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.
При удачной съемке выбираются те оптимальные экспозиции, которые меньше всего зависят от атмосферы (обычно около 10%), и объединяются в одно изображение путем смещения 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.
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.
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 одиночный снимок с очень низким качеством изображения и еще один одиночный снимок с очень высоким качеством изображения. Показанная астрономическая цель имеет идентификатор 2MASS J03323578+2843554. Север вверху, восток слева.
Разница между изображением с ограниченным обзором (третье изображение сверху) и результатом, выбранным из лучших 1% изображений, весьма примечательна: 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 достижение дифракционного предела 2,2-метрового телескопа обсерватории Калар-Альто . 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).
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 для совершенствования отдельных технологий визуализации, чтобы эта нелогичная технология визуализации стала практической. Первый численный расчет вероятности получения удачных шансов был сделан в статье Дэвида Л. Фрида в 1978 году . [3]
В ранних применениях удачных изображений обычно предполагалось, что атмосфера размазывает или размывает астрономические изображения. [4] В этой работе оценивалась полная ширина размытия на половине высоты (FWHM), которая использовалась для выбора экспозиции. Более поздние исследования [5] [6] воспользовались тем фактом, что атмосфера не размывает астрономические изображения, но 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]
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 Mt. Palomar Hale 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, включая 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.
Эту технику начали использовать как любители, так и профессиональные астрономы . Современные веб-камеры и видеокамеры способны снимать быстрые короткие экспозиции с достаточной чувствительностью для астрофотографии , и эти устройства используются с телескопом и методом сдвига и сложения из спекл-изображений (также известным как наложение изображений ) для достижения ранее недостижимого разрешения. Если некоторые изображения отбрасываются, то такой тип видеоастрономии называется удачной визуализацией .
Существует множество методов выбора изображений, включая метод выбора Штреля , впервые предложенный [11] Джоном Э. Болдуином из Кембриджской группы [12] , и метод выбора контраста изображения, используемый в методе выборочной реконструкции изображения Рона Дантовица. [13]
Разработка и доступность ПЗС-матриц с электронным умножением (EMCCD, также известных как LLLCCD, L3CCD или ПЗС для низкого уровня освещенности) позволили получить первые высококачественные изображения слабых объектов.
27 октября 2014 года Google представила аналогичную технологию под названием HDR+. HDR+ делает серию снимков с короткой выдержкой, выборочно выравнивая самые резкие снимки и усредняя их с помощью методов вычислительной фотографии . Короткая выдержка позволяет избежать размытия изображения или пересвета светлых участков, а усреднение нескольких снимков снижает шум. [14] HDR+ обрабатывается с помощью аппаратных ускорителей , включая процессоры Qualcomm Hexagon DSP и Pixel Visual Core . [15]
Другие подходы, которые могут обеспечить разрешающую способность, превышающую пределы видимости в атмосфере, включают адаптивную оптику , интерферометрию , другие формы получения спекл-изображений и космические телескопы , такие как космический телескоп НАСА « Хаббл» .
