Sensori di immagini e misure senza contatto (POK)

L’osservazione del cielo notturno ha da sempre affascinato l’essere umano, anche ai giorni nostri, la visione di un cielo stellato suscita in noi meraviglia. Oggi disponiamo di strumenti che ci permettono di andare oltre la mera osservazione a occhio nudo e scrutare così in profondità gli oggetti celesti: il telescopio e la fotocamera digitale. In questo corso ne analizzeremo il funzionamento: vedremo come, grazie al telescopio, siamo in grado di catturare la luce di oggetti celesti estremamente deboli e, tramite la fotocamera, possiamo imprimere questa luce nei pixel che compongono un’immagine digitale.

Ci accorgeremo che un’immagine così ottenuta necessita di una fase di post-elaborazione, al fine di risaltare al meglio i dettagli del soggetto ripreso: vedremo come ciò sia possibile tramite un processo che prende il nome di calibrazione dell’immagine.

Infine, scopriremo come questi scatti possano essere utilizzati nell’ambito scientifico delle misure, per studiare il moto degli oggetti celesti, la loro luminosità e il loro spettro elettromagnetico.

Il corso è strutturato in tre week, o settimane, che non corrispondono necessariamente a settimane di apprendimento, ma piuttosto a blocchi logici.

Week 1 – Introduzione

Week 2 – Acquisizione ed elaborazione d'immagini

Week 3 – Misure

La prima week, introduttiva, si compone di un’unica lezione, nella quale si discuterà della visione diurna e notturna. Analizzeremo da vicino la struttura dell’occhio umano con particolare attenzione alle cellule fotoricettrici: i coni e i bastoncelli.

La seconda week si compone di due moduli. Nel primo ci addentreremo all’interno di una moderna fotocamera digitale per capirne il funzionamento, iniziando dallo studio dell’effetto fotoelettrico, alla base del funzionamento del sensore. Scopriremo che vi sono due tipologie differenti di sensori: i CCD e i CMOS, che confronteremo per risaltarne vantaggi e svantaggi. Vedremo quindi in che modo la luce incidente viene trasformata in immagine digitale; parleremo di conversione analogico-digitale del segnale elettrico; scala di luminosità dei pixel e istogramma di esposizione dell’immagine. Scopriremo poi come sia possibile ottenere immagini a colori, grazie all’utilizzo di filtri e alle tecniche di tricromia.

Il secondo modulo è incentrato sulla fotografia astronomica: si discuterà del processo di calibrazione delle immagini per ottenere scatti di qualità di oggetti celesti. Verranno introdotti i dark e i bias frame, utilizzati per sottrarre alla nostra immagine grezza il segnale termico (dato dal riscaldamento del sensore) e il segnale di lettura (dato dalla componente elettronica), per poi passare al flat frame, utile per correggere il fixed pattern e ottenere così un campo uniformemente illuminato. Tratteremo quindi la media delle immagini al fine di attenuare il rumore casuale.

Nella terza week si parlerà di applicazioni delle immagini nell’ambito delle misure. Scopriremo come, grazie all’astrometria, possiamo studiare il moto dei corpi celesti; con la fotometria la loro intensità luminosa e, tramite la spettroscopia, analizzarne lo spettro elettromagnetico.