотография звезд», Scientific American, том 194, март 1956. Обсуждается выбор коротких выдержек в моменты, когда изображение через телескоп является наиболее резким (с использованием усилителя изображения и коротких выдержек).

Внешние ссылки

[1] Хипплер, Стефан; и др. (2009). «Прибор AstraLux Sur Lucky Imaging Instrument в NTT» (PDF) . Посланник . 137 : 14–17. Бибкод : 2009Msngr.137...14H .

[2] Янсон, Марк; Хормут, Феликс; Бергфорс, Каролина; Бранднер, Вольфганг; Хипплер, Стефан; Дэмген, Себастьян; Кудрявцева Наталья; Шмальцль, Ева; Снифф, Кэролин; Хеннинг, Томас (2012). «Исследование множественности больших M-карликов Astralux». Астрофизический журнал . 754 (1): 44. arXiv : 1205.4718 . Бибкод : 2012ApJ...754...44J . дои : 10.1088/0004-637X/754/1/44 . S2CID 118475425 .

[3] Фрид, Дэвид Л. (1978). «Вероятность получить удачное изображение с короткой выдержкой из-за турбулентности». Журнал Оптического общества Америки . 68 (12): 1651. doi : 10.1364/JOSA.68.001651 .

[4] Ньето, Ж.-Л; Тувено, Э. (1991). «Повторное центрирование и отбор изображений с короткой экспозицией с помощью детекторов счета фотонов». Астрономия и астрофизика . 241 : 663. Бибкод : 1991A&A...241..663N .

[5] Закон, Нью-Мексико; Маккей, CD; Болдуин, Дж. Э. (2006). «Удачная визуализация: визуализация с высоким угловым разрешением, видимая с земли». Астрономия и астрофизика . 446 (2): 739–745. arXiv : astro-ph/0507299 . Бибкод : 2006A&A...446..739L . дои : 10.1051/0004-6361:20053695 . S2CID 17844734 .

[6] Таббс, Роберт Найджел (2003). Удачное воздействие: астрономические изображения атмосферы, ограниченные дифракцией (докторская диссертация). Кембриджский университет. дои : 10.17863/CAM.15991 . hdl : 1810/224517 .

[7] Бэтчелор, ГК; Таунсенд, А.А. (1949). «Природа турбулентного движения при больших волновых числах». Труды Лондонского королевского общества. Серия А. Математические и физические науки . 199 (1057): 238–255. Бибкод : 1949RSPSA.199..238B . дои : 10.1098/rspa.1949.0136 . S2CID 122967707 .

[8] Болдуин, Дж. Э.; Уорнер, ПиДжей; Маккей, компакт-диск (2008). «Функция распределения точек в Lucky Imaging и вариации зрения в короткие сроки» . Астрономия и астрофизика . 480 (2): 589–597. Бибкод : 2008A&A...480..589B . дои : 10.1051/0004-6361:20079214 .

[9] Таббс, Роберт Н. (2006). «Влияние временных колебаний r ₀ на наблюдения с высоким разрешением». Достижения в адаптивной оптике II . Труды SPIE. Том. 6272. стр. 62722Y. дои : 10.1117/12.671170 . S2CID 119391503 .

[10] Файнберг, Ричард Треш (14 сентября 2007 г.). «Заточка 200 дюймов» . Небо и телескоп .

[11] Болдуин, Дж. Э.; Таббс, Р.Н.; Кокс, GC; Маккей, CD; Уилсон, RW; Андерсен, Мичиган (2001). «Визуализация 800 нм с ограничением дифракции с помощью Северного оптического телескопа длиной 2,56 м». Астрономия и астрофизика . 368 : L1 – L4. arXiv : astro-ph/0101408 . Бибкод : 2001A&A...368L...1B . дои : 10.1051/0004-6361:20010118 . S2CID 18152452 .

[12] «Удачное изображение» . Институт астрономии Кембриджского университета. 27 января 2020 г. Проверено 11 февраля 2021 г.

[13] Дантовиц, Рональд Ф.; Тир, Скотт В.; Козубал, Марек Дж. (2000). «Наземные изображения Меркурия с высоким разрешением» . Астрономический журнал . 119 (5): 2455–2457. Бибкод : 2000AJ....119.2455D . дои : 10.1086/301328 .

[14] «HDR+: фотография при слабом освещении и расширенном динамическом диапазоне в приложении Google Camera» . Блог Google AI . Проверено 2 августа 2019 г.

[15] «Представляем набор данных серийной фотографии HDR+» . Блог Google AI . Проверено 2 августа 2019 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]