Удачные снимки (также называемые удачными экспозициями ) — это одна из форм спекл-снимков, используемых в астрофотографии . Методы спекл-снимков используют высокоскоростную камеру с достаточно коротким временем экспозиции (100 мс или меньше), чтобы изменения в атмосфере Земли во время экспозиции были минимальными.
При удачном снимке выбираются оптимальные экспозиции, наименее подверженные влиянию атмосферы (обычно около 10%), и объединяются в одно изображение путем сдвига и сложения коротких экспозиций, что обеспечивает гораздо более высокое угловое разрешение , чем это было бы возможно при одной более длительной экспозиции , которая включает все кадры.
Изображения, полученные с помощью наземных телескопов , подвержены размытому эффекту атмосферной турбулентности (видимой глазом как мерцание звезд ). Многие программы астрономической визуализации требуют более высокого разрешения, чем возможно без некоторой коррекции изображений. Удачное изображение — один из нескольких методов, используемых для устранения атмосферного размытия. При использовании с выбором 1% или меньше удачное изображение может достичь дифракционного предела даже телескопов с апертурой 2,5 м, что является фактором улучшения разрешения по крайней мере в пять раз по сравнению со стандартными системами визуализации.
Последовательность изображений ниже показывает, как работает удачная визуализация. [1] Из серии из 50 000 изображений, сделанных со скоростью почти 40 изображений в секунду, было создано пять различных изображений с длительной выдержкой. Кроме того, в начале демонстрационной последовательности показаны одиночная экспозиция с очень низким качеством изображения и еще одна одиночная экспозиция с очень высоким качеством изображения. Показанная астрономическая цель имеет идентификатор 2MASS J03323578+2843554. Север находится сверху, а Восток слева.
Разница между изображением с ограниченной видимостью (третье изображение сверху) и лучшим 1% выбранных изображений весьма примечательна: была обнаружена тройная система. Самый яркий компонент на Западе — звезда M4V с величиной V=14,9. Этот компонент является удачным опорным источником изображений. Более слабый компонент состоит из двух звезд спектральных классов M4.5 и M5.5. [2] Расстояние до системы составляет около 45 парсеков (пк). Видны кольца Эйри, что указывает на то, что был достигнут дифракционный предел 2,2-метрового телескопа обсерватории Калар-Альто . Отношение сигнал/шум точечных источников увеличивается с более сильным отбором. Видимое гало с другой стороны более подавлено. Разделение между двумя самыми яркими объектами составляет около 0,53 угловых секунд, а между двумя самыми слабыми объектами — менее 0,16 угловых секунд. На расстоянии 45 пк это соответствует 7,2 расстояния между Землей и Солнцем, около 1 миллиарда километров (10 9 км).
Методы удачных снимков впервые были использованы в середине 20-го века и стали популярными для получения снимков планет в 1950-х и 1960-х годах (с использованием кинокамер, часто с усилителями изображения ). По большей части потребовалось 30 лет для того, чтобы отдельные технологии снимков были усовершенствованы, чтобы эта контринтуитивная технология снимков стала практичной. Первый численный расчет вероятности получения удачных снимков был сделан в статье Дэвида Л. Фрида в 1978 году. [3]
В ранних применениях удачной визуализации обычно предполагалось, что атмосфера размазывает или размывает астрономические изображения. [4] В этой работе оценивалась полная ширина на половине максимума (FWHM) размытия, которая использовалась для выбора экспозиции. Более поздние исследования [5] [6] использовали тот факт, что атмосфера не размывает астрономические изображения, но, как правило, производит 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 те, которые были получены при предположении, что изображение размыто .
В первые годы 21-го века было осознано, что турбулентная прерывистость (и вызванные ею колебания условий астрономической видимости ) [7] может существенно увеличить вероятность получения «удачной экспозиции» для заданных средних условий астрономической видимости. [8] [9]
В 2007 году астрономы из Калифорнийского технологического института и Кембриджского университета объявили о первых результатах новой гибридной системы Lucky Imaging и адаптивной оптики (AO). Новая камера дала первые разрешения, ограниченные дифракцией, на телескопах класса 5 м в видимом свете. Исследования проводились на телескопе Маунт-Паломар-Хейл с апертурой диаметром 200 дюймов. Телескоп с Lucky Cam и адаптивной оптикой приблизил его к своему теоретическому угловому разрешению, достигнув до 0,025 угловых секунд для определенных типов наблюдений. [10] По сравнению с космическими телескопами, такими как 2,4-метровый Hubble, система все еще имеет некоторые недостатки, включая узкое поле зрения для четких изображений (обычно от 10" до 20"), свечение атмосферы и электромагнитные частоты, блокируемые атмосферой .
В сочетании с системой AO, lucky imaging выбирает периоды, когда турбулентность, которую должна корректировать адаптивная оптическая система, снижается. В эти периоды, длящиеся малую долю секунды, коррекция, предоставляемая системой AO, достаточна для получения превосходного разрешения в видимом свете. Система lucky imaging усредняет изображения, полученные в отличные периоды, чтобы получить окончательное изображение с гораздо более высоким разрешением, чем это возможно с помощью обычной камеры AO с длинной выдержкой.
Эта техника применима для получения изображений с очень высоким разрешением только относительно небольших астрономических объектов, до 10 угловых секунд в диаметре, поскольку она ограничена точностью поправки на атмосферную турбулентность. Она также требует относительно яркую звезду 14-й величины в поле зрения, на которую можно ориентироваться. Находясь выше атмосферы, космический телескоп Хаббл не ограничен этими проблемами и поэтому способен получать изображения с высоким разрешением в гораздо более широком поле.
Эту технику начали использовать как любители, так и профессиональные астрономы . Современные веб-камеры и камкордеры способны делать быстрые короткие экспозиции с достаточной чувствительностью для астрофотографии , и эти устройства используются с телескопом и методом сдвига и добавления из спекл-визуализации (также известного как наложение изображений ) для достижения ранее недостижимого разрешения. Если часть изображений отбрасывается, то этот тип видеоастрономии называется удачной визуализацией .
Существует множество методов выбора изображений, включая метод выбора по Штрелю , впервые предложенный [11] Джоном Э. Болдуином из кембриджской группы [12], и выбор контраста изображения, используемый в методе селективной реконструкции изображений Рона Дантовица. [13]
Разработка и доступность ПЗС-матриц с электронным умножением (EMCCD, также известных как LLLCCD, L3CCD или ПЗС с низким уровнем освещенности) позволили впервые получить высококачественные изображения слабых объектов.
27 октября 2014 года Google представила похожую технологию под названием HDR+. HDR+ делает серию снимков с короткими выдержками, выборочно выравнивая самые резкие снимки и усредняя их с помощью вычислительных методов фотографии . Короткие выдержки позволяют избежать размытости изображений или засвечивания бликов, а усреднение нескольких снимков снижает уровень шума. [14] HDR+ обрабатывается на аппаратных ускорителях, включая Qualcomm Hexagon DSP и Pixel Visual Core . [15]
Другие подходы, которые могут обеспечить разрешающую способность, превышающую пределы атмосферного зрения, включают адаптивную оптику , интерферометрию , другие формы спекл-визуализации и космические телескопы , такие как космический телескоп «Хаббл» НАСА .
