CCD kamery G0 a G1. Uživatelská příručka

Transkript

1 CCD kamery G0 a G1 Uživatelská příručka

2 Verze 2,2 Modifikováno 2. prosince 2013 Tato publikace byla vytvořena ve snaze poskytnout přesné a úplné informace. Společnost Moravské přístroje a.s. nepřejímá žádné záruky týkající se obsahu této publikace a vyhrazuje si právo měnit obsah dokumentace bez závazku tyto změny oznámit jakékoli osobě či organizaci. Kamery G0 a G1 CCD nejsou autorizovány a nemohou být používány v systémech podpory života bez písemného svolení firmy Moravské přístroje. Záruka na produkt zahrnuje opravy a případně náhradu vadných součástí, nikoliv však náhradu jakýchkoliv následných škod. Copyright , Moravské přístroje a.s. Moravské přístroje Masarykova Zlín tel./fax: internet: ccd@gxccd.com

3 Obsah Úvod...5 Technické specifikace...8 CCD čip...10 Model G a G Model G0-0300C a G1-0300C...11 Model G Model G1-0301C...11 Model G a G Model G0-0800C a G1-0800C...12 Model G a G Model G0-2000C a G1-2000C...12 Model G Model G1-1200C...13 Model G Model G1-1400C...14 Elektronika kamery...14 Chlazení CCD čipu...15 Napájení kamery...16 Mechanické specifikace kamery G Mechanické specifikace kamery G Začínáme...21 Instalace ovladače kamery...21 Instalace systémového ovladače v systémech Windows 7 a Instalace systémového ovladače v systémech Windows XP a Windows Vista...23 Instalace programu SIPS...23 Konfigurační soubory programu SIPS...25 Ovladač kamer G0/G1 CCD pro SIPS...26 Připojení kamery...26 Indikace stavu kamery...26 Práce s více kamerami...27 Práce s kamerou...29 Kamera a dalekohled...29 Řízení teploty...30 První snímky...31 Jas a kontrast jasová škála snímků...32 Kalibrace...33 Barevné snímky...36 Vyvážení barev...39 Automatická pointace...40

4 Pointace s programem SIPS...42 Záložka Guiding Setup nástroje CCD Camera...43 Záložka Guiding nástroje CCD Camera...48 Kalibrace automatické pointace...49 Některá pravidla pro úspěšné fotografování...51 Údržba kamery...53 Výměna adaptéru dalekohledu kamery G1...53

5 Úvod Děkujeme za zakoupení CCD kamery firmy Moravské přístroje. Tyto kamery byly vyvíjeny aby byly malé, lehké a snadno použitelné. Přes svou kompaktnost a jednoduchost jsou velmi citlivé a vhodné pro snímání v podmínkách s velmi malou úrovní osvětlení v astronomii, mikroskopii a příbuzných oborech. Kamery G0 a G1 digitalizují snímky s 16 bitovou přesností, aby plně využily dynamického rozsahu CCD čipu. Přesto rychlost digitalizace dosahuje 8 Mpx/s v rychlém čtecím módu stažení obrazu o mnoha stech tisících bodů trvá jen malý zlomek sekundy. V pomalém módu vyčítání obrazu dosahují kamery G0 a G1 velmi malého čtecího šumu, limitovaného samotným CCD čipem, a přesto digitalizují obraz rychlostí 2,5 Mpx/s. Velmi důležitým návrhovým cílem kamer G0 a G1 bylo napájení pouze z USB sběrnice. Kamera je připojena k počítači jediným USB kabelem, který zajišťuje přenos dat mezi kamerou a počítačem a také napájení. Kamery G0 a G1 nevyžadují žádný další napájecí zdroj. CCD kamery série G0 a G1 jsou mimo konektoru USB-B vybaveny také konektorem RJ-12, který slouží k přímému propojení mezi hlavou kamery a montáží astronomického dalekohledu vybavenou standardním autoguider portem. Toto rozhraní (spolu s dalšími vlastnostmi jako je kompaktní a lehká konstrukce, napájení z USB, rychlé vyčítání apod.) velmi usnadňuje použití kamer G0 a G1 pro automatickou pointaci. Automatická pointace bude popsána dále v tomto manuálu. Jednoduchost použití a malé rozměry dostaly při návrhu přednost před některými jinými vlastnostmi, takže kamery G0 a G1 nemají mechanickou závěrku a filtrové kolo. Také napájení poskytované USB připojením, není dostatečné pro energeticky náročný termoelektrický (Peltiérův) článek. Proto nemůže být CCD čip v kamerách G0 a G1 chlazen pod teplotu okolí. Nicméně kamery G1 jsou vybaveny ventilátorem, který zajišťuje výměnu vzduchu v hlavě kamery a tím výrazně pomáhá odvádět teplo generované elektronikou kamery i CCD čipem samotným. Teplota CCD čipu tak může být snížena ve srovnání s plně uzavřenou kamerou o řadu stupňů. To vede ke snížení tepelnému šumu na méně než polovinu. 5

6 Dovolujeme si upozornit, že kamery G0 a G1 CCD jsou navrhovány k práci spolu s osobním počítačem (PC). Počítač je nezbytný pro řízení kamery, nahrávání obrázků, jejich zpracování a ukládání apod. K práci s kamerami G0 a G1 CCD je zapotřebí počítač, který: 1. Je kompatibilní se standardem PC. 2. Pracuje s moderním 32 bitovým nebo 64 bitovým operačním systémem Windows. Ovladače pro 32 bitové a 64 bitové systémy Linux jsou také k dispozici, ale program pro ovládání kamery a zpracování obrazu, dodávaný spolu s kamerami, vyžaduje k práci operační systém Windows. 3. Je vybaven alespoň jedním USB portem. Kamery G0 a G1 CCD jsou navrhovány pro práci s USB 2.0 highspeed (480 Mbps) rozhraním. Ačkoliv jsou plně zpětně kompatibilní s rozhraním USB 1.1 full-speed (12 Mbps), čas stahování obrázků je při použití takového rozhraní delší. Jednoduché a levné zařízení zvané USB rozbočovač (USB hub) může rozšířit počet USB portů. Typický USB rozbočovač zabere jeden USB port v počítači a poskytne čtyři volné USB porty. Je nutno se ale ujistit, že použitý rozbočovač je kompatibilní se standardem USB 2.0 high-speed. Je ale nutné mít na paměti, že pokud je k USB rozbočovači připojeno více zařízení, rozbočovač musí k přenosu dat do PC používat svou jedinou linku. Ačkoliv kamery G0 a G1 CCD pracují i po připojení přes rozbočovač, může to mít negativní vliv na dobu stahování snímků. Doporučujeme proto připojit přes rozbočovač jiná USB zařízení (USB myš apod.) a pro kameru rezervovat přímé připojení přímo do PC. Také je důležité brát do úvahy, že kamery G0 a G1 jsou napájeny z USB sběrnice. USB rozbočovač bez napájení nemusí poskytnout dostatečný proud potřebný pro provoz kamery kamery. Vždy je zapotřebí použít k připojení kamery USB hub s vlastním napájecím zdrojem. Spotřeba kamer G0 a G1 je opsána dále. 4. Alternativně je možné použít rozhraní Gx Camera Ethernet Adapter. Tento adaptér dokáže připojit až 4 kamery série Gx (tedy 6

7 nejen G0 a G1, ale také G2, G3 a G4) nabízí 1 Gbps a 10/100 Mbps rozhraní Ethernet pro přímé spojení s řídicím počítačem. Protože počítač pak s kamerami komunikuje protokolem TCP/IP, je možné do cesty vložit např. WiFi most nebo jiné síťové zařízení. Kamery G0 a G1 musí být připojeny k nějakému optickému systému (např. dalekohledu), aby mohly snímat obrazy. Kamery G1 jsou vybaveny adaptérem s CS závitem, takže mohou být použity např. s CCTV objektivem s C nebo CS závitem (pro objektiv s C závitem je nezbytné použít 5mm distanční kroužek). Volitelný adaptér pro 1,25 okulárový výtah je zašroubován do CS adaptéru na těle kamery. Kamery G0 jsou navrhovány pro použití pouze s 1,25 okulárovým výtahem dalekohledu, C/CS objektivy není možné s těmito kamerami použít. 7

8 Technické specifikace Série kamer G0 zahrnuje následující modely: Model G G0-0300C G G0-0800C CCD čip ICX424AL ICX424AQ ICX204AL ICX204AK Rozlišení Pixel 7,4 7,4 µm 7,4 7,4 µm 4,65 4,65 µ m 4,65 4,65 µ m Čtecí mód Progresivní Progresivní Progresivní Progresivní Snímač 4,9 3,7 mm 4,9 3,7 mm 4,8 3,6 mm 4,8 3,6 mm Maska Ne RGB (Bayer) Ne RGB (Bayer) Rozhraní USB 2.0 USB 2.0 USB 2.0 USB 2.0 Model G G0-2000C CCD čip ICX274AL ICX274AQ Rozlišení Pixel 4,4 4,4 µm 4,4 4,4 µm Čtecí mód Progresivní Progresivní Snímač 7,2 5,4 mm 7,2 5,4 mm Maska Ne RGB (Bayer) Rozhraní USB 2.0 USB 2.0 8

9 Série kamer G1 zahrnuje následující modely: Model G G1-0300C G G1-0301C CCD čip ICX424AL ICX424AQ ICX414AL ICX414AQ Rozlišení Pixel 7,4 7,4 µm 7,4 7,4 µm 9,9 9,9 µm 9,9 9,9 µm Čtecí mód Progresivní Progresivní Progresivní Progresivní Snímač 4,9 3,7 mm 4,9 3,7 mm 6,5 4,9 mm 6,5 4,9 mm Maska Ne RGB (Bayer) Ne RGB (Bayer) Rozhraní USB 2.0 USB 2.0 USB 2.0 USB 2.0 Model G G1-0800C G G1-1200C CCD čip ICX204AL ICX204AK ICX445ALA ICX445AQA Rozlišení Pixel 4,65 4,65 µ m 4,65 4,65 µ m 3,75 3,75 µ m 3,75 3,75 µ m Čtecí mód Progresivní Progresivní Progresivní Progresivní Snímač 4,8 3,6 mm 4,8 3,6 mm 4,9 3,6 mm 4,9 3,6 mm Maska Ne RGB (Bayer) Ne RGB (Bayer) Rozhraní USB 2.0 USB 2.0 USB 2.0 USB 2.0 9

10 Model G G1-1400C G G1-2000C CCD čip ICX285AL ICX285AQ ICX274AL ICX274AQ Rozlišení Pixel 6,45 6,45 µ m 6,45 6,45 µ m 4,4 4,4 m 4,4 4, 4 m Čtecí mód Progresivní Progresivní Progresivní Progresivní Snímač 9,0 6,7 mm 9,0 6,7 mm 7,2 5, 4 mm 7,2 5, 4 mm Maska Ne RGB (Bayer) Ne RGB (Bayer) Rozhraní USB 2.0 USB 2.0 USB 2.0 USB 2.0 CCD čip Citlivost je důležitá vlastnost každé CCD kamery, bez ohledu jestli je používána jako zobrazovací kamera nebo k automatické pointaci. Zobrazovací kamera nesmí plýtvat světlem shromážděným optickým systémem, aby dosáhla co nejlepšího poměru signál/šum. Kamera používaná k pointaci také musí dosáhnout dostatečného poměru signál/šum za krátkou dobu nutnost akumulovat světlo k zachycení hvězdy dlouhé minuty je pro kvalitní pointaci nepřípustná. Z těchto důvodů jsou kamery G1 vybaveny citlivými CCD čipy firmy Sony. Kvantová účinnost CCD čipů přesahuje 50%. Čtecí šum CCD čipu dosahuje jen asi 5 až 10 elektronů. Kamery G1 digitalizují obraz s 16 bitovou přesností. V porovnání s 8 bitovými kamerami je dynamický rozsah o mnoho řádů vyšší. Silný anti-blooming udržuje i obrazy jasných hvězd kruhové, bez rušivých přetoků náboje. Rychlost vyčítání obrazu u kamer G1 je velmi vysoká, pixely jsou digitalizovány rychlostí 8 Mpx/s v módu rychlého čtení. Model G a G Model G0/G používá CCD snímač s progresivním čtením s rozlišením VGA ( pixelů) typu Sony ICX424AL. 10

11 Rozlišení pixelů Velikost pixelu 7,4 7,4 µm Obrazová plocha Barevné filtry Model G0-0300C a G1-0300C 4,9 3,7 mm Model G0/G1-0300C používá CCD snímač s progresivním čtením s rozlišením VGA ( pixelů) typu Sony ICX424AQ s RGB filtry (Bayerova maska). Tento čip dovoluje snímat barevné obrazy jedinou expozicí. Model G Rozlišení Ne pixelů Velikost pixelu 7,4 7,4 µm Obrazová plocha Barevné filtry 4,9 3,7 mm RGBG (Bayerova maska) Model G používá CCD snímač s progresivním čtením s rozlišením VGA ( pixelů) typu Sony ICX414AL. Rozlišení Model G1-0301C pixelů Velikost pixelu 9,9 9,9 µm Obrazová plocha Barevné filtry 6,5 4,9 mm Model G1-0301C používá CCD snímač s progresivním čtením s rozlišením VGA ( pixelů) typu Sony ICX414AQ s RGB filtry (Bayerova maska). Tento čip dovoluje snímat barevné obrazy jedinou expozicí. Rozlišení Ne pixelů Velikost pixelu 9,9 9,9 µm Obrazová plocha Barevné filtry 6,5 4,9 mm RGBG (Bayerova maska) 11

12 Model G a G Model G0/G používá CCD snímač s progresivním čtením s rozlišením XGA ( pixelů) typu Sony ICX204AL. Rozlišení pixelů Velikost pixelu 4,65 4,65 µm Obrazová plocha Barevné filtry Model G0-0800C a G1-0800C 4,8 3,6 mm Model G0/G1-0800C používá CCD snímač s progresivním čtením s rozlišením XGA ( pixelů) typu Sony ICX204AK s červenými, zelenými a modrými filtry (Bayerova maska). Tento čip dovoluje snímat barevné obrazy jedinou expozicí. Rozlišení Ne pixelů Velikost pixelu 4,65 4,65 µm Obrazová plocha Barevné filtry Model G a G ,8 3,6 mm RGBG (Bayerova maska) Model G0/G používá CCD snímač s progresivním čtením s rozlišením UXGA ( pixelů) typu Sony ICX274AL. Rozlišení pixelů Velikost pixelu 4,4 4,4 µm Obrazová plocha Barevné filtry Model G0-2000C a G1-2000C 7,2 5,4 mm Model G0/G1-2000C používá CCD snímač s progresivním čtením s rozlišením UXGA ( pixelů) typu Sony ICX274AQ s červenými, zelenými a modrými filtry (Bayerova maska). Tento čip dovoluje snímat barevné obrazy jedinou expozicí. Ne 12

13 Model G Rozlišení pixelů Velikost pixelu 4,4 4,4 µm Obrazová plocha Barevné filtry 7,2 5,4 mm RGBG (Bayerova maska) Model G používá CCD snímač s progresivním čtením s HD rozlišením ( pixelů) typu Sony ICX445ALA. Tento detektor je vyroben tzv. ExView HAD technologií, která zvyšuje jeho citlivost zejména v červené a blízké infračervené části spektra. Také absolutní kvantová účinnost tohoto CCD je velmi vysoká, srovnatelné s modely s čipem ICX285. Rozlišení Model G1-1200C pixelů Velikost pixelu 3,75 3,75 µm Obrazová plocha Barevné filtry 4,9 3,6 mm Model G1-1200C používá CCD snímač s progresivním čtením s HD rozlišením ( pixelů) typu Sony ICX445AQA s červenými, zelenými a modrými filtry (Bayerova maska) a dovoluje tedy snímat barevné obrazy jedinou expozicí. Tento detektor je vyroben tzv. ExView HAD technologií s absolutní kvantovou účinností srovnatelnou s modely s čipem ICX285. Model G Rozlišení Ne pixels Velikost pixelu 3,75 3,75 µm Obrazová plocha Barevné filtry 4,9 3,6 mm RGBG (Bayerova maska) Model G používá CCD snímač s progresivním čtením s rozlišením SXGA ( pixelů) typu Sony ICX285AL. Tento detektor je 13

14 vyroben tzv. ExView HAD technologií, která zvyšuje jeho citlivost zejména v červené a blízké infračervené části spektra. Také absolutní kvantová účinnost tohoto CCD je nejvyšší ze všech detektorů používaných v kamerách řady G1. Rozlišení Model G1-1400C pixelů Velikost pixelu 6,45 6,45 µm Obrazová plocha Barevné filtry 9,0 6,7 mm Model G1-1400C používá CCD snímač s progresivním čtením s rozlišením SXGA ( pixelů) typu Sony ICX285AQ s červenými, zelenými a modrými filtry (Bayerova maska) a dovoluje tedy snímat barevné obrazy jedinou expozicí. Tento detektor je vyroben tzv. ExView HAD technologií, která zvyšuje jeho citlivost zejména v červené a blízké infračervené části spektra. Rozlišení Ne pixels Velikost pixelu 6,45 6,45 µm Obrazová plocha Barevné filtry Elektronika kamery 9,0 6,7 mm RGBG (Bayer mask) 16 bitový A/D převodník s korelovaným dvojnásobným vzorkováním zajišťuje vysoký dynamický rozsah, který dokonce převyšuje kapacitu pixelů použitých CCD snímačů. Rychlé rozhraní USB 2.0 dovoluje stažení obrazů během zlomků sekund. Maximální délka USB kabelu je 5 m. Tato délka může být prodloužena na 10 m použitím USB rozbočovače (USB hub) nebo aktivního USB prodlužovacího kabelu. V jednom spojení může být použito až 5 aktivních prodlužovacích kabelů nebo USB rozbočovačů. Jednotka Gx Camera Ethernet Adapter dovoluje připojení až čtyř kamer Gx libovolného typu přes rozhraní Ethernet a protokol TCP/IP. Protože protokoly TCP/IP je možné směrovat, vzdálenost mezi kamerami a řídicím počítačem je tak prakticky neomezená. 14

15 Rozlišení A/ D převodníku Vzorkování Čtecí módy Rozhraní 16 bitů Korelované dvojnásobné vzorkování Rychlý (8 Mpx/s) Pomalý (2,5 Mpx/s) USB 2.0 high-speed USB 1.1 full-speed kompatibilní 1. Ovladač kamer dovoluje provádět libovolný binning až do 4 4 pixelů programově. Čas stažení obrazu a systémový čtecí šum závisí na CCD čipu použitém v daném modelu kamery a na zvoleném čtecím módu. Model kamery G0/G G0/G G0/G G Čas čtení obrazu (rychlé) 0,05 s 0,1 s 0,25 s 0,18 s Čas čtení obrazu (pomalé) 0,15 s 0,32 s 0,8 s 0,58 s 1. Doba čtení obrazu je platná pro rozhraní USB 2.0 a může se měnit v závislosti na použitém PC. Uvedené časy byly měřeny na přenosném počítači s procesorem Intel Pentium M s taktem 1,5 GHz. 2. Doba čtení obrazu se výrazně prodlouží, pokud je počítač vybaven pouze rozhraním USB 1.1. Některé charakteristiky elektroniky jako citlivost e - /ADU nebo čtecí šum nemohou být přesně určeny, protože firma Sony nezveřejňuje některé klíčové informace (kapacita pixelu v elektronech nebo citlivost výstupního uzlu). Chlazení CCD čipu Série CCD kamer G0 a G1 nepoužívají aktivního chlazení čipu pomocí 15

16 Peltiérových termoelektrických článků. CCD čip tedy nemůže být ochlazen pod teplotu okolí. Pracující elektronika (včetně samotného CCD čipu) produkuje relativně značné množství tepla, které zvyšuje teplotu v hlavě kamery o řadu stupňů. Protože tepelný šum CCD čipu se zdvojnásobuje s každými 5 až 7 C, tepelný šum může po chvíli práce kamery podstatně vzrůst. Kamery G1 obsahují malá ventilátor, který účinně odvádí teplo z těla kamery a udržuje teplotu CCD čipu co nejblíže teplotě okolí. Ventilátor může být zapínán a vypínán pomocí ovládacího software kamery. Uvnitř kamer G0 i G1 je zabudován teploměr měřicí aktuální teplotu CCD čipu. Měření teploty dovoluje například zajistit, aby použité temné snímky byly pořízeny při stejné nebo podobné teplotě jako normální snímky apod. Napájení kamery Kamery G0 a G1 jsou napájeny z počítače prostřednictvím USB kabelu. Žádný další napájecí zdroj není zapotřebí. Maximální proud odebíraný jediným USB zařízením je 500 ma z 5 V napájení. Proud potřebný k provozu kamer G0 a G1 závisí pracovním režimu kamery. Následující tabulka shrnuje spotřebu kamer G1. V žádném režimu kamera nepřesáhne limit 500 ma stanovený v USB specifikaci. Pracovní mód kamery Nečinnost, ventilátor vypnut Nečinnost, ventilátor zapnut Digitalizace obrazu, ventilátor vypnut Digitalizace obrazu, ventilátor zapnut Požadovaný proud 185 ma 260 ma 285 ma 360 ma Kamery G0 nejsou vybaveny ventilátorem a jejich spotřeba odpovídá kamerám G1 s vypnutým ventilátorem. 16

17 1. Pokud je kamera připojena přes USB rozbočovač bez napájení, pro jednotlivá USB zařízení může být k dispozici proud jen 100 ma, což je pro kamery G1 nedostatečné. Pokud je používán USB rozbočovač, vždy je nutné aby byl vybaven napájecím zdrojem. 2. Poznamenejme, že tzv. aktivní USB prodlužovací kabel je ve skutečnosti USB rozbočovač s jediným USB konektorem na vzdálené straně. Takový kabel tedy sám spotřebovává část energie a nemusí tedy s kamerou G1 správně pracovat. 3. Některé USB kabely mají tenké napájecí žíly s relativně vysokým odporem. Pokud USB zařízení potřebuje několik set miliampérů, úbytek napětí na kabelu může dosáhnout až jednoho voltu. Ačkoliv kamera G1 by měla pracovat, některé vlastnosti (např. měření teploty) mohou být negativně ovlivněny. Vždy je vhodné používat co možná nejkratší kabel s napájecími žilami s co nejmenším odporem. Mechanické specifikace kamery G0 Hlava kamery G0 má pouhých 40 mm v průměru a je 85 mm dlouhá, včetně 18 mm dlouhého 1,25 adaptéru pro okulárový výtah v přední části kamery. Konektory (USB a autoguider ) jsou umístěny v zadní stěně kamery. Kamery G0 jsou navrženy pro přímé připojení ke standardnímu 1,25 okulárovému výtahu. Nejsou vybaveny adaptérem s C/CS závitem, takže nemohou být použity s běžnými CCTV objektivy. Mechanická závěrka Nejkratší expoziční čas Nejdelší expoziční čas Rozměry hlavy kamery Hmotnost hlavy kamery No 0, s Limitován saturací CCD čipu 40 mm (průměr) 85 mm (délka) 0,1 kg 17

18 Obr. 1: Hlava kamery G0 Obr. 2: Mechanické rozměry kamery G0 Mechanické specifikace kamery G1 Kompaktní a robustní hlava kamery měří pouze mm. Hlava je vyrobena z kvalitního duralu CNC obráběním. Tělo kamery je eloxováno. Kamera je dodávána s adaptérem pro CS objektivy. Do C-závitu lze zašroubovat adaptér na 1.25" barel, dovolující připojení kamery k 18

19 okulárovým výtahům pro 1.25" okuláry. Oba C a CS standardy sdílejí společný závit (C-závit o průměru1 palec se 32 závity na palec). Rozdíl mezi C a CS standardy je ve vzdálenosti čela závitu od ohniska C-závit má tuto vzdálenost 17,5 mm, CS-závit jen 12,5 mm. Obr. 3: Hlava kamery G1 Kamery G1 používají tzv. Interline Transfer CCD detektory, které dovolují řídit expoziční dobu elektronicky. Kamery tedy neobsahují mechanickou závěrku. Je ale nezbytné zakrýt dalekohled nebo objektiv neprůhlednou krytkou, pokud chceme pořídit temný snímek. Mechanická závěrka Nejkratší expoziční čas Nejdelší expoziční čas Rozměry hlavy kamery Vzdálenost ohniskové roviny Hmotnost hlavy kamery No 0, s Limitován saturací CCD čipu 83 mm 76 mm 26 mm 12,5 mm (CS standard) 17,5 mm (C standard) 0,2 kg 1. Rozměry hlavy kamery neobsahují adaptér s CS-závitem. Tento adaptér je 6,4mm vysoký, hloubka kamery s CS adaptérem je 32,4 mm. 19

20 Obr. 4: Mechanické rozměry kamery G1 20

21 Začínáme Pokud hodláte kamery G0 nebo G1 používat pro astronomické aplikace, je vždy lepší (a velmi doporučované) instalovat software a ubezpečit se o bezchybné funkci celého zařízení během dne, před první nocí pod hvězdami. Kamery G0 a G1 CCD mohou v principu pracovat s různými programy pro ovládání kamer (navštivte prosím firemní WWW server, kde je seznam podporovaných programů zveřejněn). Tento manuál ale ukazuje práci s kamerami v programu SIPS (Scientific Image Processing System) programu pro ovládání kamer a zpracování obrazu dodávaném spolu s kamerami. Instalace ovladače kamery Každé USB zařízení vyžaduje tzv. systémový ovladač, který pracuje jako součást jádra operačního systému. Některá USB zařízení (například USB Flash Disk) odpovídají určitým předdefinovaným standardům (v tomto případě velkokapacitní USB zařízení ), takže mohou používat ovladač, který je již součástí operačního systému. To ale není případ kamer G0/G1 CCD ty vyžadují instalaci vlastního systémového ovladače. Ačkoliv 64 bitové operační systémy mohou bez problémů spouštět 32 bitové aplikace, tyto aplikace musí běžet jako samostatné procesy a v zásadě není možná kombinace např. 64 bitového procesu a 32 bitové dynamicky linkované knihovny. Stejně v jádru 64 bitového systému není možno provozovat 32 bitový ovladač. Proto jsou všechny ovladače kamer G0/G1 dodávány ve verzích pro 32 bitové systémy (označené x86 podle procesorů 386, 486 apod.) a pro 64 bitové systémy, označené x64 (podle procesorů podporujících 64 bitové instrukce označovaných x86-64 nebo jen x64). Nejjednodušší způsob instalace systémového ovladače kamer G0/G1 CCD je spuštění pre-instalace ovladačů (soubory GxCam Drivers 32bit CZ.exe nebo GxCam Drivers 64bit CZ.exe, dodávané s kamerou nebo stažené z WWW serveru) na cílovém počítači. Tato instalace nahraje na počítač 21

22 ovladače všech kamer Gx, pak stačí kameru jen připojit a operační systém již ví jaký ovladač použít. Pre-instalace je doporučený způsob instalace systémových ovladačů. Není nutno zabývat se odlišnostmi jednotlivých systémů, popsanými v následujících podkapitolách. Pokud se uživatel rozhodne nevyužít preinstalce, je nezbytné vzít do úvahy rozdíly v implementaci Plug-and-play instalace ovladačů v jednotlivých verzích systémů Windows. Jednotlivé typy kamer vyžadují různé ovladače v závislosti na použitém CCD snímači. Například kamera G používá ovladač g1sx0300.sys, kamera G používá ovladač g1sx2000.sys apod. Kamery G0 a G1 jsou programově kompatibilní a používají stejný ovladač (g1sx0300.sys pracuje s G i G1-0300). Ovšem kamery G0 jsou podporovány až ovladači verze 2.8 a vyšší. Pokud má uživatel nainstalován starší ovladač a připojí kameru G0, tato kamera nebude správně pracovat. Je nezbytné nainstalovat novější verzi ovladače nebo použít menu Aktualizovat software ovladače... ve Správci zařízení systému Windows. Instalace systémového ovladače v systémech Windows 7 a 8 Windows 7 a 8 nenabízí uživatelům možnost instalace ovladačů metodou Plug-and-Play, jako tomu bylo v systémech Windows 2000, Windows XP a Windows Vista. Ovladače je nezbytné předinstalovat, v opačném případě operační systém pouze informuje uživatele, že nenalezl ovladač k připojenému zařízení. Důvody tohoto omezení funkčnosti oproti starším verzím systému Windows lze jen odhadovat, zřejmě se může jednat o snahu omezit problémy s neschopností řady výrobců vytvořit ovladače plně vyhovující standardu Plug-and-play (na řadě produktů je výrazné upozornění vyzývající uživatele, aby nejprve nainstaloval software ovladačů a teprve poté fyzicky připojil zařízení). I když je Plug-and-Play mechanismus instalace ovladačů ve Windows 7 a 8 skryt, přesto je možné jej využívat. Nově připojené zařízení bez ovladače bude zobrazeno ve Správci zařízení ( Device Manager ) jako neznámé zařízení (zpravidla je takové zařízení označeno ikonou otazníku ve žlutém poli). Stačí kliknout na toto zařízení pravým tlačítkem myši a z nabízeného menu zvolit položku Aktualizovat software ovladače... ( Update Driver... ). Operační systém následně otevře průvodce instalací ovladače, v 22

23 zásadě stejného jako je tomu u systémů Windows XP a Windows Vista. Poznamenejme, že 64 bitové verze operačních systémů Windows 8, Windows 7 a Windows Vista vyžadují ovladače opatřené tzv. digitálním podpisem. Ovladače bez podpisu nemohou být ovladače do systému instalovány. Všechny ovladače dodávané ke kamerám G0/G1 jsou počínaje rokem 2010 dodávány s digitálním podpisem. Instalace systémového ovladače v systémech Windows XP a Windows Vista Operační systém informuje uživatele, že bylo připojeno nové USB zařízení otevřením bubliny Nalezen nový hardware. Poté operační systém otevře Průvodce připojením nového hardware. 1. Průvodce nabídne vyhledání ovladače na webovém serveru Windows Update. Odmítněte tuto nabídku (zvolte Nyní ne ) a klikněte na tlačítko Další. 2. V dalším kroku vyberte Instalovat software automaticky. 3. Vložte CD-ROM do mechaniky a průvodce bude automaticky pokračovat dalším krokem. Není nezbytné instalovat soubory z CD-ROM disku. Je možné instalační soubory nakopírovat např. na síťový disk, USB Flash Disk apod. Poté je možné zvolit Instalovat ze zadaného místa a určit cestu k souborům ovladačů. 4. Průvodce začne kopírovat soubory. Systém Windows XP kontroluje, zda-li ovladače obsahují tzv. digitální podpis. Pokud podpis nenaleznou, upozorní na to uživatele dialogovým oknem. Klikněte na Pokračovat, digitální podpis ovladače je pouze administrativní opatření a neovlivňuje správnou funkci ovladače. 5. Průvodce poté ukončí instalaci a kamera G0/G1 CCD je připravena k práci. Instalace programu SIPS Program SIPS (název je zkratkou z anglického Scientific Image Processing 23

24 System ) je navržen takovým způsobem, aby mohl pracovat bez nutnosti jej nejdříve nainstalovat. Celý systém je spustitelný i z USB Flash disku nebo z CD-ROM. Pro svou práci SIPS potřebuje knihovny Microsoft Visual C Tyto knihovny bývají v řadě případů už v daném operačním systému nainstalovány, protože jsou využívány celou řadou dalších aplikací. Pokud ne, je nutné je nejprve doinstalovat, nejlépe spuštěním instalačního balíčku Microsoft Visual C SP1 Redistributable Setup (soubor 'vcredist_x86.exe'). Tento instalační balíček může být stažen z www serveru firmy Microsoft a je také umístěn na USB Flash disku dodávaném spolu s kamerou. Aby byli uživatelé ušetřeni starostí s instalací výše zmíněných komponent, je SIPS dodáván také v podobě instalovatelného balíčku. Proces instalace pak zajistí, aby na počítači byly přítomny všechny potřebné komponenty. SIPS je tedy distribuován ve dvou podobách: 1. V podobě spustitelného instalovatelného balíčku 'SIPS_CZ.exe' (případně anglická verze 'SIPS_EN.exe'). Z tohoto balíčku se SIPS instaluje jako jakákoliv jiná aplikace a uživatel se nemusí starat o přítomnost dalších potřebných komponent. Takto nainstalovaný program SIPS pak lze jednoduše odinstalovat z prostředí správy aplikací ve Windows. 2. V podobě tzv. přenositelné verze na USB Flash disku nebo na CD-ROM, v adresáři nazvaném SIPS obsahujícím spustitelný obraz systému (řadu souborů DLL a EXE a dalších pomocných souborů, např. INI). Tento obraz může být pouze zkopírován na pevný disk do uživatelem zvoleného (případně nově vytvořeného) adresáře. Přenositelnou verzi lze v podobě ZIP archivu sips.zip také stáhnout z WWW serveru. Opět stačí archiv rozbalit do zvoleného adresáře. Odinstalace přenositelné verze programu SIPS je rovněž jednoduchá stačí smazat adresář, ve kterém je program umístěn. Bez ohledu na to, jak je systém SIPS distribuován, program se spouští zavedením spustitelného souboru sips.exe. 24

25 Konfigurační soubory programu SIPS Programový systém SIPS rozlišuje dva druhy konfigurace: Globální konfigurace, společná pro všechny uživatele. Konfigurace s individuálními nastaveními jednotlivých uživatelů. Globální konfigurace definuje, jaký hardware bude program SIPS používat a pomocí jakých ovladačů k němu bude přistupovat. Tyto informace jsou uloženy v textovém souboru sips.ini, který musí být umístěn na stejném místě, jako je hlavní spustitelný soubor sips.exe. Struktura souboru je velmi jednoduchá: [Camera] Gx Camera on USB = gxusb.dll Gx Camera on Ethernet = gxeth.dll Legacy G2 camera = g2ccd2.dll ASCOM Camera = ascom_camera.dll [GPS] GarminUSB = gps18.dll NMEA = nmea.dll [Telescope] NexStar = nexstar.dll LX200 = lx200.dll ASCOM = ascom_tele.dll [Focuser] ASCOM = ascom_focuser.dll [Dome] ASCOM = ascom_dome.dll Jednotlivé sekce definují, které ovladače budou zavedeny a požádány o enumeraci všech připojených zařízení daného typu (CCD kamery, GPS přijímače, montáže dalekohledů). SIPS již obsahuje tento soubor obsahující odkazy na všechny ovladače zahrnuté do instalace. Tento soubor není modifikován programově, pokud je zapotřebí připojit nové zařízení, je nutné mimo nakopírování DLL souboru ovladače ručně tento soubor editovat. Uživatelská konfigurace je také uložena v souboru s názvem sips.ini, ale 25

26 každý uživatel má svůj soubor umístěný v adresáři \Documents and Settings\%user_name%\Application Data\SIPS\. V tomto souboru je uložena řada nastavení, např. pozice jednotlivých oken nástrojů na obrazovce a informace, jestli jsou otevřeny (zobrazeny), ale také preferovaný astrometrický katalog a parametry pro vyhledávání hvězd na snímcích a řada dalších. Ovladač kamer G0/G1 CCD pro SIPS SIPS je navržen pro práci s libovolnou CCD kamerou, pokud je pro tuto kameru nainstalován patřičný ovladač. Ovladač pro kamery G0/G1 CCD je zahrnut do instalace programu SIPS a není tedy nutné instalovat jej zvlášť. Oba modely kamer G0 i G1 používají společný ovladač 'gxusb.dll', pokud jsou připojeny přímo k řídicímu počítači přes USB, případně ovladač 'gxeth.dll', pokud jsou připojeny přes Gx Camera Ethernet Adapter. Společné ovladače pro všechny kamery série Gx byly zavedeny v programu SIPS verze 2.3, předchozí verze programu SIPS používaly různé ovladače pro kamery G0/G1 a pro série G2/G3/G4. Kamery G0 a G1 pracovaly s ovladačem 'g1ccd.dll', ale ten byla nahrazen společným ovladačem 'gxusb.dll'. Kamery G0 jsou podporovány počínaje verzí 2.0 programu SIPS. Předchozí verze programu kamery G0 nepodporovaly. Ovladač kamer řady G0/G1 nevyžaduje žádnou konfiguraci. Dokáže rozpoznat všechny kamery G0 a G1 a poskytnout nezbytné informace programu SIPS. Připojení kamery Připojení kamery je velmi snadné. Kamera se připojuje k USB portu řídicího počítače jediným USB kabelem. Indikace stavu kamery Těsně vedle USB konektoru na těle kamery je dvoubarevná svíticí dioda (LED). Tato dioda svítí pouze během inicializace kamery, aby její světlo nerušilo pozorování. 26

27 Inicializace kamery je zakončena signalizací rychlosti připojení USB portu, se kterým kamera momentálně pracuje: USB 2.0 High Speed (480 Mbps) je signalizováno 4 krátkými zelenými bliknutími. USB 1.1 Full Speed (12 Mbps) je signalizováno 4 krátkými červenými bliknutími. Práce s více kamerami K jednomu počítači může být připojena řada kamer, ať již přímo na USB porty počítače nebo přes USB rozbočovač. Operační systém přiřadí každému připojenému USB zařízení unikátní jméno. Toto jméno je velmi komplexní obsahuje mimo jiné globálně unikátní identifikátor (GUID) ovladače, identifikaci USB portu a rozbočovačů apod. Tato jména jsou určena k odlišení USB zařízení uvnitř operačního systému, nikoliv aby byla srozumitelná pro uživatele. Obr. 5: Identifikátor (číslo) kamery v závorkách za jménem kamery v programu SIPS Uživatelé ale potřebují jednotlivé kamery vzájemně rozlišit například jedna kamera má být použita pro zobrazování, druhá pro vedení montáže. Z tohoto důvodu má každá kamera přiřazeno unikátní číslo (identifikátor). 27

28 Toto číslo je gravírováno na těle kamery a je také zobrazeno v seznamu připojených kamer v nástroji CCD Camera programu SIPS. Tato identifikace umožňuje uživatelům zvolit konkrétní kameru. 28

29 Práce s kamerou Práce s kamerou závisí na použitém ovládacím software. Vědecké CCD kamery zpravidla nemohou pracovat bez připojení k řídicímu počítači a kamery G0 a G1 CCD také potřebují k práci PC s nainstalovaným software. Kamera samotná nemá žádný display, tlačítka nebo jiné ovládací prvky. Na druhé straně veškeré funkce kamery mohou být ovládány programově, takže kamera může být provozována v robotických sestavách, pracujících bez zásahu člověka. Zapojte kameru do USB portu počítače a spusťte program SIPS. Otevřete okno nástroje CCD Camera (z menu Tools vyberte položku CCD Camera... nebo klikněte na tlačítko v liště s nástroji). Jméno kamery (např. G ) bude zobrazeno v titulku okna nástroje CCD Camera. Pokud byl program SIPS spuštěn před připojením kamery, SIPS kameru nerozezná a je nutno obnovit seznam připojených kamer. Zvolte záložku Camera a klikněte na tlačítko Scan Cameras. Připojená kamera se zobrazí ve stromu kamer. Vyberte ji (klikněte na její jméno myší celý řádek se zvýrazní) a poté klikněte na tlačítko Select Camera. Pokud se vaše kamera nezobrazí ve stromu připojených kamer, prověřte následující body: 1. Zkontrolujte USB kabel ubezpečte se, že oba konce jsou pevně zasunuty v konektorech počítače (nebo USB rozbočovače) a v hlavě kamery. 2. Zkontrolujte, že systémový ovladač kamery je správně nainstalován (postup je uveden v kapitole Instalace ovladače kamery ). Kamera a dalekohled CCD kamera potřebuje nějaký optický systém, aby mohla zachycovat skutečné obrazy. K jakému dalekohledu nebo objektivu lze kameru připojit závisí na použitém adaptéru. Okulárový adaptér 1,25" dovoluje připojit 29

30 kameru k většině astronomických dalekohledů. CCTV objektiv s C-závitem nebo malý refraktor jsou jsou nejlepší optické systémy pro první experimenty s kamerou. Pokud pro první testy použijete větší dalekohled v místnosti, ubezpečte se, že dalekohled dokáže zaostřit na relativně blízké předměty. Řízení teploty Následující kapitoly jsou jen letmým popisem ovládání kamery v prostředí programu SIPS (Scientific Image Processing System), dodávaným spolu s kamerou. V uživatelské příručce programu SIPS lze nalézt podrobný popis funkcí tohoto programu. Kamery řady G0 a G1 nemají aktivní chlazení CCD čipu, což znamená že teplota CCD nemůže poklesnout pod teplotu okolí. Napájení z USB připojení neposkytuje dostatek výkonu k provozu termoelektrického Peltiérova článku. Nicméně v těle kamer G1 je zabudován malý ventilátor, který vyměňuje vzduch v hlavě kamery a odvádí teplo generované elektronikou kamery a CCD čipem. Teplota CCD snímače tak může být snížena o mnoho stupňů v porovnání s kamerou s uzavřeným pláštěm. Tepelný šum CCD tak může být snížen dva a více krát. Obr. 6: Záložka Cooling nástroje CCD Camera 30

31 Práce ventilátoru může být řízena ze záložky Cooling nástroje CCD Camera. Ovládací prvky jako Set Temperature nemohou být nastavovány, pokud je připojena kamera G1, ale volba Fan On/Off dovoluje zapínat a vypínat ventilátor. Kamery G0 nejsou ventilátorem vybaveny jeho zapínání a vypínání nemá u těchto kamer žádný vliv. Nástroj CCD Camera také zobrazuje historii teploty CCD čipu za posledních 20 minut. Hodnota Supply voltage nezobrazuje napájecí napětí USB kabelu, ale hodnotu jednoho z interních napájecích napětí. Toto napětí by se mělo pohybovat mezi 14 a 15 volty. Pokud poklesne pod 13,5 V, napájení z USB kabelu je nedostatečné. Pak je nutno použít kratší USB kabel nebo kabel se silnějšími napájecími žilami. Hodnota Supply voltage není u kamer G0 měřena. První snímky Vlastní snímání obrazů je řízeno ze záložky Exposure nástroje CCD Camera programu SIPS. Obr. 7: Záložka Exposure nástroje CCD Camera Před pořízením prvního snímku je nezbytné nastavit několik parametrů. 31

32 Nejprve je nutné zvolit typ snímku z výběrového boxu Exposure vyberte Light. Poté je nutno zadat expoziční čas Time. Pokud experimentujete s kamerou za dne, je možné začít s expozicí 0,01 sekunda. Nezapomeňte prohlédnout volby expozice v pravé části záložky Exposure. Zaškrtněte volby Open new Light image window a Overwrite image in selected window, ostatní volby ponechte nezaškrtnuté (neplánujeme přeci ukládat první pokusné snímky na disk). Poté klikněte na tlačítko Start Exposure. Kamera otevře závěrku, provede 1 s dlouhou expozici a závěrku uzavře. Poté snímek přenese do počítače. Snímek je zobrazen v nově otevřeném okně. Pokud to je první snímek, zřejmě bude vzdálen dobře zaostřenému obrazu. Upravte zaostření dalekohledu a zkuste novou expozici. Povšimněte si, že volby ovlivňující zpracování nového obrazu na pravé straně této záložky se mění s každým typem expozice. SIPS si volby pamatuje separátně pro každý typ snímků. Tak je možné definovat zvláštní adresář pro normální snímky, jiný pro temné snímky, další pro plochá pole apod. Vždy se ubezpečte, že volby zpracování snímků jsou před zahájením expozice správně nastaveny. Pokud zvolíte Dark z výběrového řádku Exposure (volby zpracování snímku na pravé straně se změní ubezpečte se, že jsou dobře nastaveny), SIPS vás vyzve k zakrytí dalekohledu nebo objektivu, protože kamery G1 nejsou vybaveny mechanickou závěrkou. Obraz reprezentuje tepelný šum, generovaný samotným CCD čipem, kombinovaný se čtecím šumem kamery. Temné snímky jsou odečítány od normálních snímků během kalibrace, aby byl tepelný šum ze snímku pokud možno odstraněn. Jas a kontrast jasová škála snímků Dynamický rozsah kamer G0/G1 CCD zabírá úrovní. Pouze snímek perfektně osvětlené a ideálně exponované scény by ale obsahoval pixely s tímto dynamickým rozsahem. Obvykle užitečný signál vyplňuje jen zlomek tohoto rozsahu. Například pozadí obrazu (má být černé) má hodnoty kolem 500 jednotek a nejjasnější partie (mají být bílé) např jednotek. Pokud černé a bílé přiřadíme plný dynamický rozsah (0 až ), obraz s rozsahem od 500 do jednotek bude zobrazen v jen temných šedích. Proto musí být rozsah jasů před zobrazením natažen. 32

33 Otevřete okno nástroje Histogram and Stretch. Obr. 8: Nástroj Histogram and Stretch Přesný význam grafu histogramu je vysvětlen v uživatelské příručce programu SIPS. Nyní pouze zkuste manipulovat s hodnotami Low a High, ať již v editačních řádcích nebo myší pomocí posuvných lišt. Pozorujte jak se vzhled obrazu mění při změně těchto hodnot. Nejlepší hodnoty pro Low a High jsou následující: Low hodnota by měla odpovídat požadované úrovni černé. Všechny pixely s hodnotou nižší než Low budou zobrazeny černě. Hodnota High reprezentuje v obraze bílou a všechny pixely s hodnotou vyšší nebo rovnou High budou zobrazeny bíle. Podobné úpravy bývají obvykle nazývány úpravy jasu a kontrastu. Jas je měněn, pokud se pohybují oba limity Low i High současně nahoru a dolů. Vyzkoušejte tento pohyb pomocí nejnižší posuvné lišty. Kontrast je měněn, když se mění vzdálenost Low a High hodnot. Zkuste jejich vzájemnou vzdálenost zmenšit a zvětšit. Astronomové potřebují přesnou kontrolu hodnot Low a High a termíny jas a kontrast tedy nejsou v programu SIPS používány. Kalibrace Pokud provádíte krátké expozice jasných objektů, poměr signál/šum je 33

34 velice vysoký. Artefakty způsobené vlastním CCD čipem (horké/chladné pixely nebo tepelný šum) obraz prakticky neovlivňují. Všechny efekty nerovnoměrně osvětleného pole, tepelného šumu apod. výrazně degradují snímky, pokud jsou exponovány slabé objekty po dobu mnoha minut. Z těchto důvodů by měl být každý CCD snímek kalibrován. Kalibrace se skládá ze dvou kroků: 1. Odečtení temného snímku (dark frame) 2. Aplikace tzv. plochého pole (flat field) Kalibraci obrázků podporuje nástroj Calibration programu SIPS. Syrový snímek přečtený z kamery obsahuje nejen požadovanou informaci (obraz snímaného objektu), ale také tepelný šum CCD čipu. Jasnější pozadí v levém horním rohu snímku, které se objevuje na delších expozicích za slabého osvětlení, je způsobeno elektroluminiscencí výstupního zesilovače CCD čipu. Tento artefakt je pro použité CCD snímače typický a není problém jej odstranit odečtením temného snímku. Obr. 9: Syrový obrázek přečtený z kamery Temný snímek je exponován se stejnou expoziční dobou a stejnou teplotou CCD čipu. Protože horké pixely jsou vždy méně stabilní než normální pixely, je velmi vhodné exponovat více temných snímků (alespoň 5) a vytvořit jeden temný snímek jako jejich průměr nebo lépe medián. 34

35 Obr. 10: Temný snímek odpovídající snímku nahoře Poté je nutné temný snímek odečíst od syrového snímku. Tato operace odstraní většinu horkých (jasných) pixelů a také jasový gradient způsobený elektroluminiscencí výstupního zesilovače CCD čipu. Obr. 11: Snímek s odečteným temným snímkem Kalibrace CCD obrazů je plně popsána v uživatelské příručce programu SIPS. Podívejte se do kapitol Introduction to CCD Imaging a Calibrate Tool na popis kalibrací v teorii a v praxi. 35

36 Barevné snímky Barevné snímky mohou být pořízeny kamerou s monochromním snímačem s pořízením tří expozic přes červený, modrý a zelený filtr. Tento způsob používají profesionální astronomové z řady důvodů monochromní CCD detektory jsou mnohem citlivější (špičkové CCD snímače s kvantovou účinností přes 80 % jsou k dispozici pouze v monochromní variantě), před monochromní snímač lze představit libovolný filtr (např. úzkopásmové filtry, IR nebo UV filtry apod.), monochromní CCD dovolují používat binning, časově zpožděnou integraci (TDI) apod. Kamery G2/G3/G4 jsou vybaveny filtrovým kolem (ať již uvnitř hlavy kamery nebo externím), takže výměna filtrů mezi expozicemi je velice snadná. Při vývoji kamer G1 byly ale upřednostněny jiné cíle, takže neobsahují filtrové kolo a výměna filtrů zašroubovaných do adaptéru pro dalekohled je poměrně pracné. Také vyžaduje po výměně nové zaostření apod. Poznamenejme, že v některých situacích je snímání přes barevné filtry téměř nemožné. Například pokud snímáme rychle se měnící scény, jako je třeba zákryt planety Měsícem, rychle se pohybující kometa atd. Pak není čas pořídit separátní snímky přes filtry, protože scéna se mezi jednotlivými expozicemi mění. Není tedy možné složit červený, zelený a modrý snímek do výsledného barevného snímku. Použití kamery s barevným CCD snímačem je v takových případě nezbytné. Barevné CCD snímače mají červené, zelené a modré filtry aplikovány přímo na jednotlivé pixely. Kamery G0/G1 CCD mohou být vybaveny těmito snímači, jméno kamery je pak následováno písmenem C (z anglického slova Color ). 36

37 Obr. 12: Schema CCD snímače s barevnými filtry Každý pixel registruje světlo pouze určité barvy (červené, zelené nebo modré). Barevný snímek ale obsahuje informaci o všech barvách v každém pixelu. Je tedy nezbytné dopočítat ostatní barvy z hodnot okolních pixelů. Pokrytí pixelů touto barevnou maskou a následné dopočítávání chybějících barev bylo vynalezeno panem Bayerem, pracujícím u firmy Kodak. Proto se tato barevná maska nazývá Bayerova maska a proces dopočítávání chybějících barev se označuje jako debayerizace. Existuje řada způsobů jako dopočítat chybějící barvy jednotlivých pixelů od jednoduchého rozšíření barev do okolních pixelů (tato metoda vede k obrázkům s viditelnými barevnými chybami) přes přesnější metody bilineární nebo bikubické interpolace okolních pixelů až po sofistikované víceprůchodové metody grupování pixelů apod. Samotné kamery G0 a G1 debayerizaci neprovádějí. Syrový snímek je vždy předán do řídicího počítače a zpracován programy běžícími na PC. Je také možné debayerizaci zcela vynechat a uložit přímo syrový snímek k pozdějšímu zpracování jiným programem. SIPS obsahuje bilineární filtr pro debayerizaci. Je možné filtr použít bezprostředně při stažení snímků z kamery (pak je přímo zobrazen a 37

38 případně uložen barevný snímek, syrový monochromní snímek není vůbec zobrazen) nebo aplikovat filtr kdykoliv později. Debayerizace snímku může být provedena z nástroje Image Transform (otevírá se kliknutím na tlačítko v nástrojové liště nebo volbou Image Transform z menu Tools ). Volba Debayer new images dovoluje bezprostřední debayerizaci přečtených z CCD kamery. Tlačítko debayerizaci momentálně vybraného obrazu. provede Bayerova maska zobrazená na schematickém obrázku začíná modrým pixelem. Neexistují ale obecná pravidla, stanovující barvu prvního pixelu v principu může maska začínat zeleným pixelem z modro-zeleného řádku, ale také zeleným pixelem ze zeleno-červeného řádku nebo červeným pixelem. Neexistuje způsob, jak určit organizaci barevné masky za samotného surového snímku. Proto nástroj Image Transform obsahuje dvě volby nazvané Bayer X odd a Bayer Y odd. Kombinace těchto voleb dovoluje zvolit jednu ze čtyř možností organizace Bayerovy masky na konkrétním CCD čipu. Stav voleb Bayer X odd a Bayer Y odd je vždy nastaven v závislosti na aktuálně připojené CCD kameře podle informací poskytnutých jejím ovladačem. Jejich ruční nastavení je nezbytné jen pokud je syrový snímek načten z disku a je nutné jej zpracovat bez připojené kamery. Špatný stav těchto voleb má za následek chybné dopočítání barev. Správné nastavení může být snadno zjištěno metodou pokus-omyl. Ale debayerizace zničí původní surový snímek takže je nezbytné jej vždy před zahájením pokusů uložit. Je také nutné mít na paměti, že nastavení voleb Bayer X odd a Bayer Y odd se musí změnit, pokud jsou s obrazem prováděny jakékoliv geometrické transformace (např. zrcadlení nebo rotace). Některé transformace (např. soft-binning nebo zvětšení) není možné na syrovém snímku vůbec provádět. Je vždy lepší obraz nejprve debayerizovat a poté transformovat. Také sčítání (skládání) syrových snímků zcela zničí barevnou informaci. Algoritmus registrace snímků posouvá obraz o pixely nebo zlomky pixelů bez ohledu na to, zda-li jsou pixely červené, zelené nebo modré. Obrazy musí být nejprve debayerizovány a až poté skládány. 38

39 Vyvážení barev Citlivost CCD čipu na červenou, zelenou a modrou barvu je rozdílná. To znamená, že expozice rovnoměrně osvětleného bílého povrchu nevytvoří v pixelech pokrytých barevnými filtry stejný signál. Obvykle pixely s modrým filtrem nashromáždí méně světla (CCD má menší kvantovou účinnost pro modrou barvu) než pixely se zeleným nebo červeným filtrem. Výsledkem je více či méně nažloutlý obraz (žlutá je kombinace zelené a červené barvy). Výše popsaný efekt je nutné kompenzovat vyvážením bílé barvy. Vyvážení bílé barvy lze provést zjasněním méně intenzivní barvy (nebo ztmavením více intenzivní barvy), aby bylo dosaženo barevně neutrálního zobrazení bílé barvy nebo šedých tónů. Obvykle je jedna barva považována za referenční (např. zelená) a další barvy (červená a modrá) jsou zesvětleny nebo ztmaveny aby jejich zastoupení v obrazu odpovídalo zelené barvě. Automatické vyvážení bílé barvy může být relativně snadné u normálních snímků, u kterých jsou všechny barvy v obraze zastoupeny rovnoměrně. Ale automatické vyvážené je téměř nemožné u snímků objektů hlubokého vesmíru. Například uvažme obraz emisní mlhoviny, u něhož zcela dominuje temně červená barva emisí vodíku (H-alfa) jakýkoliv pokus zjasnit zelenou a modrou složku aby výsledný obraz byl barevně neutrální vede k naprosto chybnému zobrazení barev. Astronomické snímky jsou prakticky vždy barevně vyvažovány manuálně. Jak již bylo popsáno v kapitole Jas a kontrast jasová škála snímků, obraz může být vizuálně zjasněn změnou limitů rozsahu jasů. Program SIPS nabízí nástroj Histogram and Stretch, který dovoluje měnit křivku jasů individuálně pro červenou, zelenou a modrou barvu. Obr. 13: Nástroj Histogram and Stretch ukazuje histogram pro jednotlivé barvy 39

40 Automatická pointace Žádná montáž hvězdářského dalekohledu není natolik precizní, aby udržela obraz hvězd perfektně kruhový během dlouhé expozice bez korekcí jejího chodu. Astronomické CCD kamery a digitální zrcadlovky dovolují pořizovat perfektně ostré snímky s vysokým rozlišením, takže i malá nepravidelnost v chodu montáže se projeví deformací obrazu hvězd. Kamery G0 a G1 CCD byly navrhovány speciálně pro automatické pointování montáží astronomických dalekohledů. Kamery G0 a G1 nemají mechanickou závěrku, filtrové kolo, ani jinou pohyblivou součást (s výjimkou magneticky levitujícího ventilátoru použitého u kamer G1). Elektronická závěrka dovoluje velmi krátké expozice a rovněž bez problémů zvládne pořízení tisíců snímků během krátké doby, což je nezbytné pro kvalitní pointaci. CCD čip použitý v kamerách G0 a G1 je dosti citlivý, aby zachytil i slabé hvězdy během několika sekund. Mezní magnituda kamer G0 a G1 je mnohem vyšší v porovnání i s těmi nejcitlivějšími TV nebo web kamerami. Kamery G0 a G1 pracují ve spolupráci s počítačem (PC). Korekce chodu montáže nejsou počítány ve vlastní kameře, ta jen odesílá snímky do řídicího počítače. Software pracující v PC poté spočítá rozdíl od požadovaného stavu a pošle korekce montáži dalekohledu. Výhodou použití PC k výpočtu korekcí je skutečnost, že současné počítače disponují výpočetním výkonem, který o mnoho řádů přesahuje výkon i toho nejlepšího procesoru zabudovaného v kameře. Algoritmy pointace pak mohou určit centroid hvězdy se sub-pixelovou přesností, mohou srovnávat více hvězd a tím omezit vliv seeingu apod. Vypočítané korekce mohou být odeslány zpět montáži prostřednictvím komunikační linky mezi montáží a PC, ale mnohem přesnějšího vedení může být dosaženo použitím tzv. Autoguider portu. Stačí spojit kameru G0 nebo G1 s montáží 6 žilovým kabelem a řídit montáž prostřednictvím kamery. 40

41 Obr. 14: Spodní strana kamer G0 a G1 s USB a Autoguider konektorem Autoguider port odpovídá de-facto standardu zavedenému automatickým pointerem SBIG ST-4. Význam pinů v konektoru je následující: 1. R.A. + (vpravo) 2. Dec + (nahoru) 3. Dec (dolů) 4. R.A. (vlevo) 5. Společný pól (zem) 6. Nezapojeno 41

42 Maximální proud, který může každý pin svést, je u kamery G0 a G1 100 ma. Pokud montáž nepracuje s těmito signály jako s logickými hodnotami, ale např. jejich prostřednictvím spíná přímo motory, mezi kameru a montáž musí byt vložen reléový člen. Relé pak dokáží spínat proud požadovaný montáží Pointace s programem SIPS V programu SIPS jsou implementovány dva pointační algoritmy.: Pointování na jedinou hvězdu. PC počítá centroid nejjasnější hvězdy na obraze pořízeném pointační kamerou. Pozice hvězdy je určena s přesností zlomků pixelu, takže pointace je velmi přesná i pokud je použit dalekohled s relativně krátkou ohniskovou vzdáleností. Pointování astrometrií snímku. PC provádí v zásadě stejné výpočty jako při sesazování řady expozic se sub-pixelovou přesností nebo při astrometrické redukci snímku. Řada trojúhelníků je vytvořena z nejjasnějších hvězd a ty jsou sesazeny s trojúhelníky na referenčním snímku. Ačkoliv srovnávání trojúhelníků vyžaduje minimálně tři hvězdy detekované na pointačním snímku a je tedy vhodné spíše pro dalekohledy s kratším ohniskem nebo pro na hvězdy bohatá zorná pole, posun obrazu je vyhodnocován z více hvězd a je tedy méně citlivý na náhodné odchylky jako je např. seeing apod. Program SIPS může korigovat chod montáže přes komunikační kabel spojující počítač s montáží (např. přes Meade LX-200 nebo Celestron NexStar protokol), takže není nutné používat kabel v autoguider portu. Ale specializované zařízení, jako je pointační kamera, dokáže ovládat montáž s mnohem vyšší přesností ve srovnání s řízením přes sériovou linku. Sériová linka (rozhraní COM) do komunikace zavádí poměrně značná zpoždění a tím limituje přesnost pointace. SIPS dovoluje ovládání připojených kamer v nástroji CCD Camera. Tento nástroj dovoluje výběr dvou kamer jednu pro zobrazování a druhou pro pointaci. Neexistují žádná omezení která kamera má být použita pro zobrazování a která pro pointaci. Každá kamera, která může pracovat v programu SIPS, může být použita pro zobrazování i pro pointování (kamery jsou voleny v záložce Camera tohoto nástroje viz. podkapitola Práce s 42

43 více kamerami kapitoly Začínáme v této příručce). Automatická pointace je poměrně komplikovaný proces a na jedné straně vyžaduje řadu zadaných parametrů, na druhé straně poskytuje uživateli řadu informací o odchylkách montáže, spolehlivosti pointace apod. Z těchto důvodů obsahuje nástroj CCD Camera dvě záložky týkající se pointace: Záložka Guiding Setup dovoluje definici parametrů pointace jako např. podrámec v obraze, expoziční doba, binning, kalibrační parametry apod. Záložka Guiding samtná dovoluje automatickou pointaci spouštět a zastavovat, kalibrovat parametry pointace, zobrazovat historii korekcí montáže a také záznam aktivity pointeru apod.. Záložka Guiding Setup nástroje CCD Camera V programu SIPS jsou implementovány dva algoritmy detekce odchylek: Pointace podle jedné hvězdy. Počítač zjistí centroid (těžiště jasu) nejjasnější hvězdy na snímku pořízeném pointační kamerou. Pozice centroidu je spočítána s přesností zlomku pixelu, takže pointace může být velice přesná i pokud je použit dalekohled s krátkou ohniskovou vzdáleností. Pointace astrometrickou redukcí. Počítač provádí v principu stejné operace jako v případě sub-pixelového skládání více expozic nebo při astrometrické redukci. Řada trojúhelníků sestavených z nejjasnějších hvězd je sesazována s trojúhelníky na referenčním snímku. Ačkoliv astrometrická redukce vyžaduje alespoň tři hvězdy v poli a je tedy vhodná spíše pro dalekohledy s kratšími ohnisky, posun montáže je počítán z pozic řady hvězd a je tedy méně citlivý na náhodné chyby jako např. seeing, stopy po částicích v obraze apod. Na druhé straně je tato metoda mnohem náročnější na výkon procesoru počítače. 43

44 Obr. 15: Záložka Guiding Setup nástroje CCD Camera Význam jednotlivých parametrů je následující: Guider read mode: čtecí mód pointační kamery (povoleno pouze pokud pointační kamera nabízí více čtecích módů). Guide using: odovoluje zvolit způsob ovládání montáže přes Autoguider port kamery nebo prostřednictvím rozhraní mezi montáží a počítačem. Použití prvního způsobu je velmi doporučované. Position detection: určuje způsob detekce posunu montáže. Dovoluje volbu mezi jednou (nejjasnější) hvězdou v poli a astrometrickou redukcí snímku. Exposure time: expoziční čas snímků pointační kamery. Settle time: prodleva mezi dokončením korekčního impulsu a začátkem další expozice. R.A. scale:, R. A. angle: and Dec. scale:, Dec. angle: kalibrační parametry. Tyto parametry jsou vyplněny automaticky po úspěšné kalibraci. 44

45 R.A. backslash:, Dec. backslash: čas, po který má SIPS pohybovat montáží navíc k vypočítanému času korekčního pulsu, pokud je směr pohybu opačný vzhledem k předchozímu pohybu. Aggressivity: korekční puls může být zkrácen oproti vypočítané délce. Nastavení tohoto parametru kolem 80% eliminuje přeběhy korekčních pohybů. Binning: slévání pixelů snímků. Pokud použitá pointační kamera nepodporuje binning, slévání bude provedeno programově. Frame x, y:, Frame w, d: část snímku, která má být použita pro pointaci. Pokud použitá pointační kamera dovoluje vyčítání částí snímků, bude přečtena pouze požadovaná část. Jestliže kamera vyčítání částí snímků nepodporuje, snímek bude přečten celý a oříznut na požadovanou část programově. Definice rámce dovoluje vyhledávání hvězd pouze na část zorného pole, vyřadit nechtěnou jasnou hvězdu apod. Poznamenejme že volba správného pod-rámce kolem vybrané pointační hvězdy je zcela zásadní pro spolehlivou pointaci. Podrámec musí být dosti malý, aby se v zorném poli neobjevila hvězda podobné (nebo větší) jasnosti a současně dosti velký, aby se vybrané hvězda udržela v poli po největší odchylce montáže. Pod-rámec není prakticky nikdy nastavován vyplňováním těchto editačních řádků. Je mnohem snadnější na snímku označit podrámec myší a použít nástroj vybíracího rámečku. k definici pod-ráme podle Cal. pulse: délka pulsu používaná pro kalibraci pointační kamery. Puls by měl být dosti dlouhý, aby způsobil dobře měřitelný posun hvězd, a dosti krátký, aby zvolená hvězda neopustila vybraný snímek nebo jeho část. Max. pulse: maximální délka pulsu, která bude ještě považována chybu montáže. Pokud se např. v poli objeví stopa po částici jasnější než pointační hvězda, SIPS nepřesune montáž pokud vzdálenost tohoto bodu přesáhne dobu definovanou zde. Příkazová lišta obsahuje následující příkazy: přečíst obraz z pointační kamery. Poznamenejme, že snímek 45

46 je zobrazen, pouze pokud je zvolena volba Open guider image in window. přečíst temný snímek z pointační kamery. Pokud má být od pointačních snímků odečítán temný snímek, musí mít stejnou velikost. To znamená, že snímat temný snímek má smysl pouze pokud je již zvolen finální pod-rámec. Pořízení temného snímku v plné velikosti a následující omezení obrazu na pod-rámec způsobí že temný snímek nebude od pointačních snímků odečítán. načíst temný snímek ze souboru. Ukládání temných snímků do souboru má význam jen pokud není používán pod-rámec (viz. poznámka v předešlém bodě). vymazat temný snímek. Pokud je temný snímek exponován nebo načten ze souboru, tento příkaz jej vymaže a žádný temný snímek nebude od poitačních obrazů odečítán. kopírovat označovací rámeček na zvoleném obraze do souřadnic pod-rámce. Následující obraz přečtený z pointační kamery bude obsahovat pouze část definovanou v pod-rámci. vymazat pod-rámec. Následující obraz přečtený z pointační kamery bude mít plné rozlišení. definovat parametry pro hledání pointační hvězdy (hvězd). Příkaz otevře dialogové okno, které dovolí definici parametrů. Toto dialogové okno dovoluje definici tří čísel, velice důležitých 46

47 pro správnou funkci algoritmu vyhledávajícího hvězdy v poli. Aperture je průměr oblasti v pixelech, v níž je centroid vyhledáván. Obecně platí, že obraz hvězdy be se měl do této oblasti s rezervou vejít, jinak nebude hvězda rozpoznána. Příliš velký průměr na druhé straně obsahuje hodně pixelů nepatřících k hvězdě. Průměr 11 pixelů je dobrá hodnota pro dobře vzorkovaný obraz hvězdy. Standard deviation (směrodatná odchylka) je spočítána v ploše zvolené apertury a pokud je daný pixel nad průměrem apertury o zadaný násobek směrodatné odchylky, je považován za pixel příslušející obrazu hvězdy. Násobek 2 vyhovuje většině CCD snímků. K eliminaci horkých pixelů je vyžadováno, aby určitý minimální počet okolních pixelů (number of neighboring pixels) také splňoval předchozí podmínku. Požadavek na 3 sousední pixely nad limitem je dobrá hodnota, ale toto číslo může být zmenšeno u podvzorkovaných obrazů. Skupina voleb na spodní straně záložky definuje dodatečné možnosti pointace a zobrazení snímků přečtených z kamery.: Do not guide in declination způsobí, že korekční pulsy budou posílány pouze v rektascenzi, korekce v deklinacei nebudou prováděny. Do not move RA/Dec simultaneously způsobí spínání korekčních pulsů pouze v jedné souřadnici současně. To znamená že korekční puls v deklinaci začne až po ukončení korekčního pulsu v rektascenzi. Tato volba snižuje přesnost pointace, ale existují montáže, které takový přístup vyžadují. Pokud použitá montáž může posouvat obě osy současně, nikdy tuto volbu nepoužívejte. Open guider image in window otevře snímek pořízený pointační kamerou v novém okně. Overwrite image in selected window způsobí nahrazení obrazu v právě vybraném okně obrazem přečteným z pointační kamery. Pokud není žádné okno s obrazem vybráno, SIPS otevře okno nové. 47

48 Záložka Guiding nástroje CCD Camera Záložka Guiding je používána ke spouštění a zastavování pointace a k monitorování jejího průběhu. Obr. 16: Záložka Guiding nástroje CCD Camera První graf zobrazuje detekované odchylky mezi referenční pozicí hvězdy a detekovanou pozicí na pointačním snímku v rektascenzi a deklinaci. Protože různé montáže mají různou periodu šneku a stejně tak odchylky mohou být od zlomků pixelu po několik pixelů, časová historie grafu i rozsah zobrazených odchylek jde libovolně uživatelsky nastavovat. Následující textové pole obsahuje záznam akcí automatické pointace (průběh kalibrace, provedené zásahy apod.). Záznam může být uložen do textového souboru a analyzován, což může pomoci odhalit potenciální problémy při pointaci (např. záznam obsahuje informace o nenalezení pointační hvězdy pokud zrovna přešel mrak apod.). Volba Keep guide star at specified coordinates mírně mění způsob určení referenční pozice hvězdy. Normálně je na počátku pointace pořízen referenční snímek a z něj je určena pozice pointační hvězdy. Pozice zjištěné 48