¿Por qué ves un cielo lleno de estrellas durante la noche, pero no ves estrellas durante el día?
La historia del ojo humano y las cámaras CCD en color
Una vez hice una pregunta sobre las cámaras CCD en color en el foro SAA, y el científico Yohan Blake A. Blackwell respondió más tarde a mi pregunta. . Explicó el principio de esta cámara en color desde un punto de vista muy profesional, y fue después de leer sus comentarios que de repente descubrí que los conceptos relacionados de señal/ruido están estrechamente relacionados con la relación entre los objetos celestes que recibimos (ya sean estrellas o cualquier objeto celeste). Las imágenes están estrechamente relacionadas.
Esta es una teoría bastante compleja. Para facilitar la comprensión de los lectores, lo describiré brevemente aquí sin entrar en detalles. En resumen, la capacidad humana para observar estrellas durante el día está relacionada con la sensibilidad de los ojos y la luz parásita en el entorno del observador. La luz solar intensa actúa como ruido de fondo en el cielo y el ojo humano actúa como un "filtro" para procesar la luz dispersa en la atmósfera. Entonces, ¿cómo se relaciona la capacidad del ojo humano para observar estrellas con la relación señal-ruido en términos profesionales? Aquí está mi explicación.
Yo personalmente fui fotógrafo profesional y pude utilizar hábilmente técnicas de procesamiento de imágenes para mejorar la calidad de algunas fotografías en blanco y negro y en color (incluidas fotografías astronómicas). Mi profesor me decía a menudo: "por favor, corrige el balance de color de esta película, debilita la nitidez estructural, resalta los detalles en esta 'área resaltada'... ¡Entiendo todo esto! Finalmente, aprendí a usar la máscara de desenfoque". y otras habilidades para lograr estos objetivos. Pero las cosas han cambiado ahora. Aunque todavía estoy interesado en la astrofotografía, los problemas actuales requieren un uso más minucioso de computadoras, amplificadores de imágenes, detectores CCD, etc., tratando constantemente de reducir los "defectos cuánticos". " de la imagen para obtener una buena imagen con color uniforme, alta saturación y mínimo ruido. En resumen, ¡esto es un verdadero desafío!
Estoy hablando aquí de CCD porque podemos compararlo con relativa facilidad. a la estructura del ojo humano Ya sabes que ambos detectan luz y pueden procesar continuamente señales analógicas discretas en fotones en el detector CCD. Una vez en forma numérica (electrones convertidos en números binarios), podemos operarlos fácilmente en un. computadora porque ambos sistemas "hablan" el mismo idioma
Para descubrir por qué solo podemos ver Venus en el cielo nocturno, comparé el ojo humano con un detector electrónico como un CCD y obtuve algunas cosas interesantes. Los resultados se explican a continuación
Al igual que una cámara CCD, la sensibilidad de nuestros ojos depende no sólo de las características estructurales del propio globo ocular, sino también de la capacidad de nuestro cerebro (su software de adquisición de imágenes). Cámara CCD) para procesar el "ruido" en la señal original.
Ya lo hemos dedicado en el capítulo anterior. Estos "ruidos" pueden incluir el ruido del cabezal captador (ruido introducido). durante el proceso de conversión A/D) (nota: el cabezal captador es un dispositivo utilizado para recolectar sonido en vivo y luego transmitirlo al equipo de back-end), corriente oscura electrónica y desviaciones causadas por fluctuaciones (relacionadas con la temperatura ambiente) y algunos sonidos de fondo naturales y artificiales (rayos de la atmósfera, luz de la luna, contaminación lumínica... Aunque el ojo humano no es un dispositivo electrónico, cuando debe pasar a través del nervio óptico hasta el cerebro a la hora de transmitir información, se tienen en cuenta las propiedades electromagnéticas de los electrones). se utilizará por completo. Ahora mi pregunta es, ¿cuál es la conexión entre el ojo humano y los sensores CCD?
Aunque no soy una categoría de neurofísico (generalmente neurofísico), pero, de nuevo, los ojos son solo. extensiones locales del cerebro), y no soy un analista técnico, pero en mi opinión, los primeros ruidos que acabamos de mencionar, es decir, "ruido de la cabeza" y "corriente eléctrica oscura", no tienen ningún efecto obvio en el ser humano. ojo (y cerebro). Cuando no hay estimulación lumínica, no percibimos ninguna señal visual, al igual que una persona ciega... independientemente de la estructura y forma de estas señales luminosas, aunque existen, su impacto es mínimo. o incluso insignificante.
A continuación, hablemos del impacto del “ruido de fondo” durante la noche, ya sea que canceles todos los vuelos en el cielo o ordenes que todos los aviones estén en tierra, el ruido de fondo está ahí, siempre presente. El ruido puede llegar a nuestras retinas y otras células nerviosas en forma de rayos cósmicos. En casos raros, podemos ver un destello de luz en el ojo, como una nueva estrella que explota repentinamente en la noche. Pero se refleja principalmente en el brillo del cielo (los átomos atmosféricos activos emitirán luz), pero ahora la contaminación lumínica limita nuestra capacidad para distinguir objetos con poca luz (en una ciudad bulliciosa, es probable que la señal y el ruido tengan la misma intensidad , por lo que rara vez tenemos la oportunidad de observar las estrellas).
Para que mi teoría parezca más completa, también deberíamos considerar el clima. Si las condiciones de observación (turbulencia y transparencia del aire) son buenas, la fuente de la señal (planeta, satélite, estrella, galaxia) emitirá una señal más fuerte que el ruido.
En definitiva, un análisis sencillo como este puede dar una respuesta clara a la pregunta de por qué el cielo estrellado sólo se puede observar de noche. Además, podemos concluir de este análisis que la intensidad de todo el "ruido" de fondo natural es mucho menor que la señal emitida por la estrella.
¿Cómo se ven las estrellas durante el día?
Aplicación de lógica matemática y métodos físicos
Si queremos encontrar estrellas en el sol, debemos darnos cuenta de que las condiciones ambientales durante el día son completamente diferentes a las de la noche. La luz solar diurna y el brillo del cielo añaden mucho "ruido" a la señal de radiación emitida por la estrella. En este momento, sólo un "filtro" no puede eliminar estos "ruidos". De hecho, ¡el principio es así de simple! Ahora expliquemos este problema en términos matemáticos.
Supongamos que estamos haciendo un experimento de meditación (habrá valores virtuales adicionales en la demostración más adelante). El contenido del entrenamiento de meditación es cómo observar una estrella a plena luz del día. La luz del sol, la luz de las estrellas y diversos sonidos de la naturaleza inciden en las sensibles células de nuestros ojos a una velocidad de 10.000 fotones por segundo. Debemos tener en cuenta que estos datos no separan la señal de la estrella del conjunto completo de señales mixtas. El campo de visión del ojo humano es de unos 120, cubriendo un cielo vasto y con mucha luz, pudiendo incluirse brillo, lo cual confirmaremos más adelante [1].
Tal señal es un objeto complejo compuesto por trenes de ondas de fotones y cuantos cargados de energía, sujeto a las leyes de la física cuántica. Según las leyes de la física cuántica, podemos pensar en el ruido como cuantos aleatorios. Al igual que con las cámaras CCD, el ruido total (B) en la señal que buscan nuestros ojos es equivalente a la incertidumbre cuántica o desviación estándar relativa al brillo medio. Su expresión se define como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de cada valor de ruido (¡suena muy difícil!):
B =? (Ruido 12+Ruido 22+?...)<Ecuación 1>;
Entonces, ¿cuál es la señal de las estrellas? Medimos esta estrella en particular y descubrimos que nuestros ojos pueden capturar 50 fotones de esta estrella en el transcurso de un día. Así es como obtenemos la señal de la estrella: la señal total menos la señal del sol y otras señales de ruido. De hecho, todo es cuestión de eventos cuánticos, y todo ruido (Ecuación 1) producirá:? 10.000 o 100 fotones por unidad visual.
Ahora se sabe que 50 fotones estelares se mezclan con otros 9950 fotones, que se componen de luz dispersada en el campo de visión. Las fuentes de luz incluyen el sol, el cielo y algunas fuentes de contaminación lumínica. Podemos determinar la intensidad de la señal de la estrella, conocida como relación señal-ruido o S/B. Aplicando esta relación a esta situación, encontramos que la relación S/B = 50/100, que es 0,5. ¿Qué representa este número?
Lo anterior es la simulación de la estrella con un mayor número de estrellas, y su relación señal-ruido está entre 2:1 y 16:1. Se completaron pruebas similares en la nebulosa artificial que se encuentra debajo.
En este ejemplo, los datos de 0,5 muestran que no podemos estimar la magnitud (o el brillo) de una estrella con mayor precisión que 1/0,5 a menos que sea el elemento 2, que tiene un valor mayor que A. CCD El umbral de detección aceptable para el detector es 10 veces menor (la relación señal-ruido por píxel puede ser 20 o superior, suficiente para detectar estrellas de magnitud 20e por segundo de arco cuadrado), pero nuestros ojos no son exactamente similares a los sensores CCD. , porque la estructura con función retiniana a este valor de 0,5 también significa que el brillo de la estrella quedará ahogado en la luz de fondo del cielo, lo que reduce en gran medida la relación señal-ruido de las estrellas que intentamos observar durante el dia. Si nuestras estrellas se mostraran en la pantalla de una computadora durante el día, casi no veríamos ningún patrón, dejándonos, en el mejor de los casos, con una pantalla en blanco.
¡Ahora intentemos resolver el problema de observar las estrellas bajo el sol! ¿Qué se debe hacer específicamente? De hecho, basta con mejorar la relación señal-ruido de las estrellas. Si utilizamos algún instrumento con un campo de visión de unos 10' o menos, como un teleobjetivo o binoculares para estrechar nuestro campo de visión, reduciremos en gran medida el impacto del ruido en un factor de 10 o más, mejorando así la visión de la estrella. Relación S/B. Podemos aumentar la relación S/B de la estrella mediante este método, pero el costo es que el brillo del fondo se vuelve más oscuro. En el monitor, la imagen se volverá mucho más suave y la estrella ahora se verá como un pequeño punto brillante bañado por un halo gris azulado. Esto es típico de una señal que se está desvaneciendo, o en otras palabras, puede hacer que la señal se apague. se desvanece. El valor S/B estable se vuelve más pequeño.
Debido a esta forma de pensar, reducimos el impacto del ruido en la relación señal-ruido estelar a 50/? 1000 en lugar de 50/? 10000, ahora el valor es 15 en lugar de 0,5. Gracias al "muestreo" 30x, en teoría, podemos distinguir más fácilmente la señal de una estrella de otras señales, lo que permite observar algunas estrellas durante el día y estimarlas con una precisión de alrededor de 1/15 o 7% de su magnitud. ¡La amplitud es del 7%, no un simple múltiplo de 2!
Conclusión
Para tomar prestado del campo CCD, la imagen de nuestra estrella en realidad está "submuestreada" desde el principio y no puede ser detectada por nuestros detectores visuales (ojos). Para aumentar la legibilidad de la muestra y distinguir nuestras estrellas a la luz del sol, debemos aumentar la distancia focal del "telescopio" para obtener imágenes con mayores gradientes.
Pero la comparación entre ojos y cámaras CDD solo llega hasta cierto punto, porque no podemos usar nuestros ojos como podemos manipular un reductor de enfoque, ni podemos lograr nuestros objetivos como podemos con métodos profesionales como la agrupación de píxeles y la agrupación (pixel binning). . Pero nunca dije que no pudiéramos restar el brillo del cielo a la imagen para aumentar la señal de las estrellas capturada por la cámara CCD, o que no pudiéramos procesar dicha información en un software de procesamiento de imágenes. No me malinterpretes.
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¡Gracias a las matemáticas resolvimos este problema!