Camera ccd cu cip monocrom sau cu cip color?
Alegerea intre camere ccd racite cu cip monocrom si cele cu cip color este o dilema perpetua pentru astrofotografii amatori incepatori datorata lipsei de experienta si a cunostintelor despre cipurile ccd. Cel mai simplu mod de a raspunde la aceasta intrebare este prin a arata ca majoritatea astrofotografilor experimentati folosesc camere ccd cu cip monocrom. Care este diferenta dintre camerele cu cipuri monocrom si cele cu cipuri color? Raspunsul se afla in modul in care sunt realizate cipurile monocrom si cele color.
Cipurile color sunt de fapt cipuri monocrom, pixelii senzorului fiind acoperiti cu un filtru sub forma unei matrici Bayer ce contine zone alternative de filtre rosu, verde si albastru - GRGB. Matricea Bayer permite obtinerea unei poze color instant, cu o singura expunere, sacrificand rezolutia spatiala a cipului si sensibilitatea nativa a pixelilor la intreg spectrul de lumina vizibila/infrarosie/ultravioleta. Datele brute produse de senzor si prelucrate ulterior de camera foto sunt sub forma unei imagini alb-negru sub forma unui pattern. Patternul este datorat matricii Bayer de pe senzor. Fiecare pixel este sensibil la o singura culoare, cea a filtrului de deasupra lui. Pentru a converti aceasta imagine bruta in imagine color fiecarui pixel i se atribuie o valoare corespunzatoare filtrului de deasupra lui. Softul camerei interpoleaza in continuare pentru fiecare pixel valorile culorilor lipsa prin analiza pixelilor adiacenti si estimarea valorilor lipsa, proces numit debayerare sau conversie la color. Exista mai multi algoritmi de conversie la color, insa fiecare algoritm este un compromis.
Matricea Bayer
Camerele dslr realizeaza acest proces de debayerare prin softul intern al camerei producand imagini color. La unele modele exista posibilitatea capturarii de imagini raw, procesul de debayerare putand fi realizat ulterior de utilizator prin intermediul diferitor programe de calculator. Camerele ccd astronomice cu cipuri color nu realizeaza intern procesul de debayerare, ci acesta se realizeaza ulterior prin intermediul softurilor de captura si prelucrare a imaginilor.
Camerele ccd cu cip monocrom produc imagini alb/negru. Realizarea unei imagini color folosind cipuri monocrom are loc dupa un principiu asemanator matricei bayer cu diferenta ca intreg cipul camerei este expus succesiv la lumina filtrata prin filtrele rosu, verde si albastru si un filtru de luminanta. Astfel, in fata senzorului ccd sunt introduse succesiv cate un filtru realizandu-se cate o imagine prin fiecare filtru. Pentru a usura schimbarea filtrelor, acestea se monteaza intr-o roata de filtre care se ataseaza in fata camerei ccd si care permite schimbarea manuala sau automata controlata prin calculator a filtrelor. Imaginile brute obtinute sunt monocrome, insa informatia capturata in fiecare reprezinta spectrul luminos corespunzator fiecarui filtru. Dupa realizarea celor 4 imagini prin cele 4 filtre, acestea se prelucreaza prin intermediul unor softuri de prelucrare a imaginilor precum Adobe Photoshop, CCDSoft, MaximDL, AstroArt, Nebulosity etc. pentru a obtine imaginea color. Cele 4 imagini se suprapun si fiecare imagine se coloreaza automat sau manual la culoarea corespunzatoare filtrului prin care a fost expusa. In acest fel se obtine o imagine finala color.
Avantajele camerelor ccd cu cip monocrom fata de camerele ccd cu cip color:
- Rezolutie mai mare a imaginii: Datorita faptului ca nu exista matrice bayer in cazul cipurilor monocrom, toti pixelii cipului sunt expusi la fiecare canal de lumina. In cazul cipurilor color, 50% din pixeli sunt expusi la lumina verde, 25% din pixeli sunt expusi la lumina rosie, 25% din pixeli sunt expusi la lumina albastra. In cazul cipurilor color este nevoie de debayerarea imaginilor brute pentru a obtine imaginea color, proces prin care se realizeaza interpolarea valorilor canalelor de culoare lipsa pentru fiecare pixel al cipului. Astfel, softul camerei sau un soft de prelucrare a imaginilor calculeaza pe baza unor algoritmi analizand pixelii invecinati ai fiecarui pixel ce valori ar fi trebuit sa ia fiecare pixel daca ar fi fost expus si la celelalte canale de culoare. Se genereaza astfel valori aproximative pentru fiecare pixel. Rezolutia spatiala bruta si cantitatea de informatie continuta de imagine este insa mai scazuta decat in cazul unui cip monocrom, fara matrice bayer, expus complet la fiecare canal de culoare. In functie de algoritmul de debayerare folosit rezolutia este cu cel putin 30% mai mica decat a unei imagini obtinute cu un cip monocrom si apar in imagine diferite artefacte care reduc suplimentar calitatea finala a imaginii.
- Sensibilitatea mai buna a pixelilor si cantitatea mai mare de informatie capturata: Datorita faptului ca nu exista matrice bayer, cipurile monocrom sunt expuse in intregime la intreg spectrul luminos, fiecare pixel capteaza fotonii de lumina care ajung la el pana la umplerea rezervorului de fotoni. Prin intercalarea unui filtru de culoare, intreg cipul ccd capteaza toti fotonii in spectrul de lumina al culorii respective care ajung la cip. Astfel cipul lucreaza la capacitatea maxima a pixelilor din care este alcatuit, capturand fotoni pe intreaga sa suprafata pentru fiecare canal de culoare. In cazul cipurilor color, datorita matricii bayer, nu toti pixelii capteaza intreaga cantitate de lumina: 50% din pixeli capteaza in spectrul luminos verde, insa nu si in celelalte domenii ale spectrului, 25% din pixeli capteaza in spectrul rosu, insa sunt insensibili la restul spectrului, 25% din pixeli capteaza doar albastru si sunt insensibili la restul spectrului. Mai mult, s-a constatat ca filtrele ce alcatuiesc matricea bayer au o transmisie mai mica a luminii decat filtrele ccd astronomice, astfel ca sensibilitatea cipului este redusa mai puternic decat in cazul filtrelor ccd astronomice. Datorita spectrului restrans de lumina transmis de filtrele din matricea bayer centrate pe lumina vizibila si cantitatii mai mici de fotoni care ajung la pixeli, cipurile color sunt foarte putin sensibile sau insensibile la spectrul de lumina aflat la marginea celui vizibil, mai precis, lungimile de unda h-alfa, h-beta, infrarosu, ultraviolet care sunt foarte importante in astronomie, multe obiecte ceresti avand emisii luminoase puternice in aceste lungimi de unda. Cipurile monocrome sunt sensibile si in aceste lungimi de unda. Aceasta sensibilitate mai buna a cipurilor monocrom este foarte importanta pentru astronomie, intrucat lumina ce vine de la obiectele ceresti este foarte slaba. Datorita sensibilitatii mai mari si a utilizarii intregii suprafete disponibile, cipurile monocrom permit obtinerea unui acelasi nivel de detalii in timp mai scurt, cu mai putine expuneri decat cipurile color. Sau daca privim dintr-o alta perspectiva, cu un cip monocrom putem captura mai multa lumina/fotoni in acelasi timp fata de un cip color, deci mai multe detalii vizibile. Cel mai important canal de culoare este luminanta, care contine informatia alb/negru din intreg spectrul vizibil de lumina. Pentru obtinerea culorilor, a canalelor de cromianta cu un cip monocrom se pot aloca expuneri mai scurte pentru expunerile prin filtrele RGB sau folosind binarea pixelilor pentru a reduce timpul de expunere.
- Posibilitatea de a folosi filtre de banda ingusta: Pe langa obtinerea imaginilor color in spectrul luminii vizibile prin folosirea unor filtre LRGB, camerele cu cip color permit folosirea si a unor filtre de banda ingusta, centrate doar pe anumite lungimi de unda bine izolate in care emit puternic unele obiecte ceresti. Astfel, extrem de folosite sunt filtrele h-alfa, h-beta, OIII, S2 pentru fotografierea in special a nebuloaselor care emit puternic in aceste lungimi de unda. Imaginile obtinute prin acest filtre pot fi suprapuse cu imaginile obtinute prin filtrele LRGB pentru a obtine o imagine finala cu mai multe detalii. De asemenea se pot realiza imagini compozite in culori false prin suprapunerea doar a imaginilor obtinute prin 3-4 filtre de banda ingusta, in paleta de culori asemanatoare cu cea produsa cu telescopul spatial Hubble. Avantajul acestei tehnici este dat de faptul ca aceste lungimi de unda sunt mai putin blocate de poluarea luminoasa produsa de sistemele de iluminat folosite de oameni, care in orase ajunge sa inunde cerul de lumina facand invizibile majoritatea obiectelor ceresti. Astfel se poate realiza fotografie de banda ingusta din oras, fara a fi influentati de poluarea luminoasa din jur. Pentru astronomii amatori fara posibilitatea de a iesi din orase in zone cu cer curat si negru, fotografia de banda ingusta este singura forma de fotografie deepsky fezabila din zonele cu poluare luminoasa.
- Posibilitatea binarii pixelilor: Pixelii camerelor cu cip monocrom pot fi binati 2X2, 3X3, 4X4, pentru a obtine pixeli mai mari (de 4, 9, 16 ori), mai sensibili, cu un raport semnal/zgomot mai mare. Binarea are loc la nivelul citirii fotositurilor, care sunt combinate si citite astfel incat sa creeze fotosituri echivalente mai mari. Capacitatea totala a rezervorului de fotoni a noilor super pixeli este si ea mai mare, facand posibila colectarea unei sarcini mai mari decat pentru un singur pixel. Binarea pixelilor ajuta si la ajustarea marimii optime a pixelilor pentru diferite telescoape si pentru reducerea timpilor de descarcare a imaginilor pe calculator, operatiune utila in etapa de focalizare a telescopului. Cipurile ccd color nu pot fi binate datorita matricei bayer.
- Sunt mai adecvate cercetarii stiintifice: Toate camerele ccd utilizate pentru cercetare stiintifica au cipuri monocrom. Pentru cercetare stiintifica culoarea nu este importanta, ci mai importanta este posibilitatea izolarii diferitor segmente ale spectrului de lumina prin folosirea in fata cipului camerei a filtrelor speciale care lasa sa treaca doar acele lungimi de unda dorite de cercetator. De asemenea, este important ca cipul sa performeze la capacitatea sa maxima pentru a aduna cat mai multi fotoni in cat mai putin timp de la obiecte ceresti/stele foarte putin luminoase. Utilizarea cipului la intreaga sa rezolutie, fara artefactele introduse de matricea bayer, permite inregistrarea intregii informatii nealterate care vine de la regiunea de cer studiata, fapt foarte important de exemplu pentru fotometrie, astrometrie sau studiile de asteroizi. Un exemplu in acest caz este situatia stelelor foarte slabe: in cazul cipurilor color pentru a identifica corect pozitia unei stele si culoarea ei trebuie ca ea sa subintinda cel putin 3 pixeli adiacenti; in cazul cipurilor monocrome este suficient ca steaua sa subintinda doar 1 pixel.
Avantajele camerelor ccd cu cip color fata de camerele ccd cu cip monocrom:
- Procedura mai simpla de capturare si prelucrare a imaginilor: Datorita matricii bayer a cipurilor color capturarea canalelor de luminanta si cromianta are loc in cadrul aceleiasi expuneri. In cazul cipurilor monocrom este necesara realizarea separata a expunerilor prin cel putin 3 filtre diferite. In prelucrarea imaginilor nu mai este necesara suprapunerea canalelor de culoare, insa este necesara debayerarea cadrelor.
- Rapiditatea in obtinerea unor imagini de la obiecte ce se schimba rapid: In cazul fotografiei planetelor si a Soarelui camerele ccd cu cipuri color sunt preferate de multi astrofotografi datorita faptului ca aceste obiecte sufera transformari rapide ale atmosferei/suprafetei lor. De exemplu, rotatia planetei Jupiter se observa in imagini dupa 2 minute de expuneri. Astfel pentru a "ingheta" imaginea o sesiune de fotografie dureaza maxim 2 minute, timp in care cu o camera color se pot obtine, in functie de numarul de cadre pe secunda ales, pana la 7000 de cadre. Cu toate acestea, unii astrofotografi aleg sa utilizeze camere ccd cu cip monocrom impreuna cu o roata de filtre cu 4 filtre LRGB alocand expunerilor prin fiecare filtru 15-20 de secunde, timp suficient pentru obtinerea a pana la 1000 de cadre prin fiecare filtru, iar in final a unui numar total de aproximativ 4000 de cadre. Numarul mai mic de cadre totale obtinute la expunerea prin filtre separate de culoare este compensat de calitatea mai buna a acestor cadre.
- Costuri mai mici in privinta camerei: In cazul camerelor cu cip color nu mai sunt necesare achizitionarea filtrelor LRGB si a unei roti de filtre pentru acestea.
Per ansamblu camerele ccd cu cip monocrom produc imagini de o calitate mai buna, sunt mai sensibile si au rezolutie mai buna. Desi cei mai multi incepatori in domeniul astrofotografiei sunt atrasi de camere ccd cu cip color, majoritatea lor ajung dupa o perioada foarte scurta sa simta limitarile unui cip color si sa faca apoi trecerea la camere ccd cu cip monocrom. Fotografia cu camere cu cip monocrom nu este mai dificila, obtinerea unei imagini dureaza la fel de mult ca si in cazul unui cip color. Mai mult, pentru multe aplicatii este inutila obtinerea unei imagini color. Sunt multi astronomi amatori care realizeaza cercetari personale sau stiintifice cu telescoape de amatori si camere ccd, precum studii de stele variabile, astrometrie, spectrometrie, cautari de asteroizi, cazuri in care cipurile monocrom aduc doar avantaje datorita flexibilitatii lor. Chiar si pentru realizarea de astrofotografii estetice, cipurile monocrom aduc pe langa avantajul calitatii imaginii si detaliilor mai multe, posibilitatea de utilizare a filtrelor de banda ingusta. Pentru astronomii amatori ce isi realizeaza fotografiile din orase aceasta posibilitate este salvatoare datorita poluarii luminoase care ilumineaza complet cerul blocheaza majoritatea spectrului de lumina vizibila ce vine de la stele. Fotografia cu filtre de banda ingusta este singura forma de fotografie ce produce rezultate bune din oras.
