Tecnica ed esempi di applicazione del pixel binning

La combinazione di più pixel

I sensori CCD possono essere letti in modo diverso per migliorare il rapporto segnale/rumore.

I sensori CCD trovano diversi impieghi in astrofotografia. In base allo scopo, i dati possono essere letti in modo diverso, per migliorare il rapporto segnale/rumore (SNR) e allo stesso tempo velocizzare il processo di lettura. La tecnica usata più spesso è quella del cosidetto pixel binning.

Il pixel binning consiste nel combinare il segnale di più pixel vicini. Tipicamente, vengono raggruppati i pixel contenuti in aree di dimensioni 2x2 o 3x3, corrispondenti a un binning di 2x o 3x. La risoluzione dell’immagine però si riduce. Se questo sia utile o giustificato, dipende dal caso specifico.

Il rumore in un’immagine CCD ha molte cause. Oltre alla mera statistica dei fotoni, in parte deriva dalla camera stessa, che non solo è soggetta a interferenze di origine termica, ma genera rumore anche durante la lettura e l'amplificazione del segnale, interessando ogni singolo pixel. Si tratta del cosiddetto rumore di lettura. In un'area di 2×2 pixel, senza il binning CCD questo rumore si verifica per tutti e quattro i pixel; il rumore quindi sarà dato dalla somma della radice quadrata di ogni singolo pixel:

σtotale = σ12 + σ22 + σ32 + σ42 +

I valori da σ1 a σ4 rappresentano l’errore dovuto agli elettroni dei singoli pixel, mentre σtotale il rumore dell’intera area non sottoposta a binning. Da un elettrone che genera rumore per ogni pixel, dopo la somma si hanno quindi due elettroni. Supponendo che ciascuno dei quattro pixel in esame contenga un elettrone che produce segnale, la somma è lineare per quattro elettroni. L'SNR è quindi 2:4.

l binning modifica il flusso del processo. Prima che avvenga l'amplificazione, il contenuto unito dei pixel viene sommato nel registro. In questo modo il rumore si verifica una sola volta e, riprendendo l'esempio precedente, si ha un solo elettrone che produce rumore invece di quattro. L'SNR del rumore di lettura è 1:4, ovvero migliore di un fattore 2.

Molti programmi di elaborazione delle immagini offrono la possibilità di eseguire un binning a posteriori. Tuttavia, questo binning software perde parte dell'effetto desiderato. L'SNR migliora, ma senza ottimizzare il rumore di lettura.

Con l’aiuto del binning CCD le fasi di lavoro nella fotografia deep-sky vengono semplificate e velocizzate. Grazie ai tempi di lettura e di download più brevi, con binning 3x3 la messa a fuoco approssimativa è molto più veloce. L’SNR migliorato rende visibili anche nebulose deboli già con un tempo di esposizione di pochi secondi, semplificando così la regolazione della porzione di immagine. Spesso un binning 2x2 viene usato anche nella produzione di composti LRGB. Questo sfrutta il fatto che i canali RGB servono solo a colorare l'immagine e la nitidezza è contenuta nella luminanza. Una risoluzione inferiore nei canali RGB non è quindi percepibile, motivo per cui si ricorre spesso al binning 2x per ottenere un migliore SNR e ridurre il "rumore cromatico".

Esistono anche altre situazioni in cui il binning risulta utile, in particolare nell’astronomia di misurazione, tra cui per esempio la ricerca di asteroidi. Questa disciplina nasconde una sfida particolare, data dal fatto che questi oggetti si muovono molto in un tempo relativamente breve. Dopo pochi minuti infatti l’oggetto può essersi già spostato, cambiando pixel. Un tempo di esposizione più lungo quindi non porta alcun vantaggio. Se l’oggetto è molto debole, il rumore potrebbe renderlo invisibile. Quindi, nella misurazione degli asteroidi molto deboli, il binning rappresenta una possibile soluzione, anche se la conseguente riduzione della risoluzione rende meno accurata la determinazione della posizione.

Il binning è molto interessante anche per la spettroscopia, quando l'immagine di una fenditura luminosa viene suddivisa nei colori spettrali. Per un'alta risoluzione spettrale, è importante solo una elevata frequenza di campionamento ortogonale alla fenditura. Pertanto, i pixel possono essere suddivisi lungo l'immagine della fenditura senza perdita di risoluzione per migliorare l'SNR.

Nel grafico si vede una rappresentazione schematica di una normale modalità di lettura a sinistra, e con un binning 2x a destra. Prima di tutto, 2×2 pixel sono esposti in modo uniforme a una stella e raccolgono dieci elettroni ciascuno. Quindi inizia il processo di lettura, che sposta gli elettroni nel registro (rosso). Nella terza fase iniziano le differenze: senza binning, il contenuto di ciascun pixel viene spostato singolarmente verso l'amplificatore a destra. Con il binning, la riga successiva viene immediatamente spostata nel registro e aggiunta alla prima. Spostando orizzontalmente il registro, il binning raccoglie infine il contenuto di tutti e quattro i pixel nell'amplificatore. Così il processo si conclude, mentre la lettura dei singoli pixel richiede altri due passaggi e quindi un tempo maggiore.

Nei sensori a colori il binning vero e proprio non è possibile, perché i pixel vicini sono dotati di filtri colorati diversi e quindi non è utile combinarli. Anche se i programmi di elaborazione delle immagini offre questa possibilità, si tratta di software di binning successivi.

Anche i sensori CMOS in genere non sono adatti al binning. A causa della sua struttura di base, tutti i pixel vengono letti e amplificati singolarmente, per cui il rumore di lettura per ogni pixel è inevitabile. La procedura di lettura necessaria per il binning in questo caso non c’è. Pertanto, il binning dei pixel nei sensori CMOS non porta all'effetto desiderato di una riduzione del rumore di lettura. Sotto questo aspetto, i sensori CCD hanno un netto vantaggio.

Autore: Mario Weigand / Su gentile concessione di: Oculum-Verlag GmbH