Técnica e exemplos de aplicação para o binning de píxeis

Vários píxeis combinados

Os sensores CCD podem ser lidos de maneiras distintas, de modo a melhorar a relação sinal/ruído.

Os sensores CCD são utilizados de várias formas na astrofotografia. Dependendo da finalidade, as cargas desencadeadas podem ser lidas de forma diferente, a fim de melhorar a relação sinal/ruído (SNR), mas também para acelerar o processo de leitura. O método mais comum é o binning de píxeis.

O binning de píxeis refere-se à combinação dos sinais de vários píxeis adjacentes. Normalmente, são combinadas áreas quadradas de 2×2 ou 3×3 píxeis, o que corresponde, respetivamente, a binnings de 2 ou 3 vezes. Em troca, a resolução da fotografia é reduzida. Se isto é apropriado ou justificado, depende da situação.

O ruído numa imagem CCD tem várias causas. Para além das estatísticas puramente de fotões, parte do ruído provém da própria câmara. Além do ruído térmico, este surge durante a leitura e amplificação do sinal, e afeta cada pixel individualmente. A isto chama-se ruído de leitura. Olhando para uma área de 2×2 píxeis, este ruído ocorre sem o binning CCD para os quatro píxeis. Se os valores dos quatro píxeis forem posteriormente somados, o ruído dos píxeis soma-se à raiz quadrada da soma dos quadrados:

σtotal=σ12+σ22+σ32+σ42+

As quantidades σ1 a σ4 referem-se aos eletrões de ruído dos píxeis individuais e σtotal ao ruído de toda a área não discretizada. Assim, um eletrão de ruído por pixel torna-se dois eletrões após a adição. Assumindo que cada um dos quatro píxeis em consideração contém um eletrão de sinal de objeto, isto é linearmente somado até quatro eletrões. A SNR é assim 2:4.

O binning altera a sequência do processo. Antes de ocorrer a amplificação, as cargas acumuladas dos píxeis são somadas no registo. Assim, o ruído ocorre apenas uma vez. No exemplo anterior: um eletrão de ruído em comparação com quatro eletrões de sinal. Assim, a SNR do ruído de leitura de 1:4 é melhor por um fator de 2.

Muitos programas de processamento de imagem oferecem a opção de realizar posteriormente o binning. No entanto, este binning de software falha parte do efeito desejado. A SNR melhora, mas sem otimizar o ruído de leitura.

Com a ajuda do binning CCD, os passos de trabalho durante a fotografia do céu profundo podem ser simplificados e acelerados. Graças aos tempos de download e de leitura mais curtos, o foco aproximado com o binning 3×3 é muito rápido. Devido à melhor SNR, mesmo as nebulosas pouco luminosas tornam-se visíveis com apenas alguns segundos de tempo de exposição, o que simplifica o ajuste do recorte de imagem. Muitas vezes, o binning de 2 vezes é também utilizado na produção de composições LRGB. Isto aproveita o facto de os canais RGB servirem apenas para colorir a imagem e a nitidez estar contida na luminância. Portanto, uma resolução mais reduzida nos canais RGB não é percetível, razão pela qual neste caso se utiliza frequentemente o binning de 2 vezes, de modo a obter uma melhor SNR e a reduzir o “ruído de cor”.

Existem outras situações em que o binning é útil, especialmente na astronomia de medição: estas incluem, por exemplo, a busca por planetoides. Esta modalidade é particularmente exigente, pois os objetos mudam notavelmente a sua posição num espaço de tempo relativamente curto. Passados apenas alguns minutos, o objeto pode já ter-se deslocado de tal forma que tenha mudado de píxeis. Um tempo de exposição ainda maior não traz qualquer vantagem. Se o objeto for muito pouco luminoso, este pode ser invisível no ruído. Se o objetivo é medir planetoides muito pouco luminosos, o binning é uma solução possível, embora a redução da resolução associada torne a determinação da posição menos precisa.

O binning é também muito interessante para a espetroscopia, quando a imagem de uma fenda de luz é dividida nas cores espetrais. Para uma alta resolução espetral, apenas é relevante uma elevada taxa de amostragem ortogonal à fenda. Assim, os píxeis podem ser discretizados ao longo da imagem fendida sem perda de resolução, de modo a melhorar a SNR.

O gráfico mostra uma representação esquemática do modo de leitura normal à esquerda e com binning de 2 vezes à direita. Primeiro, 2×2 píxeis são uniformemente expostos com um disco da estrela e recolhem dez eletrões cada um. De seguida inicia-se o processo de leitura com a deslocação dos eletrões para o registo de leitura (vermelho). No terceiro passo começam as diferenças. Sem binning, as cargas para cada pixel são individualmente deslocadas em direção ao amplificador, para a direita. Com binning, a linha seguinte é imediatamente empurrada para o registo e acrescentada à primeira. Ao deslocar-se horizontalmente no registo, as cargas dos quatro píxeis são finalmente recolhidas no amplificador durante o processo de binning. Isto conclui o processo, enquanto a leitura dos píxeis individuais requer mais dois passos e, por isso, demora mais tempo.

Com os sensores de cor não é possível realizar um binning, uma vez que os píxeis adjacentes estão equipados com vários filtros coloridos, não podendo assim ser combinados de forma relevante. Mesmo quando os programas de processamento de imagem oferecem essa possibilidade, trata-se de um binning de software posterior.

Além disso, o chip CMOS geralmente não é adequado para o verdadeiro binning. Devido à sua estrutura básica, todos os píxeis são lidos e amplificados individualmente, pelo que existe inevitavelmente sempre ruído de leitura para cada pixel. Neste caso, o processo de leitura necessário para o binning não existe. Por conseguinte, a formação de píxeis em chips CMOS não provoca o efeito desejado de uma redução do ruído de leitura. Portanto, os chips CCD têm aqui uma clara vantagem.

Autor: Mario Weigand / Licença: Oculum-Verlag GmbH