Обработка изображений - не всегда понятный для новичков процесс. В нем могут применяться алгоритмы, которые дают впечатляющие результаты. Может показаться, что такого рода обработка является лишь способом сделать изображение более привлекательным для человека, а исходный сигнал сильно искажается. Но это не всегда так. Есть алгоритмы обработки, позволяющие восстановить исходное изображение из кадра с большими искажениями. Звучит удивительно. В этой статье будет рассмотрен один из таких способов - деконволюция. Цель не в том, чтобы показать практическое применение этого способа обработки, а в понимании сути метода.
Представьте, что у вас есть идеальный телескоп с камерой и идеальные условия съемки. Казалось бы, что в таком случае любая звезда в кадре будет в виде маленькой точки. Но волновая природа света "мешает" этому.
Изображение точечного источника (отдельной звезды) никогда не будет иметь точечный размер. Любая звезда будет в виде диска Эйри. На рисунке ниже показано как именно распределяется энергия фотонов от точечного источника в фокальной плоскости телескопа (объектива). Больше всего энергии придется на центральное пятно. Остальная энергия уйдет в множество концентрических колец, яркость которых быстро убывает по мере удаления от центра звезды.
А теперь у вас настоящий телескоп. Т.е. тот, который имеет свои недостатки и вносит специфические искажения. Этим "грешит" любая оптическая система. Диск Эйри будет искажен и размазан. Форма искажений у каждого телескопа индивидуальна. Результат съемки точечного источника можно представить как диск Эйри (идеальный телескоп) + некая математическая функция, искажающая сигнал (дефекты конкретной оптической системы). Она называется функцией рассеяния точки или PSF. Фактически, это описание искажений, вносимых прибором. Если PSF известна, то можно произвести обратное преобразование и получить изображение без искажений телескопа. Звучит фантастически!
Основной проблемой является достаточно точное определение PSF. Иначе, преобразование может сделать картинку только хуже. К счастью астрофотографов, они фотографируют как раз точечные источники (звезды). И сам снимок содержит в себе качественную информацию о функции рассеяния точки.
Чтобы точнее получить значение PSF, можно усреднить его для множества звезд. Выглядит этот "страшный зверь" примерно так:
Теперь, зная PSF, можно применить алгоритм, который востановит исходное изображение. Это называется обратной сверткой или деконволюцией. Конечно, здесь это сказано в двух словах. Это сложный, но эффективный инструмент астрофотографа. Применение этой технологии может существенно улучшить снимок.
В команде, обслуживающей телескоп JWST, есть отдельные люди, которые называются группой контроля волнового фронта. Они следят за состоянием настройки зеркал. Делается чуть расфокусированный снимок звезды и по полученой картинке определяют PSF. Эта информация используется при деконволюции в дальнейшей обработке исходников.
Деконволюция используется во многих сферах. Например, при съемке объектов через микроскоп. У биологов объекты сложнее - они имеют трехмерную структуру. PSF расчитывается для каждой плоскости.
С некоторых пор деконволюция появилась в Photoshop. Теперь фотографы могут востановить снимок, даже если руки тряслись и он получился смазанным.
Деконволюция отлично работает при макро съемке.
Давайте все же ближе к астрофото.
Удивительный метод восстановления изображения. В астрофотографии он используется давно и хорошо зарекомендовал себя. Изучайте и применяйте.
Если желаете более подробно ознакомиться как это делается в Pixinsight, то вот две хороших статьи на эту тему:
https://pixinsight.com/examples/M81M82/
https://thecoldestnights.com/2020/06/pixinsight-deconvolution-on-starless-images/
Темного вам неба!