Technika i przykłady zastosowania pixel-binningu

Łączenie kilku pikseli

Matryce CCD mogą być sczytywane w różny sposób, by poprawić stosunek sygnału do szumu.

Matryce CCD są wszechstronnie wykorzystwane w astrofotografii. W zależności od celu, wyzwalane ładunki mogą być sczytywane w różny sposób, by poprawić stosunek sygnału do szumu (SNR), a także przyspieszyć proces odczytu. Najczęściej stosowaną metodą jest pixel-binning.

Pixel-binning oznacza łączenie sygnału kilku sąsiadujących ze sobą pikseli. Zazwyczaj łączone są kwadratowe obszary 2×2 lub 3×3 piksele, co odpowiada 2- lub 3-krotnemu binningowi. W zamian za to redukowana jest rozdzielczość zdjęcia. To, czy jest to właściwe lub uzasadnione, zależy od sytuacji.

Szumy na obrazie CCD mają kilka przyczyn. Oprócz prostej statystyki fotonów, część szumu pochodzi z samej kamery. Obok szumu termicznego, powstaje on podczas odczytu i wzmacniania sygnału, i dotyczy każdego indywidualnego piksela. Jest to tak zwany szum odczytu. Jeśli spojrzymy na obszar 2x2 piksele, to bez binningu CCD szum ten powstaje dla wszystkich czterech pikseli. Jeśli wartości tych czterech pikseli zostaną następnie zsumowane, to szum pikseli sumuje się z pierwiastkiem kwadratowym sumy kwadratów:

σ całkowite=σ12+σ22+σ32+σ42+

Wielkości σ1 do σ4 oznaczają elektrony szumu poszczególnych pikseli, a σ całkowite szum całego nie połączonego obszaru. Tak więc, z jednego elektronu szumu na piksel, po dodaniu dostajemy dwa elektrony. Zakładając, że każdy z czterech rozpatrywanych pikseli zawiera jeden sygnał elektronowy obiektu, sumuje się to liniowo do czterech elektronów. SNR wynosi zatem 2:4.

Binning zmienia przebieg procesu. Zanim nastąpi wzmocnienie, zgromadzone ładunki pikseli zostają zsumowane w rejestrze. Oznacza to, że szum pojawia się tylko raz, w powyższym przykładzie jeden elektron szumu do czterech elektronów sygnału. SNR szumu odczytu wynosi 1:4, a więc jest dwukrotnie korzystniejszy.

Wiele programów do obróbki obrazu oferuje możliwość możiwość późniejszego przeprowadzenia binningu. Jednak taki programowy binning mija się z częścią pożądanego celu. SNR poprawia się, ale bez optymalizacji szumu odczytu.

Za pomocą binningu CCD można uprościć i przyspieszyć etapy pracy w przypadku fotografii głębokiego nieba. Dzięki krótszym czasom odczytu i pobierania danych, zgrubne ustawienie ostrości z binningiem 3×3 jest bardzo szybkie. Dzięki lepszemu SNR nawet słabe mgławice stają się widoczne już po kilku sekundach naświetlania, co ułatwia ustawienie kadru. 2-krotny binning jest również często stosowany w tworzeniu składanek LRGB. Wykorzystywany jest fakt, że kanały RGB służą jedynie do barwienia obrazu, a ostrość zawarta jest w luminancji. Niższa rozdzielczość w kanałach RGB jest więc niezauważalna, dlatego często stosuje się tu 2-krotny binning, by uzyskać lepszy SNR i zmniejszych "kolorowy szum".

Istnieją inne sytuacje, w których binning ma sens, zwłaszcza w astronomii pomiarowej: dotyczy to np. poszukiwania małych planet. Ta dyscyplina jest szczególnie wymagająca, ponieważ obiekty te zauważalnie zmieniają swoje położenie w stosunkowo krótkim czasie. Już po kilku minutach obiekt może się przemieścić na tyle daleko, że zmienia piksel. Jeszcze dłuższy czas ekspozycji nie przynosi wtedy żadnych korzyści. Jeśli obiekt jest bardzo słaby, może być niewidoczny w szumie. Jeśli celem są pomiary bardzo słabych małych planet, binning stanowi możliwe rozwiązanie, choć związana z nim redukcja rozdzielczości sprawia, że wyznaczanie pozycji jest mniej precyzyjne.

Binning jest również bardzo interesujący dla spektroskopii, gdzie obraz szczeliny świetlnej dzielony jest na barwy widmowe. Dla wysokiej rozdzielczości widmowej istotna jest jedynie wysoka częstotliwość próbkowania prostopadła do szczeliny. Dzięki temu, w celu poprawy SNR, piksele wzdłuż obrazu szczeliny mogą być binnowane bez utraty rozdzielczości.

Na rysunku schematycznie przedstawiono normalny tryb odczytu (po lewej) i z 2-krotnym binningiem (po prawej). Najpierw piksele 2×2 są równomiernie naświetlane dyskiem gwiazdy i zbierają po dziesięć elektronów. Następnie rozpoczyna się proces odczytu poprzez przeniesienie elektronów do rejestru odczytu (kolor czerwony). W trzecim kroku zaczynają się różnice. Bez binningu ładunki dla każdego piksela przesuwane są indywidualnie do wzmacniacza po prawej. Z binningiem następny wiersz jest od razu przesuwany do rejestru i dodawany do pierwszego. Wreszcie, poprzez przesunięcie poziome w rejestrze ładunki wszystkich czterech pikseli są podczas binningu gromadzone we wzmacniaczu. Kończy to proces, podczas gdy odczyt poszczególnych pikseli wymaga jeszcze dwóch kroków, a zatem trwa dłużej.

W przypadku matryc kolorowych prawdziwy binning nie jest możliwy, ponieważ sąsiadujące ze sobą piksele są wyposażone w różne filtry barwne i dlatego nie można ich sensownie połączyć. Nawet jeśli programy do obróbki obrazu oferują taką możliwość, chodzi tylko o kolejny binning programowy.

Co więcej, chip CMOS zasadniczo nie nadaje się do prawdziwego binningu. Ze względu na jego strukturę bazową, wszystkie piksele są sczytywane i wzmacniane indywidualnie tak, że zawsze i nieuchronnie pojawia się szum odczytu dla każdego piksela. W tym przypadku niezbędna do binningu porcedura odczytu nie istnieje. Dlatego też pixel-binning w przypadku chipów CMOS nie prowadzi do pożądanego efektu redukcji szumu odczytu. Chipy CCD mają tu więc wyraźną przewagę.

Autor: Mario Weigand / Licencja: Oculum-Verlag GmbH