Татарников Михаил Прохорович

Всероссийский конкурс научных работ
школьников
«Юниор»
Доклад «Исследование возможности
применения Web-камер для
астрономической съёмки».
Автор: Будаева Мария Вячеславовна
9 класс
Научный руководитель: Татарников Михаил Прохорович
г. Железнодорожный АШ «Вега»
2014 год.
Аннотация к докладу
«Исследование возможности применения Web-камер для астрономической
съёмки»
Цель работы
Исследовать возможность применения имеющихся у нас Web-камер
для фотографирования небесных объектов, изучить на практике этот процесс
и приобрести необходимый практический опыт.
Введение
В последнее время в системе Интернет появилось много информации о
фотографирование небесных объектов с помощью Web-камер. Плёночная
фотография отжила свой век и используется в настоящее время только для
решения узкоспециальных задач. Астрономы-профессионалы применяют для
этих целей специальные, дорогие цифровые камеры. Для любителей
астрономии такие камеры как правило не доступны и поэтому для них
актуально использование для этих целей не очень дорогих, широко
распространённых Web-камер. В данной работе представлен опыт работы с
такими камерами. Дана оценка возможностей и трудностей их применения с
телескопами и монтировками телескопов разного типа.
Содержание работы
В рамках работы первоначально произведена оценка возможности
применения широко распространённых ноутбучных Web-камер, а именно:
A4Tech PK-770G. Показано, что применение камер такого типа требует
конструирование и изготовление механических узлов для установки матрицы
камеры в фокальной плоскости телескопа, причём для телескопов разного
типа они могут быть разными. Рассмотрены варианты её работы с
телескопами и монтировками разного типа. В итоге определены проблемы и
трудности мешающие получению качественных цифровых изображений
небесных тел.
Далее произведена оценка использования для целей астрофотографии
специальных, недорогих Web-камер типа QHY 5-II-M и Digital Camera
MYscope 300T. Показано, что они дают возможность получать качественные
изображения небесных объектов даже с телескопами и монтировками самого
простого типа.
Заключение
Результаты этой работы открывают перед нами перспективы её
продолжения. Турбуленция, которая мешает получать качественные снимки
с камерами любого типа требует изучение и освоение известных методов
борьбы с ней. Запланирована дальнейшая работа автора в этом направление.
Оглавление:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Цели и задачи
Введение
Ход работы
Выводы.
Заключение
Список литературы
1) Цели и задачи
В последнее время в системе Интернет появилось много информации о
фотографировании небесных объектов с помощью Web-камер. Задача моего
исследования оценить возможность применения для этих целей имеющихся у
нас Web-камер, изучить на практике этот процесс и приобрести необходимый
практический опыт.
2) Введение
Web-камера - это функциональное устройство, с помощью которого
можно провести фиксацию предмета в действии реального времени.
Светочувствительный сенсор (матрица) - это своего рода сердце любой
цифровой камеры. Именно он позволяет преобразовывать свет в
электрические сигналы, доступные для дальнейшей электронной обработки.
Основной принцип действия сенсоров одинаков: под воздействием света в
полупроводниковых материалах рождаются носители заряда, которые
впоследствии преобразуются в напряжение. Различие между ПЗС- и КМОПсенсорами заключается прежде всего в способе накопления и передачи
заряда, а также в технологии преобразования его в аналоговое напряжение.
Не вдаваясь в подробности конструкции различных типов сенсоров, отметим
лишь, что КМОП-сенсоры являются значительно более дешевыми в
производстве, но и более «шумными».
Принцип работы Web-камеры схож с принципом работы любой
цифровой камеры или фотоаппарата. Кроме оптического объектива и
светочувствительного ПЗС- или КМОП-сенсора обязательным является
наличие аналого-цифрового преобразователя (АЦП), основное назначение
которого — преобразовывать аналоговые сигналы светочувствительного
сенсора (то есть напряжение) в цифровой код. Кроме того, необходима
система цветоформирования. Другим важным элементом камеры является
схема, отвечающая за сжатие данных и подготовку к передаче в нужном
формате. В Web-камерах видеоданные передаются в компьютер по USBинтерфейсу, то есть заключительной схемой камеры должен быть контроллер
USB-интерфейса. Как правило, помимо получения видео веб-камеры могут
производить фотосъемку.
Что касается существующих типов веб-камер, то их классификация
основывается на сфере применения устройств:
•
•
•
•
Камера для удаленного мониторинга
Веб-камера для ноутбука
Имиджевые камеры
Камера для общения посредством интернета
Из всех вышеперечисленных типов камер у нас в наличии были
ноутбучные камеры, а именно: A4Tech PK-770G. С ними мы и решили начать
первые эксперименты. Эта камера имеет следующие характеристики:
• Тип сенсора – 1/6 CMOS 640x480 pixels
• Интерфейс – USB 2,0
• Фотосъёмка – 0,3 МПикс, с возможностью интерполяции до 16
МПикс
• Видеосъёмка - 0,3 МПикс, с возможностью интерполяции до 16
МПикс
Изображение на матрице Web-камеры строится с помощью её
штатного объектива. При использовании камеры для астрофотосъёмки
необходимо демонтировать его, так как изображение небесного объекта на
матрице камеры должен строить объектив телескопа. При этом для
получения резкого изображения плоскость матрицы камеры должна
совпадать с фокальной плоскостью объектива телескопа.
3) Ход работы
Для первых экспериментов мы решили использовать телескопрефлектор «Мицар». Характеристики «Мицара» следующие:
•
•
•
•
Оптическая схема - рефлектор Ньютона
Диаметр главного зеркала D=110 мм
Фокусное расстояние F=805,85 мм
Относительное отверстие (D/F)=1:7,3
У данного телескопа фокальная плоскость находится практически
внутри трубы телескопа и поэтому, чтобы совместить её с плоскостью
матрицы камеры пришлось, демонтировать окулярный узел телескопа и
изготовить свой узел для фокусировки Web-камеры. В условиях небольших
возможностей нашей механической мастерской изготовить качественный
узел мне не удалось, а испытания изготовленного узла (по наземным
объектам) показали большие трудности с наводкой на резкость и, поняв это,
мы отказались от идеи использования «Мицара».
Для дальнейших исследований мы решили использовать телескопрефрактор Тал-100rs
•
•
•
•
•
Оптическая схема – рефрактор
Диаметр объектива D=100 мм
Фокусное расстояние F=1000 мм
Относительное отверстие (D/F)=1:10
Разрешающая способность b=1.4 угл. сек
Камера крепилась к окулярному узлу телескопа и, как казалось, здесь не
будет проблем с фокусировкой. Труба телескопа крепилась к монтировке
Мицара, что позволяло делать плавные смещения изображения объекта в
фокальной плоскости телескопа. Недостатком установки было отсутствие
видоискателя, поэтому приходилось устанавливать окуляр для наводки на
объект, потом снимать его и устанавливать камеру и в случае необходимости
многократно повторять эти операции. Зимой чистое небо бывает, как
правило, в морозную погоду. Именно в такой, очень морозный день я и
провела первые испытания. Луны не было, поэтому наблюдала Юпитер. В
процессе фотографирования стало ясно:
1. Необходим видоискатель.
2. Любая попытка поработать винтами тонкой наводки приводит к пляске
объекта на экране монитора, причём с изменением резкости объекта.
3. Любая попытка наведения на резкость создаёт аналогичную картину.
4. Не увенчались успехом попытки программно изменить длительность
выдержки, яркость объекта даже при минимальной выдержке была очень
высокой.
5. При таком морозе очень быстро разряжаются аккумуляторы ноутбука.
Итак, мы поняли, что использовать данную монтировку проблематично
из-за дрожания объекта. Зато полученное изображение Юпитера с
Ганимедом дало мне возможность посчитать угловой размер участка неба
вмещающийся на матрицу камеры, т.е. поле зрения камеры:
В программе «Планетарий» я определила угловое расстояние между
Юпитером и Ганимедом на дату и время наблюдений. Оно равнялось 2.0
угловым минутам. Зная линейное расстояние Ганимеда от Юпитера, я
определила, что матрица вмещает угловой размер неба 11х8 минут.
Мы решили продолжить работу с ТАЛ-100rs, установив на его трубу
видоискатель от телескопа «Мицар». По разным причинам провести
испытания удалось только в августе. Наблюдать стало намного удобнее, но
Луна очень яркий объект и маленький диапазон программного изменения
выдержки не позволил получить желаемых результатов. Требовалось
применение ослабляющих нейтральных фильтров.
Дальнейшие эксперименты с этой камерой мы решили проводить,
используя зеркально-линзовый телескоп Речи-Кретьена с диаметром зеркала
400 мм, и фокусным расстоянием 4 метра. Телескоп установлен на
промышленной экваториальной установке АПШ-2. Она снабжена часовым
механизмом и двигателями тонкой наводки, что позволяет плавно смещать
наблюдаемый объект в фокальной плоскости телескопа. Изготовив узел
крепления Web-камеры к окулярному узлу этого телескопа, я приступила к
фотографированию.
Сам процесс получения фотографий на данной установке доставил
большое удовольствие, зато полученные изображения разочаровали нас.
Башня телескопа пристроена к углу отапливаемого здания обсерватории и
при наблюдениях возникает тепловой поток из здания через открытые
створки купола на улицу. Это приводит к большой турбулентности, а это, в
свою очередь, приводит к сильному размытию изображения. Попытки
настроиться на резкость положительных результатов не дают. Некоторые
снимки я конечно получила. Отождествив один из кратеров на полученных
снимках и зная его размер, я оценила размер площадки лунной поверхности,
приходящийся на размер матрицы.
Расчёт
Диаметр кратера Гевелия= 106 км
Х=(30угл.мин.*106км)/3476 км=0,91угл.мин. – угловой размер кратера
X*2.25=2,05угл.мин. – поле зрения в угл. минутах или 106км. * 2,25 =
238,5км – поле зрения в км.
Получается, что на весь экран монитора компьютера камера выводит
небольшой участок лунной поверхности, что создаёт впечатление
применения большого увеличения.
Повторные наблюдения с этой камерой на этом телескопе весной,
после отключения отопления, показали, что турбулентность уменьшилась, а
дальше опять возникают проблемы с выдержкой и поиском камерой баланса
между чёрным и белым. При малейших смещениях изображения происходит
его переустановка, и вид изображения резко меняется.
Параллельно трубе телескопа Речи-Кретьена установлен в качестве
видоискателя большой школьный телескоп-рефрактор (D = 80мм,F = 800мм).
Мы решили использовать его с целью увеличения площадки лунной
поверхности, приходящейся на площадь матрицы камеры. Проведённые
испытания не выявили большого положительного результаты из-за наличия
турбуленции.
Диаметр кратера Коперника= 96,07км
Х=30угл.мин.*96,07 км/3476 км= 0,83 угл. мин. – угловой размер кратера
X*9=7.46 угл.мин. – поле зрения в угл. минутах или 96,07км. * 9 = 865 км(+30км) – поле зрения в км.
Итак, мы пришли к выводу, что камеры данного типа использовать для
получения электронных изображений небесных объектов весьма
проблематично по указанным выше причинам. Для дальнейших
исследований мы решили применить Web-камеру с большими размерами
матрицы. Провели поиск в Интернете. Оказалось, что существуют
специальные камеры для фотографирования небесных объектов. Мы решили
оценить их работу в наших условиях. Мы выбрали камеру QHY 5-II и
приобрели её.
QHY 5-II-M оснащена монохромной матрицей и может использоваться
для съемки Солнца, Луны и планет, наиболее ярких объектов глубокого
Космоса, а также в качестве гида. Съемка с камерой QHY 5-II-M отличается
легкостью и комфортом. Диаметр камеры соответствует диаметру окуляров,
поэтому всё, что требуется, это снять окуляр, вставить вместо него камеру и
подключить ее через USB-кабель к компьютеру.
• Основные характеристики
ПЗС-матрица: Micron MT9M001, CMOS, 1,3 млн. пикселов, 1/2",
монохромная
• Разрешение: 1280х1024
• Размер матрицы: 6,67 х 5,34 мм
• Размер пиксела: 5,2 х 5,2 мкм
• Выдержки: от 20 мс до 10 мин
• Подключение внешних устройств к компьютеру: USB 2.0
Разобравшись с программой для этой камеры, мы провели её первое
испытание на телескопе Речи-Кретьена
Луны не было, поэтому опять фотографировала Юпитер. Результаты
обрадовали. Я получила снимок Юпитера, на котором хорошо видны полосы
в его атмосфере, и это при большой турбуленции (отопление включено).
Потом мы провели фотографирование Луны. И опять турбуленция. По
отождествлённым кратерам определила размер лунной поверхности
захватываемой матрицей камеры. Она равна:
Расчёт
Размер кратера Архимед =83км
Х=30угл.мин.*83 км/3476 км= 0,72 угл. мин. – угловой размер кратера
X*9=6.48 угл.мин. – поле зрения в угл. минутах или 83км. * 9 = 747 км(+30км) – поле зрения в км.
В мае с помощью камеры QHY 5-II-M и телескопа ТАЛ-100rs (чтобы
исключить турбуленцию) я провела фотографирование Луны. При не очень
хорошем состоянии неба мне удалось получить довольно качественные
снимки.
Отождествление снимка с Тал-100rs и QHY 5-II-M
Архимед – d=83км.
Х=30угл.мин.*83 км/3476 км= 0,72 угл. мин. – угловой размер кратера
X*28=20 угл.мин. – поле зрения в угл. минутах
Летом я провела испытания ещё одной камеры – Digital Camera
MYscope 300T. Её основные характеристики:
• Сенсор – color ½” CMOS, 3 M pixels
• Максимальное разрешение – 2048x1536 pixels
• Интерфейс – USB 2.0
Посадочные размеры камеры совпадают с размерами окуляра, поэтому
с установкой её на телескоп ТАЛ-100rs проблем не было. Телескоп я
оборудовала видоискателем от телескопа «Мицар».
Полученные снимки показывают неравномерность распределения
яркости по поверхности Луны. Поэтому, при смещении к терминатору,
камера дает передержку по краю Луны обращённому к Солнцу. И в районе
терминатора сильно сказывается эффект автоматического баланса белого чёрного.
4) Выводы
• Я научилась конструировать и изготавливать узлы крепления Webкамер к телескопам.
• Я освоила методы проведения измерений с помощью web-камеры и
телескопа.
• Я установила, что для получения фотографий небесных объектов
большой яркости (Луны, планет) использование ноутбучных камер
нежелательно ввиду:
- малости изменения диапазона выдержек;
- малых геометрических размеров сенсора;
- постоянного изменения баланса белого.
Я делаю вывод, что для исключения влияния турбулентности
необходимо проводить фотографирование небесных объектов вдали от
теплонесущих строений.
Камеры QHY 5-II-M и Digital Camera MYscope 300T дают хорошие
результаты при условии отсутствия турбулентности.
5) Заключение
В настоящее время нам удалось приобрести более дорогую
специальную астрономическую камеру QHY8L-C. Она снабжена
устройством охлаждения матрицы, что позволяет избавиться от тепловых
паразитных токов, и имеет большие размеры сенсора, а значит с ней можно
получать более качественные изображения. Я предполагаю освоить работу с
ней и заняться изучением методов и способов получения и обработки
цифровых изображений, позволяющих уменьшить влияние турбулентности
воздуха.
6) Список литературы:
Интернет-ресурсы: http://galspace.spb.ru/telescope.file/chifra.htm
http://7kilometr.com/rus/article/kakimi-bivayut-vebkameri-i-chto-oni-umeyut
http://www.astroscope.su/astrofotografiya_semka_luny_i_planet/9722.htm
Литература:
1. А.К. Муртазов Мониторинг загрязнений околоземного пространства
оптическими средствами – Рязанский государственный университет имени
Есенина 2010
2. Э.В. Кононович, В.И. Мороз Общий курс астрономии, «Едиториал УРСС»
2001
3. П.Г. Куликовский Справочник любителя астрономии, «Едиториал УРСС»
2002
4. О,Д. Докучаева Астрономическая фотография , Материалы и методы
«Физико-математическая литература» 1994