¿Hay alguna ventaja en apilar varias imágenes frente a una sola exposición prolongada?

El apilamiento es algo que se hace todo el tiempo en la astronomía infrarroja. Esto se hace porque la tecnología CCD no funciona para longitudes de onda en el rango de aproximadamente 2 a 10 micrones y más allá, por lo que utilizan matrices de detectores infrarrojos como la línea HAWAII de matrices infrarrojas de TeleDyne. Por lo general, aunque algo menos a medida que pasa el tiempo, las matrices de infrarrojos tendrán defectos como píxeles atascados, ruido de diafonía, etc.

Para evitar esto, los usuarios de dichos arreglos tomarán una imagen, moverán el telescopio una fracción del campo de visión, tomarán otra imagen y repetirán según sea necesario. Esto les permite rechazar los píxeles defectuosos y suavizar el ruido del patrón. Las otras ventajas de hacer esto son que aumenta el rango dinámico de la imagen apilada, como usted preguntó, y permite eliminar señales transitorias como: asteroides, satélites e impactos de rayos cósmicos. El LSST utilizará pares de imágenes para ayudar en el rechazo de rayos cósmicos .

La desventaja de este enfoque es que el proceso de leer los datos del detector agrega una cantidad de ruido a la señal (conocido como "ruido de lectura"). Debido a esto, su sensibilidad aumentará como la raíz cuadrada del número de imágenes (aproximadamente, la raíz cuadrada del tiempo), en lugar de hacerlo linealmente con el tiempo. Debido a esto, si desea un alto rango dinámico, es mejor no solo apilar, sino también variar el tiempo de exposición: imágenes cortas para las partes brillantes del campo e imágenes largas para las partes débiles, con el rechazo. de los píxeles saturados hechos en software. Si está adoptando este tipo de enfoque con un CCD, querrá rotar los campos entre la exposición prolongada porque cuando los CCD se saturan, tienden a sangrar a lo largo de una fila.

No sé cuán posible es esto en un entorno no profesional, pero un enfoque que usan algunas cámaras es algo llamado "escaneo de deriva" (por ejemplo, el detector de imágenes SDSS ). Mira, los CCD leen la carga de los píxeles desplazando la imagen completa a lo largo de la matriz de píxeles y leyendo cuando la carga llega a un borde del chip. Si mueve la carga por el chip a la misma velocidad que la imagen del cielo se mueve por el chip, puede escanear continuamente una franja del cielo.

La voz de la amarga experiencia, aquí, para hablarles de un problema del que un observatorio que funcione correctamente no debería tener que preocuparse. Pero lo hice el tiempo que estaba trabajando en un proyecto de astronomía "serio".

El apilamiento de imágenes de longitud media proporciona cierta protección contra el seguimiento defectuoso. En el caso de una falla de seguimiento durante una única exposición prolongada, es poco lo que puede hacer para recuperarse, pero algunas fallas de seguimiento durante una serie de cinco a veinte fotogramas de duración media aún lo dejarán con más de la mitad de los datos (y un dolor de cabeza). en la medida en que se combinan conjuntos de marcos que tienen diferentes puntos relativos, pero se puede hacer).

Mi experiencia se produjo a principios de la década de 1990 cuando poner un CCD refrigerado detrás de un alcance de 14 "colocar todo en una montaña sin supervisión humana y dejar que los escolares envíen solicitudes de observación a través de Internet (por FTP, porque esto fue antes de la web) fue realmente idea nueva genial. Pero por razones de costo y alineación, el proyecto estaba usando el seguimiento de software. Escrito es vBasic. Podríamos obtener ejecuciones de 30 segundos todo el tiempo. Corridas de cinco minutos con cierta regularidad, y esencialmente nunca obtuvimos más de veinte minutos sin una falla de seguimiento .

Pero al apilar diez o más ejecuciones de tres minutos, pudimos obtener una imagen de hasta la decimonovena magnitud, incluso con la caja en la parte superior del edificio físico para realizar pruebas. Y en realidad rastreamos una curva de luz de evento de microlente MACHO y emparejamos a los chicos grandes, que fue mi primera experiencia científica "real".

Si sus exposiciones son lo suficientemente cortas (una fracción de segundo), incluso puede combatir las turbulencias en la atmósfera. El truco es hacer muchas imágenes cortas y luego elegir aquellas en las que una fuente puntual (brillante) es más nítida y solo apilarlas.

La técnica se llama Lucky Imaging y puede ofrecer imágenes tan nítidas como el telescopio espacial Hubble desde instrumentos terrestres.

Aparte, su pregunta podría ser: ¿cuál debería ser mi criterio para no apilar imágenes? - porque las ventajas de hacerlo, en términos de rechazo de píxeles defectuosos, eliminación de rayos cósmicos y rango dinámico, son enormes. Para imágenes CCD ópticas, el punto de equilibrio es normalmente cuando el ruido de lectura se convierte en un contribuyente insignificante a la relación señal-ruido de lo que sea que esté tratando de medir. Otra consideración puede ser cuánto tiempo lleva leer el CCD, lo que da como resultado un "tiempo muerto".

Lucky Imaging se basa en CCD multiplicadores de electrones especiales que se pueden leer muy rápidamente con un ruido de lectura modesto, a expensas de una dispersión en la ganancia (número de electrones de salida por fotón de entrada). La mayoría de los otros CCD astronómicos minimizan el ruido de lectura a expensas de tiempos de lectura de decenas de segundos, pero son altamente lineales.

No he hecho esto para astronomía, pero he usado un CCD de astronomía en un microscopio para electroluminiscencia y también he usado CCD de imágenes refrigeradas para espectroscopia. Aunque a menudo he configurado el experimento para medir la variación potencial en el tiempo, hay muchas ventajas incluso para una fuente invariable.

• Rango dinámico: si tu CCD tiene 12 bits, puedes representar$2^{12}$valores diferentes. Eso es bastante, pero si está interesado en los puntos que son$2^{10}\approx 1000$veces más brillantes que otros puntos de interés, los más tenues tendrán solo 100 conteos cuando los más brillantes se saturen. Básicamente, tiene un rango dinámico ilimitado agregando software. Esto suele ser necesario en espectroscopia, donde los píxeles se suman en el chip para reducir el ruido de lectura, lo que hace que la saturación sea muy probable.
• Sangrado de carga: un píxel muy lleno puede filtrar carga a los píxeles vecinos. No sucede rápido a menos que esté saturado, pero aún sucede.
• Rayos cósmicos y otros eventos aleatorios: a menudo se les llama rayos cósmicos, pero algunos también provienen de la descomposición nuclear. Estos son puntos brillantes o pistas en imágenes individuales. Múltiples imágenes le permiten lidiar con estos valores atípicos (existen algunas técnicas, pero para un ejemplo simple, puede excluir el n% inferior y el n% superior de los valores al promediar/sumar, por píxel).
• Problemas experimentales: puede volver a registrar imágenes para solucionar el problema de que su instrumento no sea tan estable como le gustaría (si tiene funciones de referencia), o puede descartar imágenes si una fuente de luz dispersa afectó a un subconjunto de fotogramas (alguien giró el luces de la habitación encendidas, un avión pasó volando junto a su telescopio, etc.). Esto también es relevante si su muestra murió o su telescopio siguió hasta que hubo una obstrucción/fuente de luz en el campo de visión.

No sé de astronomía, pero una de las razones por las que puede ser útil en la fotografía normal es para combatir el movimiento de la cámara alineando automáticamente las imágenes antes de mezclarlas. Esto puede ser útil si desea tomar una exposición muy larga pero no hay un lugar estable para instalar un trípode. La alineación de la imagen se puede hacer en Photoshop o usando una utilidad llamada align_image_stack. Con paciencia, incluso debería ser posible tomar fotografías de larga exposición con la mano de esta manera, aunque admito que no lo he intentado.

Se puede lograr un aumento significativo en el rango dinámico tomando exposiciones con diferentes configuraciones de exposición. Viento, vibración, errores periódicos, etc. Puede combinarse con todas las demás técnicas. Se utiliza en analizadores de espectro bajo el nombre de promedio de video. También se puede utilizar en radioastronomía. Me pregunto si podría haberse adaptado para abordar el fracaso de la reciprocidad en el cine.