Счастливая визуализация

Lucky Imaging (также называемая Lucky Exposures ) - это одна из форм спекл -визуализации, используемой для астрофотографии . Спеклевые методы визуализации используют высокоскоростную камеру с достаточно коротким временем экспозиции (100 мс или менее), чтобы изменения в атмосфере Земли во время экспозиции были минимальными.

При счастливой визуализации эти оптимальные воздействия, наименее затронутые атмосферой ( обычно около 10%), выбираются и объединяются в одно изображение путем смещения и добавления коротких воздействий, что дает гораздо более высокое угловое разрешение , чем возможно с одним, более длительным воздействием , который включает в себя все кадры.

Объяснение

Изображения, сделанные с помощью наземных телескопов , подвержены размывающемуся эффекту атмосферной турбулентности (рассматриваются в глазах, когда звезды мерцают ). Многие программы астрономической визуализации требуют более высокого разрешения, чем это возможно, без какой -либо коррекции изображений. Lucky Imaging - один из нескольких методов, используемых для удаления размытия атмосферы. Используемая при отборе 1% или меньше, Lucky Imaging может достигать дифракционного предела даже 2,5 м телескопов апертуры, коэффициент улучшения разрешения, по меньшей мере, пять по сравнению с стандартными системами визуализации.

Zeta Bootis, изображенный с нордическим оптическим телескопом 13 мая 2000 года с использованием метода счастливой визуализации. ( Воздушные диски вокруг звезд дифракция от апертуры телескопа 2,56 м.)
Типичное изображение с коротким воздействием этой бинарной звезды из того же набора данных, но без использования каких-либо спекл -обработки. Эффект атмосферы Земли состоит в том, чтобы разбить изображение каждой звезды на спеклы.

Демонстрация принципа

Последовательность изображений ниже показывает, как работает Lucky Imaging. ^{[ 1 ]} Из серии из 50 000 изображений, снятых со скоростью почти 40 изображений в секунду, было создано пять различных изображений с длинной экспозицией. Кроме того, в начале демонстрационной последовательности показаны единое воздействие с очень низким качеством изображения и еще одним единственным воздействием с очень высоким качеством изображения. Показанная астрономическая цель имеет 2mass id j03323578+28435554. Север вверх и на восток слева.

	Единственная экспозиция с низким качеством изображения, не выбрана для счастливой визуализации.		Единственная экспозиция с очень высоким качеством изображения, выбранная для счастливой визуализации.
	На этом изображении показано среднее из всех 50 000 изображений, что почти так же, как 21 минута (50 000/40 секунд), наблюдая за ограниченным изображением. Это выглядит как типичное звездное изображение, слегка вытянутое. Полная ширина на половине максимума (FWHM) видного диска составляет около 0,9 дуги.		На этом изображении показано среднее из всех 50 000 отдельных изображений, но здесь с центром тяжести (центроид) каждого изображения, переведенного в одно и то же эталонное положение. Это корректированное на кончике или стабилизированное изображением изображение с длинным воздействием. На нем уже показано больше деталей -два объекта -чем видение -ограниченное изображение.
	На этом изображении показаны 25 000 (50% выбора) лучших изображений, усредненных после того, как самый яркий пиксель в каждом изображении был перемещен в одну и ту же эталонную позицию. На этом изображении мы можем почти увидеть три объекта.		На этом изображении показаны 5000 (10% выбора) лучших изображений, усредненных после того, как самый яркий пиксель в каждом изображении был перемещен в одну и ту же эталонную позицию. Окружающее видение ореола еще больше уменьшается, воздушное кольцо вокруг самого яркого объекта становится ясно видимым.
	На этом изображении показаны 500 (1% выбора) лучших изображений, усредненных после того, как самый яркий пиксель в каждом изображении был перемещен в одну и ту же эталонную позицию. Видение ореола еще больше уменьшается. Отношение сигнал / шум самого яркого объекта является самым высоким в этом изображении.

Разница между ограниченным изображением (третье изображение сверху) и лучшим выбранным результатом 1% изображений довольно примечательна: была обнаружена тройная система. Самый яркий компонент на западе - это V = 14,9 величина M4V звезда. Этот компонент является источником справочного материала для изображений. Более слабый компонент состоит из двух звезд спектральных классов M4.5 и M5.5. ^{[ 2 ]} Расстояние системы составляет около 45 парсеков (ПК). Можно увидеть воздушные кольца, что указывает на то, что дифракционный предел телескопа 2,2 м калар -альт -обсерватории . Соотношение сигналов к шуму точечных источников увеличивается с более сильным выбором. Видение . ореола на другой стороне более подавлено Разделение между двумя самыми яркими объектами составляет около 0,53 дуги и между двумя слабыми объектами менее 0,16 ARCSEC. На расстоянии 45 шт. Это соответствует 7,2 раза превышать расстояние между Землей и Солнцем, около 1 миллиарда километров (10 ⁹ км).

История

Счастливые методы визуализации были впервые использованы в среднем 20 -м веке и стали популярными для визуализации планет в 1950 -х и 1960 -х годах (с использованием камер CINE, часто с интенсификаторами изображения ). По большей части потребовалось 30 лет, чтобы отдельные технологии визуализации были усовершенствованы для этой нелогичной технологии визуализации, чтобы стать практичной. Первым численным расчетом вероятности получения счастливых воздействий была статья Дэвида Л. Фрида в 1978 году. ^{[ 3 ]}

В ранних применениях Lucky Imaging, как правило, предполагалось, что атмосфера размазана или размыла астрономические изображения. ^{[ 4 ]} В этой работе была оценена полная ширина на половине максимума (FWHM) размытия и использовалась для выбора воздействия. Более поздние исследования ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Используйте тот факт, что атмосфера не размывает астрономические изображения, но обычно создает несколько резких копий изображения ( функция распространения точек имеет спекли ). Были использованы новые методы, которые использовали это для получения гораздо более высоких изображений, чем были получены, предполагая, что изображение будет размазовано .

В первые годы 21 -го века было понято, что турбулентное прерывистость (и колебания в условиях астрономического вида, которые он произвел) ^{[ 7 ]} может существенно увеличить вероятность получения «счастливого воздействия» для данных средних астрономических условий видения. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}

Счастливая визуализация и гибридные системы адаптивной оптики

В 2007 году астрономы в Caltech и Кембриджском университете объявили о первых результатах новой гибридной системы Lucky Imaging and Adaptive Optics (AO). Новая камера дала первые резолюции с ограниченными дифракцией на 5-М телескопах класса в видимом свете. Исследование было проведено на телескопе горы Паломара Хейла апертуры диаметром 200 дюймов. Телескоп, с счастливой камерой и адаптивной оптикой, подтолкнул его к ее теоретическому угловому разрешению, достигнув до 0,025 дуговых секунд для определенных типов просмотра. ^{[ 10 ]} По сравнению с космическими телескопами, такими как Hubble 2,4 м, система по -прежнему имеет некоторые недостатки, включая узкое поле зрения для четких изображений (обычно от 10 дюймов до 20 "), авиалоу и электромагнитные частоты, заблокированные атмосферой .

В сочетании с системой AO Lucky Imaging выбирает периоды, когда турбулентность, которую должна корректировать адаптивную оптическую систему, уменьшается. В эти периоды, продолжительностью небольшой доли секунды, коррекция, данная система AO, достаточна для обеспечения превосходного разрешения с видимым светом. Счастливая система изображений усредняет изображения, сделанные в превосходные периоды, чтобы создать конечное изображение с гораздо более высоким разрешением, чем это возможно с обычной камерой AO с длинным воздействием.

Этот метод применим к получению изображений с очень высоким разрешением только относительно небольших астрономических объектов, диаметром до 10 дуг, так как он ограничен точностью коррекции атмосферной турбулентности. Это также требует относительно яркой звезды 14-й магистрации в поле зрения, на которой можно направлять. Будучи выше атмосферы, космический телескоп Хаббла не ограничивается этими проблемами и, таким образом, способен гораздо более широкому полем с высоким разрешением.

Альтернативные методы

Другие подходы, которые могут привести к разрешению мощности, превышающей пределы атмосферного вида , включают адаптивную оптику , интерферометрию , другие формы спеклевой визуализации и космические телескопы, NASA такие как космический телескоп Hubble .

Ссылки

^ Хипплер, Стефан; и др. (2009). «Счастливчик Astralux Sur в NTT» (PDF) . Посланник . 137 : 14–17. Bibcode : 2009msngr.137 ... 14h .
^ Янсон, Маркус; Hormuth, Felix; Bergfors, Каролина; Брэнднер, Вольфганг; Хипплер, Стефан; Даемген, Себастьян; Кудриавцева, Наталья; Schmalzl, Eva; Шнупп, Каролин; Хеннинг, Томас (2012). «Обследование множественности Astralux крупное M-рарф». Астрофизический журнал . 754 (1): 44. Arxiv : 1205.4718 . Bibcode : 2012Apj ... 754 ... 44J . Doi : 10.1088/0004-637x/754/1/44 . S2CID 118475425 .
^ Фрид, Дэвид Л. (1978). «Вероятность получения счастливого изображения с коротким воздействием через турбулентность». Журнал Оптического общества Америки . 68 (12): 1651. doi : 10.1364/josa.68.001651 .
^ Nieto, J. -l; Thouvenot, E. (1991). «В последствии и выборе изображений с коротким воздействием с детекторами по счетам фотонов». Астрономия и астрофизика . 241 : 663. Bibcode : 1991a & A ... 241..663n .
^ Закон, NM; Маккей, CD; Болдуин, JE (2006). «Счастливая визуализация: визуализация с высоким угловым разрешением в видимой с земли». Астрономия и астрофизика . 446 (2): 739–745. Arxiv : Astro-ph/0507299 . Bibcode : 2006a & A ... 446..739L . doi : 10.1051/0004-6361: 20053695 . S2CID 17844734 .
^ Таббс, Роберт Найджел (2003). Счастливые воздействия: дифракционная астрономическая визуализация с ограниченной астрономической визуализацией через атмосферу (кандидатская диссертация). Кембриджский университет. doi : 10.17863/cam.15991 . HDL : 1810/224517 .
^ BATCHELOR, GK; Таунсенд, А.А. (1949). «Природа турбулентного движения в больших волновых номерах». Труды Королевского общества Лондона. Серия А. Математические и физические науки . 199 (1057): 238–255. Bibcode : 1949rspsa.199..238b . doi : 10.1098/rspa.1949.0136 . S2CID 122967707 .
^ Болдуин, JE; Warner, PJ; Mackay, CD (2008). «Точечный разброс функционирует в счастливой визуализации и вариациях в виде коротких сроков» . Астрономия и астрофизика . 480 (2): 589–597. Bibcode : 2008a & A ... 480..589b . doi : 10.1051/0004-6361: 20079214 .
^ Таббс, Роберт Н. (2006). «Влияние временных колебаний в R ₀ на наблюдениях высокого разрешения». Достижения в адаптивной оптике II . Труды Шпи. Тол. 6272. С. 627222. doi : 10.1117/12.671170 . S2CID 119391503 .
^ Финберг, Ричард Треч (14 сентября 2007 г.). «Заточенность 200 дюймов» . Небо и телескоп .
^ Болдуин, JE; Tubbs, RN; Кокс, GC; Маккей, CD; Уилсон, RW; Андерсен, Мичиган (2001). «Дифракционная ограниченная 800 нм визуализация с 2,56 М скандинавским оптическим телескопом». Астрономия и астрофизика . 368 : L1 - L4. Arxiv : Astro-ph/0101408 . Bibcode : 2001a & A ... 368L ... 1b . doi : 10.1051/0004-6361: 20010118 . S2CID 18152452 .
^ "Счастливая визуализация" . Институт астрономии, Кембриджский университет. 27 января 2020 года . Получено 2021-02-11 .
^ Дантовиц, Рональд Ф.; Три, Скотт В.; Kozubal, Marek J. (2000). «Наземная визуализация ртути с высоким разрешением» . Астрономический журнал . 119 (5): 2455–2457. Bibcode : 2000aj .... 119.2455d . doi : 10.1086/301328 .
^ «HDR+: Фотография низкого освещения и высокого динамического диапазона в приложении Google Camera» . Google AI Блог . Получено 2019-08-02 .
^ «Представление набора данных HDR+ Burst Photography» . Google AI Блог . Получено 2019-08-02 .

Дальнейшее чтение

Кл Стонг 1956 г. Ученый -интервьюист Роберт Б. Лейтон для ученых -любителя , «О проблеме создания более четких фотографий планет», Scientific American, Vol 194, июнь 1956 г., с. 157. Ранний пример выбора экспозиции с коррекцией механического наклона наклона (с использованием пленки кишечной пленки и времени воздействия 2 секунды или более).
Уильям А. Баум 1956, «Электронная фотография звезд», Scientific American, Vol 194, март 1956 года. Обсуждает выбор коротких воздействий в моменты, когда изображение через телескоп является самым острым (используя интенсивное изображение и короткие экспозиции).

Внешние ссылки

[1] Хипплер, Стефан; и др. (2009). «Счастливчик Astralux Sur в NTT» (PDF) . Посланник . 137 : 14–17. Bibcode : 2009msngr.137 ... 14h .

[2] Янсон, Маркус; Hormuth, Felix; Bergfors, Каролина; Брэнднер, Вольфганг; Хипплер, Стефан; Даемген, Себастьян; Кудриавцева, Наталья; Schmalzl, Eva; Шнупп, Каролин; Хеннинг, Томас (2012). «Обследование множественности Astralux крупное M-рарф». Астрофизический журнал . 754 (1): 44. Arxiv : 1205.4718 . Bibcode : 2012Apj ... 754 ... 44J . Doi : 10.1088/0004-637x/754/1/44 . S2CID 118475425 .

[3] Фрид, Дэвид Л. (1978). «Вероятность получения счастливого изображения с коротким воздействием через турбулентность». Журнал Оптического общества Америки . 68 (12): 1651. doi : 10.1364/josa.68.001651 .

[4] Nieto, J. -l; Thouvenot, E. (1991). «В последствии и выборе изображений с коротким воздействием с детекторами по счетам фотонов». Астрономия и астрофизика . 241 : 663. Bibcode : 1991a & A ... 241..663n .

[5] Закон, NM; Маккей, CD; Болдуин, JE (2006). «Счастливая визуализация: визуализация с высоким угловым разрешением в видимой с земли». Астрономия и астрофизика . 446 (2): 739–745. Arxiv : Astro-ph/0507299 . Bibcode : 2006a & A ... 446..739L . doi : 10.1051/0004-6361: 20053695 . S2CID 17844734 .

[6] Таббс, Роберт Найджел (2003). Счастливые воздействия: дифракционная астрономическая визуализация с ограниченной астрономической визуализацией через атмосферу (кандидатская диссертация). Кембриджский университет. doi : 10.17863/cam.15991 . HDL : 1810/224517 .

[7] BATCHELOR, GK; Таунсенд, А.А. (1949). «Природа турбулентного движения в больших волновых номерах». Труды Королевского общества Лондона. Серия А. Математические и физические науки . 199 (1057): 238–255. Bibcode : 1949rspsa.199..238b . doi : 10.1098/rspa.1949.0136 . S2CID 122967707 .

[8] Болдуин, JE; Warner, PJ; Mackay, CD (2008). «Точечный разброс функционирует в счастливой визуализации и вариациях в виде коротких сроков» . Астрономия и астрофизика . 480 (2): 589–597. Bibcode : 2008a & A ... 480..589b . doi : 10.1051/0004-6361: 20079214 .

[9] Таббс, Роберт Н. (2006). «Влияние временных колебаний в R ₀ на наблюдениях высокого разрешения». Достижения в адаптивной оптике II . Труды Шпи. Тол. 6272. С. 627222. doi : 10.1117/12.671170 . S2CID 119391503 .

[10] Финберг, Ричард Треч (14 сентября 2007 г.). «Заточенность 200 дюймов» . Небо и телескоп .

[11] Болдуин, JE; Tubbs, RN; Кокс, GC; Маккей, CD; Уилсон, RW; Андерсен, Мичиган (2001). «Дифракционная ограниченная 800 нм визуализация с 2,56 М скандинавским оптическим телескопом». Астрономия и астрофизика . 368 : L1 - L4. Arxiv : Astro-ph/0101408 . Bibcode : 2001a & A ... 368L ... 1b . doi : 10.1051/0004-6361: 20010118 . S2CID 18152452 .

[12] "Счастливая визуализация" . Институт астрономии, Кембриджский университет. 27 января 2020 года . Получено 2021-02-11 .

[13] Дантовиц, Рональд Ф.; Три, Скотт В.; Kozubal, Marek J. (2000). «Наземная визуализация ртути с высоким разрешением» . Астрономический журнал . 119 (5): 2455–2457. Bibcode : 2000aj .... 119.2455d . doi : 10.1086/301328 .

[14] «HDR+: Фотография низкого освещения и высокого динамического диапазона в приложении Google Camera» . Google AI Блог . Получено 2019-08-02 .

[15] «Представление набора данных HDR+ Burst Photography» . Google AI Блог . Получено 2019-08-02 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]