Hledáme smysl skrytý v obrazu

Jak zaznamenat slabé meteory, které oblohou prolétnou zcela nečekaně? Jak z astronomických teleskopů získat nezkreslená data? Jak pomocí satelitů monitorovat stav životního prostředí? Řešení podobných problémů pomocí obrazové fotoniky hledá Petr Páta, děkan Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze.

Rozhovor vychází s podporou Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze.

Věnujete se aplikacím fotoniky pro astronomický výzkum. Laik by řekl, že dalekohled je optická soustava, jejíž komponenty musí být precizně zpracované, aby se minimalizovaly optické vady. Zachytí obraz pozorovaného objektu, nad nímž pak astronomové „dělají vědu“. Kde tam je prostor pro vaši práci? — Řekl jste, že dalekohled zachytí obraz. Ale jak? Právě to je klíčový okamžik, kdy do procesu vstupuje fotonika. Moderní astronomie by bez ní nemohla fungovat. Musíme se vrátit do roku 1969, kdy Willard S. Boyle a George E. Smith zkonstruovali CCD prvek, který se pak v astronomii (a v mnoha dalších odvětvích) rychle rozšířil. V roce 2009 za to dostali Nobelovu cenu. Naším úkolem je obraz nejen zachytit, ale zpracovat ho. Odstranit artefakty (optické vady, tepelný šum a podobně) a připravit obrazová data do podoby, z níž astronom může relativně snadno získat informace o pozici a vlastnostech hvězd či jiných pozorovaných objektů.

V této souvislosti jsem na vašich stránkách narazil na termín „prostorově variantní PSF“. Zní to dost složitě, co si pod tím představit? — PSF je zkratka pro point spread function, česky funkci rozptylu bodu. To samo o sobě tak složité není. Pokud nasnímáte vzdálený bod, třeba hodně vzdálenou hvězdu, na snímači se nezobrazí jako bod, ale jako takový rozmazaný flíček. Protože žádný optický systém není tak dokonalý, aby bod interpretoval vždy přesně jako bod. Ono rozmazání, které nám pochopitelně vadí, popisuje právě PSF. Snažíme se hledat algoritmy, které si s tím poradí a poskládají rozmazaný obraz zpět do ideálního bodu.

Jestli to chápu správně, v reálných optických systémech není PSF v celém zorném poli stejná, tedy je prostorově variantní. To situaci asi dost komplikuje. — Přesně tak. Pokud pracujete s delším ohniskem, třeba fotíte s teleobjektivem, jsou zkreslení v celém zorném poli prakticky stejná. Ale jakmile použijete širokoúhlé snímání, u krajů zorného pole je zkreslení daleko větší než uprostřed. Pokud astronomové dělají třeba poziční měření, při kterém zjišťují vzájemnou polohu pozorovaných objektů, je to velký problém. Musíme proto najít vhodný popis této deformace. Model, kterým bychom to popsali, abychom mohli s využitím matematických postupů tyto vady odstranit.

Snímek z kamery projektu MAIA (viz níže) ilustruje prostorově variantní PSF. Na okraji zorného pole je rozmazání výraznější než uprostřed.
Snímek FEL ČVUT

Takový model je potřeba vytvořit vždy každému konkrétnímu teleskopu či jinému optickému systému na míru? — Mohli bychom zkalibrovat daný systém v každém bodě a vytvořit empirický model. Ale jelikož víme, že každý zobrazovací systém se podřizuje známým fyzikálním zákonům, můžeme vytvořit obecný model, matematický popis celého systému, pro který potom jen hledáme vhodné parametry. Tak, aby odpovídaly přítomnosti jednotlivých vad, jako je zkreslení, koma, chromatická aberace… Jsme jako kuchaři vylepšující recept. Přimícháváme parametry korigující jednotlivé vady tak, aby výsledná podoba odpovídala danému systému. Takto model zkalibrujeme a potom už s ním umíme poměrně dobře matematicky pracovat.

Nevstupuje do toho ještě faktor času, s nímž se mění například teplota, třeba vlivem zahřívání přístroje? — Teplota je obecně v optice a v elektronice parametr, se kterým je potřeba počítat. Na druhou stranu jsou modely poměrně robustní, takže se nemusí rekalibrovat tak často. Ale třeba když ze snímku odstraňujeme tepelný šum, je tento faktor zásadní a musíme mít k dispozici kalibrační snímky pro danou teplotu, nebo je dokonce pořizovat bezprostředně po „ostrém“ snímku.

Vyvíjíte také systémy pro hyperspektrální zobrazování. Co v tomto kontextu znamená předpona hyper? — Všichni máme zkušenost s barevným snímáním. Tři barvy (červená, zelená, modrá – RGB) skládají barevný obraz. Pokud chceme získat informaci o chemickém složení nějaké látky, můžeme využít spektrální analýzu. Do kamery vložíme optický element, který bude dělat spektrální rozklad světla – typicky se jedná o difrakční mřížku. Takto můžeme získat řadu snímků v různých částech spektra, nejen v červené, zelené a modré. Pracujeme třeba s deseti barevnými kanály ve viditelné oblasti. Mluvíme o multispektrálním zobrazování. A když těch kanálů uděláme třeba sto, dostáváme se do oblasti hyperspektrálního zobrazování. Analýzou spektra pak získáme informaci o složení zkoumaného objektu. Můžeme analyzovat hvězdy a mezihvězdnou hmotu, stav vegetace při dálkovém průzkumu země, potraviny, minerály… Aplikací je nepřeberné množství.

Princip difrakční mřížky je znám dlouho. Jak se dá vylepšovat? — Spektrální rozklad nemusíte dělat pouze difrakční mřížkou z kusu skla s vrypy. Můžete využít akustooptický materiál, který světlo rozloží podobně jako difrakční mřížka. Je to proto, že akustické vlnění je mechanické vlnění. Když tedy akustické vlny pustíme do vhodného materiálu, bude se pevnou látkou šířit mechanické vlnění a vytvoří nehomogenitu indexu lomu. A na této nehomogenitě dochází k difrakci elektromagnetického záření. Takže je to analogie klasické difrakční mřížky, která má tu výhodu, že je pomocí změny frekvence akustické vlny laditelná.

O jakých frekvencích se bavíme? — Člověk slyší frekvence zhruba od 20 Hz do 20 kHz. V akustooptických prvcích se pohybujeme v mnohem vyšších frekvencích, typicky desítky MHz.

Takže vyvíjíte akustooptické systémy pro hyperspektrální analýzu? — Ano, ale ani to není úplně nová věc, akustooptické prvky nacházejí využití nejen v hyperspektrálních kamerách, můžeme se s nimi setkat například i v optických komunikacích. My ale spolupracujeme s českou firmou BBT – Materials Processing, která je jako jediná na světě schopna vyrábět dostatečně kvalitní krystaly kalomelu [Hg₂Cl₂, chlorid rtuťnatý, pozn. red.], což je materiál s unikátními akustooptickými vlastnostmi. Je průhledný od viditelné části spektra po vlnovou délku 20 mikrometrů v infračervené oblasti. Takže pomocí jediného materiálu můžeme vytvořit optický prvek pro všechny důležité části spektra. Neexistuje alternativa s podobnými vlastnostmi. Je to zajímavé i pro Evropskou kosmickou agenturu (ESA).

Na čem konkrétně pracujete? — S firmou BBT vyvíjíme v rámci projektu THETIS, financovaného ESA, hyperspektrální kameru s akustooptickou jednotkou z kalomelu pro oblast okolo devíti mikrometrů. Tato část spektra je klasickými přístroji pokryta velice špatně. Zatímco třeba pro viditelnou oblast jsou klasické technologie levnější a dostupnější, zde vidíme konkurenční výhodu kalomelu. Taková kamera by našla uplatnění třeba při dálkovém průzkumu Země. Ukazuje se například, že ropné skvrny na mořské hladině lze v této části spektra detekovat velmi dobře.

Máte už jasno, na jaké družici bude kamera pracovat? — Zatím ne. Pracujeme na inženýrském modelu přístroje. Jsme ve fázi ověřování akustooptické jednotky a musíme prokázat, že jsme schopni dosáhnout požadované kvality a přesnosti. Ale věříme, že v budoucnu se kamera stane součástí některé z plánovaných misí.

Prof. Petr Páta, Ph.D., (*1973) vystudoval fyziku na MFF UK, doktorát z radioelektroniky získal na Fakultě elektrotechnické (FEL) ČVUT. Ve stejném oboru byl v roce 2018 jmenován profesorem. Na FEL ČVUT, kde od července 2019 vykonává funkci děkana, se zabývá obrazovou fotonikou, kompresí vědeckých obrazových dat, akustooptickými a optickými systémy s prostorově variantní PSF (viz rozhovor) a hyperspektrálním zobrazováním. Podílel a podílí se na projektech kosmického výzkumu (např. robotické dalekohledy BOO TES, hyperspektrální kamera THE TIS, projekty MAIA nebo WILLIA M…). Je předsedou České a Slovenské společnosti pro fotoniku.Snímek FEL ČVUT

Jak jste se ke spolupráci s ESA dostali? — Na fakultě má zapojení do kosmického výzkumu dlouhou tradici. Naši předchůdci se už před desítkami let účastnili třeba programu planetárních sond Fobos. Později jsme měli štěstí, že ještě před vstupem České republiky do ESA jsme se mohli zapojit do práce na evropské družici INTEGRAL, která je v současnosti na oběžné dráze. Podíleli jsme se na vývoji optické kamery. Právě díky vazbám na firmu vyrábějící optické krystaly z kalomelu se o nás vědělo a mohli jsme se hlásit o kontrakty ESA.

Spolupracujete i s českými astronomy? — Právě teď nejvíce žijeme projektem MAIA. S Astronomickým ústavem AV ČR jsme vyvinuli televizní kameru pro sledování slabých meteorů. Máme v provozu dvě, na stanicích v Ondřejově a v Kunžaku. Jsme schopni detekovat meteory ze dvou míst a kolegové z ASÚ díky tomu mohou rekonstruovat dráhu tělesa v atmosféře a třeba i ve Sluneční soustavě.

Co je na tom unikátního? Člověk by si řekl – dvě kamery namířené k obloze, to je toho. — Kdo si někdy zkusil točit třeba mobilem noční video, ví, že to není tak snadné. Na záběrech není nic než tma. Takže jsme museli navrhnout celý přístroj, který v sobě propojuje několik nástrojů obrazové fotoniky. Mezi širokoúhlým objektivem a kamerou je zesilovač obrazu, kamera výstup ze zesilovače zaznamenává s frekvencí 60 snímků za sekundu a data ukládá na disk počítače. Je to autonomní systém, který přes noc snímá a přes den zpracovává data a sám vybírá zajímavá pozorování. Díky zesilovači a prvkům na potlačování šumu jsme schopni získat videozáznam slabých meteorů, což je jinak velký problém. Díky tomu jsou astronomové schopni zkoumat meteorické roje, o nichž dosud nikdo nevěděl. Povedlo se nám například pozorovat meteor, který se krátce před vstupem do atmosféry rozpadl na několik částí, a my jsme zaznamenali paralelní stopy těchto úlomků. Má to význam i pro studium kosmického smetí, které představuje čím dál větší problém.

Rozmístění kamer projektu MAIA pro sledování slabých meteorů. Díky překryvu zorných polí obou kamer lze rekonstruovat dráhu tělesa v atmosféře i ve Sluneční soustavě.
Mapa FEL ČVUT

Na své stránce na webu fakulty zmiňujete projekt WILLIAM pro sledování celé oblohy. O co jde? — S tím přišli studenti obrazové techniky, kteří chtěli ke sledování oblohy využít klasický fotoaparát. Je to důležité například pro robotické dalekohledy. Pokud se na obloze objeví něco zajímavého, třeba nová supernova, je potřeba rychle začít s pozorováním. Nečeká se na noc s ideálními podmínkami, může být i částečně zataženo. Kamery dalekohledům řeknou, kde je která část oblohy čistá a má smysl se na ni zaměřit. Kolegové tedy vyvinuli systém založený na fotoaparátu se širokoúhlou optikou. Rybí oko je umístěno ideálně někde na střeše a snímá celou oblohu v klasickém barevném prostoru s frekvencí typicky jeden snímek za minutu. Jeden systém máme na fakultě, další dva jsou na Petřínské rozhledně a v jižních Čechách. Oblohu snímají i během dne a říkali jsme si, zda by ta data nešla použít i nějak jinak.

A přišli jste na něco? — Povedlo se nám udělat barevnou analýzu mraků. Poznáme třeba bouřkový mrak a víme, kterým směrem a jakou rychlostí se pohybuje. Šlo by to využít k varování před hrozbou přívalových srážek na lokální úrovni, s čímž meteorologové kvůli nedostatečně husté síti stanic zatím bojují. Podobná zařízení by mohla být instalována na klíčových objektech nebo v obcích, v nichž hrozí přívalové povodně, a lokálně doplňovat klasickou předpověď. Zatím nám systém běží v testovacím provozu.

Fotoaparát projektu WILLIAM s širokoúhlým objektivem („rybí oko“), umístěný na střeše budovy FEL ČVUT v Praze, monitoruje oblačnost. Takto sbíraná data mohou být využitelná pro směrování robotických dalekohledů i pro varování před přívalovými povodněmi.Snímek FEL ČVUT