Tehnica Pixel-Binning și exemple de aplicații

Mai mulți pixeli combinați

Senzorii CCD pot fi citiți diferit, pentru a îmbunătăți raportul semnal-zgomot.

Senzorii CCD sunt utilizați în multe moduri diferite în astrofotografie. În funcție de scop, sarcinile declanșate pot fi citite în mod diferit pentru a îmbunătăți raportul semnal-zgomot (SNR) și pentru a accelera procesul de citire. Pixel-Binning este cea mai frecvent utilizată metodă în acest sens.

Pixel-Binning reprezintă combinarea semnalelor de la mai mulți pixeli învecinați. De obicei se unesc zone pătrate de 2×2 sau 3×3 pixeli, ceea ce corespunde unui binning 2x sau 3x. În schimb, se reduce rezoluția fotografiei. Depinde de situație dacă acest lucru este adecvat sau justificat.

Există mai multe motive pentru zgomotul dintr-o imagine CCD. Pe lângă statisticile pur fotonice, o parte din zgomot provine de la aparatul de fotografiat însuși. Pe lângă zgomotul termic, acesta apare în timpul citirii și amplificării semnalului și afectează fiecare pixel în parte. Acest lucru este cunoscut sub numele de zgomot de citire. Dacă analizăm o zonă de 2×2 pixeli, acest zgomot apare fără CCD-Binning la toți cei patru pixeli. Dacă adunăm ulterior valorile celor patru pixeli, zgomotul pixelilor se însumează cu rădăcina pătrată a sumei pătratelor:

σtotal=σ12+σ22+σ32+σ42+

Valorile de la σ1 la σ4 reprezintă electronii de zgomot ai pixelilor individuali, iar σtotal reprezintă zgomotul întregii zone unbinned. Un electron de zgomot pe pixel se transformă astfel în doi electroni după adunare. Presupunând că fiecare dintre cei patru pixeli analizați conține un semnal de obiect electronic, acesta se adaugă liniar la patru electroni. Prin urmare, SNR este de 2:4.

Fluxul de proces se modifică în timpul binning-ului. Înainte de a avea loc amplificarea, sarcinile colectate ale pixelilor sunt adunate în registru. Asta înseamnă că zgomotul apare o singură dată, în exemplul anterior un electron de zgomot față de patru electroni de semnal. La 1:4, SNR-ul zgomotului de citire este, prin urmare, mai bun cu un factor de 2.

Multe programe de procesare a fotografiilor oferă opțiunea de realizare ulterioară a binning-ului. Cu toate acestea, acest binning prin software reușește doar în parte să ducă la efectul dorit. SNR-ul se îmbunătățește, dar zgomotul de citire nu este optimizat.

Prin CCD-Binning, etapele de lucru în fotografia deep-sky pot fi simplificate și accelerate. Datorită timpilor mai scurți de citire și descărcare, focalizarea grosieră cu un binning 3×3 este foarte rapidă. Datorită SNR-ului îmbunătățit, chiar și nebuloasele slabe devin vizibile cu un timp de expunere de doar câteva secunde, ceea ce facilitează ajustarea secțiunii fotografiei. Și binning-ul 2x este utilizat frecvent în producția de fotografii compuse LRGB. Acest lucru profită de faptul că canalele RGB sunt utilizate doar pentru a colora imaginea, claritatea fiind conținută în luminanță. Prin urmare, rezoluția mai mică pe canalele RGB nu este perceptibilă, motiv pentru care se folosește adesea binning-ul 2x pentru a obține un SNR mai bun și pentru a diminua „zgomotul de culoare“.

Mai există și alte situații în care binning-ul este util, în special în astronomia de măsurare: aceasta include, de exemplu, căutarea planetelor minore. Această disciplină prezintă provocări deosebite, întrucât obiectele își schimbă poziția în mod vizibil într-un timp relativ scurt. După doar câteva minute, este posibil ca obiectul să se fi deplasat atât de mult încât a schimbat pixelul. Un timp de expunere și mai lung nu ajută deloc. În cazul în care obiectul este foarte slab, acesta poate deveni invizibil prin zgomot. Prin urmare, dacă scopul este de a măsura planetele minore foarte slabe, binning-ul reprezintă o soluție, deși scăderea rezoluției prin această metodă face ca stabilirea poziției să fie mai puțin precisă.

Binning-ul este, de asemenea, foarte interesant pentru spectroscopie, atunci când imaginea unei fante de lumină este împărțită în culori spectrale. Pentru o rezoluție spectrală ridicată, este relevantă doar o rată de eșantionare ridicată, ortogonală la fantă. Asta înseamnă că pixelii pot fi repartizați de-a lungul fotografiei fantei fără a se pierde rezoluția, pentru a îmbunătăți SNR.

Graficul prezintă o reprezentare schematică a modului normal de citire în stânga și cu binning 2x în dreapta. La început, 2×2 pixeli sunt expuși în mod uniform cu un disc stelar și colectează câte zece electroni fiecare. Procesul de citire începe apoi prin deplasarea electronilor către registrul de citire (roșu). În cel de-al treilea pas încep să se vadă diferențele. Fără binning, sarcinile pentru fiecare pixel sunt deplasate individual către amplificatorul din dreapta. Cu binning, următoarea linie este imediat împinsă în registru și adăugată la prima. Prin deplasarea orizontală în registru, la binning, sarcinile tuturor celor patru pixeli sunt adunate la final în amplificator. Astfel se încheie procesul, în timp ce citirea pixelilor individuali necesită încă doi pași, durând, prin urmare, mai mult.

În cazul senzorilor de culoare, nu este posibil un binning real, pentru că pixelii învecinați sunt dotați cu filtre de culoare diferite și, astfel, nu pot fi combinați într-un mod semnificativ. Chiar dacă programele de prelucrare a fotografiilor oferă acest lucru, de fapt este vorba de un binning software ulterior.

De asemenea, cipul CMOS nu este, în general, potrivit pentru un binning real. Datorită structurii sale fundamentale, toți pixelii sunt citiți și amplificați individual, astfel încât zgomotul de citire este generat mereu și inevitabil pentru fiecare pixel. Procedura de citire necesară pentru binning nu există aici. Prin urmare, pixel-binning nu duce la efectul dorit de reducere a zgomotului de citire în cazul cipurilor CMOS. Prin urmare, cipurile CCD au un avantaj clar în acest caz.

Autor: Mario Weigand / Licență: Oculum-Verlag GmbH