Kamery inspirowane ludzkim okiem trafiają do astronomii. Nowa technologia pozwala widzieć gwiazdy mimo blasku Księżyca i śledzić meteory z mikrosekundową precyzją
Podczas gdy klasyczne kamery zapisują obrazy w formie pojedynczych klatek, kamery neuromorficzne rejestrują bez przerwy zmiany jasności pikseli w kadrze. To pozwala im dostrzec więcej: przy pełni Księżyca, w czasie błyskawicznych zjawisk czy na zatłoczonym niebie pełnym satelitów. Zespół badaczy z Indii i Australii pokazuje, że ta technologia może zrewolucjonizować obserwacje nieba.
Współczesna astronomia opiera się na dwóch głównych typach kamer: CCD i CMOS. Choć precyzyjne i czułe, mają ograniczenia. Kamery CCD (ang. charge-coupled devices) łatwo ulegają prześwietleniu w obecności jasnych źródeł światła, takich jak Księżyc. Kamery CMOS (ang. complementary metal-oxide-semiconductor) są szybsze i tańsze, ale podobnie jak CCD działają w trybie klatkowym. Rejestrują obraz w ustalonych odstępach czasu, np. 30 razy na sekundę. To powoduje rozmycie obrazu przy szybkich zjawiskach.
Obie technologie generują też ogromne ilości danych. Na przykład teleskop Sloan Digital Sky Survey produkuje około 200 GB danych każdej nocy, a planowany teleskop LSST ma generować nawet 200 PB rocznie. Przetwarzanie i przechowywanie takich zasobów to poważne wyzwanie.
Dodatkowo, obserwacje astronomiczne coraz częściej zakłócane są przez zanieczyszczenie światłem i przelatujące satelity.
Kamera jak oko
Nowym podejściem są tzw. kamery neuromorficzne inspirowane działaniem ludzkiej siatkówki. W odróżnieniu od klasycznych kamer, nie tworzą pełnych obrazów, lecz rejestrują jedynie zmiany jasności w każdym pikselu. Każdy piksel działa jak miniaturowy detektor: wykrywa, czy światło stało się jaśniejsze lub ciemniejsze niż przed chwilą. Jeśli tak – generuje tzw. „zdarzenie”, czyli zestaw danych: współrzędne piksela, czas i kierunek zmiany.
Taka konstrukcja przypomina układ nerwowy oka: fotodioda działa jak pręcik lub czopek, wzmacniacz jak komórka dwubiegunowa, a komparator jak komórka zwojowa. Dzięki temu kamera nie wymaga migawki ani określonego czasu ekspozycji. Działa ciągle, ale aktywuje się tylko wtedy, gdy coś się zmienia. Pozwala to osiągnąć rozdzielczość czasową na poziomie mikrosekund i zakres dynamiczny przekraczający 100 dB. Znacznie więcej niż 60 dB typowe dla klasycznych kamer.
Obserwacje mimo pełni
Zespół z Indian Institute of Science i Aryabhatta Research Institute of Observational Sciences przetestował kamerę neuromorficzną Prophesee Gen4.1 w dwóch teleskopach: 1300-milimetrowym teleskopie w Devasthal oraz 200-milimetrowym teleskopie Dobsona w Bangalore. Testy przeprowadzono podczas pełni Księżyca 28 listopada 2023 r.
Mimo silnego blasku Księżyca udało się zarejestrować zarówno bardzo jasne obiekty (jak Jowisz), jak i bardzo słabe gwiazdy o jasności do 16 wielkości gwiazdowej (dla porównania: im wyższa liczba, tym słabszy obiekt. Księżyc to -12,5, Jowisz to ok. -2,7, słabe gwiazdy to +14 i więcej). Co więcej, udało się zaobserwować subtelne struktury pyłowe w gromadzie Trapez w Orionie, widoczne zwykle tylko przy długich ekspozycjach.
Śledzenie ruchu bez rozmycia
Kamery neuromorficzne znakomicie sprawdzają się przy dynamicznych zjawiskach. Dzięki rozdzielczości czasowej rzędu mikrosekund, potrafią śledzić bardzo szybkie obiekty jak satelity czy meteory bez efektu rozmycia. Zespół zarejestrował m.in. przelot Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i zużytego członu rakiety Atlas Centaur-2 z częstotliwością 500 klatek na sekundę. Dla porównania klasyczna kamera CCD przy 60 fps nie była w stanie uchwycić wyraźnego obrazu.
Badacze sprawdzili też, czy można wykonywać pomiary jasności gwiazd (fotometrię) przy pomocy kamery neuromorficznej. Okazało się, że tak. Wyniki dla gwiazd o jasności od 10 do 16 mag. różniły się od danych z katalogu GAIA o mniej niż 3 proc.
Podczas obserwacji przypadkiem zarejestrowano przelot dwóch obiektów w pobliżu Księżyca. Analiza ich prędkości kątowej sugeruje, że mogły to być meteoroidy: jeden blisko Księżyca, drugi znacznie bliżej Ziemi.
Możliwe zastosowania
Kamery neuromorficzne nie zastąpią jeszcze klasycznych CCD w obrazowaniu statycznych obiektów. Mają niższą rozdzielczość i niższą efektywność kwantową (czyli zdolność przekształcania światła w sygnał). Ale mogą okazać się niezastąpione tam, gdzie liczy się czas, kontrast i selektywność.
Potencjalne zastosowania obejmują:
- wykrywanie zbliżających się satelitów i sygnalizowanie wyłączenia klasycznej kamery,
- obserwacje błyskawicznych zjawisk jak supernowe, zaćmienia, przeloty asteroid,
- badanie pulsarów i gwiazd zmiennych z wysoką dokładnością czasową,
- korekcję obrazu w czasie rzeczywistym,
- rejestrację meteorytów uderzających w Księżyc.
„Nasze wyniki pokazują, że kamery neuromorficzne mogą całkowicie zmienić sposób obserwowania dynamicznych zjawisk na niebie” – podsumowują autorzy.
Kluczowe będzie jednak opracowanie nowych metod kalibracji i analizy danych. Obecne narzędzia zaprojektowano z myślą o klasycznych klatkach.
Źródło:
Yadav, S. S., Pradhan, B., Ajudiya, K. R., Kumar, T. S., Roy, N., Van Schaik, A., & Thakur, C. S. (2025). Neuromorphic Cameras in Astronomy: Unveiling the Future of Celestial Imaging Beyond Conventional Limits. arXiv:2503.15883v1.
https://arxiv.org/abs/2503.15883