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/ Space & Astronomy / Space and Astronomy (October 1993).iso / mac / TEXT_ZIP / spacedig / V12_0 / V12_034.ZIP / V12_034
Internet Message Format  |  1991-07-08  |  20KB

  1. Return-path: <ota+space.mail-errors@andrew.cmu.edu>
  2. X-Andrew-Authenticated-as: 7997;andrew.cmu.edu;Ted Anderson
  3. Received: from beak.andrew.cmu.edu via trymail for +dist+/afs/andrew.cmu.edu/usr11/tm2b/space/space.dl@andrew.cmu.edu (->+dist+/afs/andrew.cmu.edu/usr11/tm2b/space/space.dl) (->ota+space.digests)
  4.           ID </afs/andrew.cmu.edu/usr1/ota/Mailbox/oaa1sFy00VcJQDRU4H>;
  5.           Mon,  9 Jul 1990 02:02:58 -0400 (EDT)
  6. Message-ID: <Aaa1rnO00VcJEDPk4g@andrew.cmu.edu>
  7. Precedence: junk
  8. Reply-To: space+@Andrew.CMU.EDU
  9. From: space-request+@Andrew.CMU.EDU
  10. To: space+@Andrew.CMU.EDU
  11. Date: Mon,  9 Jul 1990 02:02:28 -0400 (EDT)
  12. Subject: SPACE Digest V12 #34
  13.  
  14. SPACE Digest                                      Volume 12 : Issue 34
  15.  
  16. Today's Topics:
  17.       Re: Image Restoration (was Hubble Trouble) [LONG]
  18.  
  19. Administrivia:
  20.  
  21.     Submissions to the SPACE Digest/sci.space should be mailed to
  22.   space+@andrew.cmu.edu.  Other mail, esp. [un]subscription notices,
  23.   should be sent to space-request+@andrew.cmu.edu, or, if urgent, to
  24.              tm2b+@andrew.cmu.edu
  25.  
  26. ----------------------------------------------------------------------
  27.  
  28. Date: 9 Jul 90 00:29:45 GMT
  29. From: uvaarpa!murdoch!fits!dwells@mcnc.org  (Don Wells)
  30. Subject: Re: Image Restoration (was Hubble Trouble) [LONG]
  31.  
  32.  
  33.   (Notations [xxyy], e.g. [PSB88], refer to references given at the end.)
  34.         (There is also a glossary at the end.)
  35.  
  36. A week ago, in article <396@cfa.HARVARD.EDU> willner@cfa.HARVARD.EDU
  37. (Steve Willner, OIR) wrote:
  38.  
  39. sw> Here is some information on the HST status and some comments of mine.
  40. sw> The information came from a talk given here on 6/29.  The speaker got
  41. sw> his information directly from a briefing to the Science Working Group...
  42. sw> The (Wide Field/Planetary Camera and Faint Object Camera) will be
  43. sw> the worst affected.  At best, image restoration might be able to derive
  44. sw> full-resolution images from the 10% of the light still within the
  45. sw> central spot, but at least a factor of 10 (2.5 magnitudes) in
  46. sw> sensitivity will thereby be lost.  Ultraviolet imaging will be possible
  47. sw> at spatial resolution comparable to ground-based telescopes in visible
  48. sw> light.
  49.  
  50. The last two sentences sound to me like a reasonable projection of
  51. what will happen, with the exception that the factor of 10 loss of
  52. sensitivity estimate might prove to be unduly pessimistic, especially
  53. in the ultraviolet where night sky background may be lower (remember,
  54. the real problem is not so much the broadening of the PSF as it is the
  55. excess sky noise).  There is reason to think that the full spectrum of
  56. spatial frequencies provided by the 2.4 meter aperture (the "baseline"
  57. in interferometer terminology) are present in the PSF, so that high
  58. quality (i.e., "beautiful!") restorations are likely to be possible
  59. (see discussion below).
  60.  
  61. sw> ---------What follows is from me, not from the talk-------------------
  62. sw> The problem of image restoration is rather different than the radio
  63. sw> case.  An optical detector measures the wave "intensity," not the
  64. sw> "amplitude."  The difference is that phase information is lost.  Some
  65. sw> degree of reconstruction should certainly be possible, but it is not
  66. sw> clear how much.  
  67.  
  68. The waves interfere to form diffraction fringes. The positions of
  69. these fringes in the image matrix carry the information about relative
  70. source positions. The orientation of the sources is not ambiguous.
  71. Therefore, I do not agree with the assertion that the phase
  72. information needed to restore the scene has been lost. The key
  73. question is whether fringes are seen. If they are (see below), then
  74. the information about the sky is encoded in the position and amplitude
  75. of these fringes, and within the range of spatial frequencies which
  76. have been sampled we are limited only by the S/N of the data. The only
  77. real difference for restoration purposes is that radio interferometers
  78. do not usually measure the zero baseline and so they have a PSF with
  79. integral of zero. Because of this fact (and also the zeroes elsewhere
  80. in the UV-plane due to unsampled baselines), linear restoration is not
  81. used in radio synthesis imaging; all radio restoration is nonlinear
  82. [NN86,PSB88]. I do not expect that this difference in the form of the
  83. PSF will prevent nonlinear techniques from restoring the HST data.
  84.  
  85. sw> Since any reconstruction costs signal-to-noise, the 
  86. sw> faintest objects will not be reconstructable.
  87.  
  88. Nonlinear restoration does not degrade S/N (see discussions in [F72],
  89. [FW78], [W80], [NN86]). A better gross generalization would be "the
  90. MEM is maximally non-committal regarding unmeasured data and...
  91. produces images that are as featureless as possible" (i.e., as
  92. noise-free as possible while consistent with the measured data; quote
  93. is from Sect.1.2 of [NN86]). It is true that S/N is degraded with
  94. *linear* algorithms, but I do not expect that linear restoration will
  95. be used for HST data once observers see how much better the nonlinear
  96. algorithms perform.
  97.  
  98. sw> However, there are lots
  99. sw> of bright objects where HST resolution will be valuable...
  100.  
  101. Yes. For example, I expect than a well-exposed UV image of the jet in
  102. M87 taken with the FOC (and maybe even with the PC) will enable a fine
  103. restoration to be produced, perhaps to nearly the diffraction limit.
  104. It would be very interesting to compare such an image to the VLA image
  105. which has a PSF of slightly less than 0.1 arcsec.
  106.  
  107. sw> Steve Willner            Phone 617-495-7123         Bitnet:   willner@cfa
  108. sw> Cambridge, MA 02138 USA                 Internet: willner@cfa.harvard.edu
  109.  
  110.  
  111.     =-=-=-=-= The HST PSF does show fringes! =-=-=-=-=
  112.  
  113. In a followup a week ago <Sat, 30 Jun 90 05:33:47 GMT,
  114. 1990Jun30.053347.17878@murdoch.acc.Virginia.EDU>, I said that: "I
  115. would be curious to know if the FOC sees diffraction patterns in the
  116. out-of-focus images, especially when using a narrow band filter (e.g.,
  117. H-alpha).  If it does, then those irregular "rings" would be carrying
  118. the *full* spatial frequency range of the 2.4meter aperture!"  A day
  119. or so later a friend who reads sci.astro and who had heard a technical
  120. presentation by a member of one of the IDTs told me via E-mail that:
  121. "Lovely diffraction patterns are seen and they fit them to a simple
  122. model incorporating pure spherical aberration, obstructions due to the
  123. telescope mount and so on." Then, later in the week I mentioned this
  124. statement in the presence of another person who is associated with
  125. another IDT, and he confirmed it. He said that the fit of the
  126. diffraction fringe pattern to textbook theory [BW59, Ch.9] is so exact
  127. that computed and observed images are practically indistinguishable.
  128. So, when you hear that the wavefront is wrong by half a wave, what it
  129. probably means is that that number is the amount that makes the
  130. diffraction model fit the data.  It sounds like this is a *perfect*
  131. mirror, perfectly wrong, and the magnitude of the wavefront error is
  132. now exactly known. I.e., the necessary information to design proper
  133. correcting optics for the replacement instruments is available.
  134.  
  135. I have not seen any actual imagery from HST, and I have not computed
  136. any model images from theory, but I will speculate a bit anyway.
  137. Normally a perfect mirror would bring the wavefront from all parts of
  138. the aperture to about the same point, where interference fringes would
  139. be formed and add up to form the Airy disk surrounded by rings. But
  140. there is no focal point at which this can occur in the HST as built;
  141. by choosing a focal point you choose which ring of the aperture will
  142. be able to interfere. My intuitive guess is that it would be best to
  143. choose to focus a ring near the outer edge of the aperture (the
  144. "marginal focus") in order to maximize the area coming to a focus and
  145. the longest baseline (but that may be naive; better to do the
  146. calculations to confirm whether the marginal focus is the best
  147. choice).
  148.  
  149. I expect that the outer ring can form a sharp core with width similar
  150. to the Airy disk (see Fig.9.4(a) on p.476 of [BW59]). Apparently about
  151. 10% of the flux is in this core and nearby rings.  Note that all
  152. baselines from zero up to the diameter of the HST are making fringes
  153. in this core region because of all the chord baselines connecting
  154. elements around the circumference of the ring aperture.  Therefore,
  155. probably this will be a fine PSF for restoration work, and I expect to
  156. see pretty (and scientifically useful) images from any sources for
  157. which sufficient photons can be accumulated, either because they are
  158. bright or because sufficient exposure time can be obtained. If the
  159. background noise level is low enough (e.g., in the UV) even the
  160. out_of_focus halo may be able to contribute to the restoration and
  161. thereby recover some of the lost S/N. The best, most easily restored,
  162. fringes will be seen with narrowband filters, but more photons will be
  163. available as filters are broadened. This tradeoff of S/N vs. fringe
  164. visibility as a function of optical bandwidth will probably turn out
  165. to be a very interesting question.
  166.  
  167.     =-=-=-=-= Exhortation =-=-=-=-=
  168.  
  169. Image restoration has not yet become credible in optical astronomy, in
  170. spite of the beliefs and hopes of all the people who have worked on it
  171. over the past 20 years. This is because there has never before been a
  172. direct imaging problem in optical astronomy in which scientific
  173. results depended *critically* on restoration technology. Imaging on
  174. the (crippled) HST really does need nonlinear deconvolution. Now is
  175. the moment for the restoration specialists to exert maximum effort on
  176. this problem!
  177.  
  178.     =-=-=-=-= Selected references =-=-=-=-=
  179.  
  180. [BW59] M.Born & E.Wolf, "Principles of Optics", Pergamon Press 1959
  181.     (1st ed), LOC=QC355.B63.
  182.  
  183. See Ch.9 "The Diffraction Theory of Abberations", Sect.9.4 "The
  184. Diffraction Pattern Associated with a Single Abberation", and
  185. Sect.9.4.1 "Primary Spherical Abberation". Note Fig.9.4 "Images in the
  186. marginal focal plane... in the presence of primary spherical
  187. abberation". The examples are for filled apertures; central
  188. obscuration cases like HST follow from the Babinet principle. See also
  189. Fig.9.15 "Normalized frequency response curves for incoherent
  190. illumination, at selected focal settings of a system suffering from a
  191. small amount of primary spherical abberation...".
  192.  
  193. [F72] B.R.Frieden, 1972, J. Opt. Soc. Am. 62, 511-18.
  194.  
  195. This is the original paper on MEM restoration of photon-noise-limited,
  196. diffraction-limited optical signals. Frieden showed that information
  197. even beyond the Rayleigh limit is recoverable in favorable cases. His
  198. graduate student's unpublished thesis (R.Herschel, "Unified Approach
  199. to Restoring Degraded Images in the Presence of Noise", Univ.  Arizona
  200. 1971, also Opt. Sciences Ctr. Tech. Rep. 72) was produced in the same
  201. period and contains a description of what was probably the first
  202. operational 2-D nonlinear image restoration algorithm.
  203.  
  204. [FW78] Frieden,B.R., Wells, D.C., 1978, J. Opt. Soc. Am. 68, 93-103,
  205.     "Restoring with Maximum Entropy. III. Poisson Sources and
  206.     Backgrounds".
  207.  
  208. Much of the discussion in this paper is relevant to the HST
  209. diffraction-limited case with its photon (Poisson) noise, but the use
  210. of a separable Gaussian kernel is not (it is the right tactic for
  211. seeing-limited imagery). This is the original reference for the
  212. concept of subtracting the background image (separate handling of high
  213. and low spatial frequencies) while accounting for the signal-dependent
  214. noise variation.
  215.  
  216. [W80] Wells, D.C., 1980, Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng. 264,
  217.     148-156, "Nonlinear Image Restoration: What We Have Learned".
  218.  
  219. This is a review paper, with references for the first ten years of
  220. non-linear deconvolution research, especially oriented toward the
  221. optical case.  Last week I went back into my files and re-read this
  222. paper, and found that I still agree with everything I said ten years
  223. ago. I was also surprised to find that I had even mentioned the Space
  224. Telescope in one of the sections!  SPIE volume 264 is "Applications of
  225. Digital Image Processing to Astronomy", the proceedings of a
  226. conference held at JPL/Caltech in August 1980.
  227.  
  228. [NN86] R.Narayan and R.Nityananda, "Maximum Entropy Image Restoration
  229.     in Astronomy", Ann. Rev. Astron. Astrophys. 1986, 24, 127-70.
  230.  
  231. This is a superb, comprehensive review of the MEM field, with special
  232. attention to the successes of deconvolution in radio astronomy, and
  233. with good comparisons of MEM to other techniques like CLEAN. This ARAA
  234. chapter is *required reading* for any astronomer who is seriously
  235. interested in nonlinear deconvolution. I agree with the final
  236. sentences: "Ultimately, in our view, any image consistent with the
  237. data and free from obvious artifacts must be taken seriously. The goal
  238. of restoration techniques is to produce such images. When the results
  239. are relatively independent of the method, we gain confidence in them.
  240. However, if we obtain significantly different restorations, the places
  241. where they agree should tell us what we can really believe, and the
  242. differences should indicate what extra data are needed."  Any radio
  243. astronomer in the 80's knows just what they mean! Their Fig.5 (p.145)
  244. shows restorations of test data by several variations on MEM and by
  245. CLEAN.
  246.  
  247. [PSB88] "Synthesis Imaging In Radio Astronomy", ed. R.Perley, F.Schwab
  248.     & A.Bridle, LOC=QB479.2.S96, ISBN=0-937707-23-6, San Francisco:
  249.     Astronomical Society of the Pacific, 1988, 509 pages.
  250.  
  251. This [text]book is an editted version of notes from the Third NRAO
  252. Synthesis Imaging Summer School, held at Socorro, NM, June 1988, for
  253. which the staff of NRAO prepared a series of lectures for serious
  254. students of synthesis imaging and image processing. Both the theory
  255. and the practice of synthesis imaging, including MEM and CLEAN, are
  256. covered.
  257.  
  258. [GGHP90] P.Gorham, A.Ghez, C.Haniff and T.Prince, 1990, Astron. J.
  259.     100, 294, "Recovery of Diffraction-Limited Object Autocorrelations
  260.     from Astronomical Speckle Interferograms using the CLEAN Algorithm".
  261.  
  262. I chose this reference, in the July 1990 (current) issue of AJ, to
  263. illustrate that use of nonlinear deconvolution is not confined to
  264. radio astronomy. The authors, all from Caltech, are reducing data from
  265. the Palomar 5 meter. The abstract says: "We present a new technique
  266. for processing speckle interferometric data which uses the CLEAN
  267. algorithm, originally developed for the removal of the effects of
  268. incomplete spatial frequency coverage in aperture synthesis radio maps
  269. ...  because of the immmunity of CLEAN to gaps in the spatial
  270. frequency coverage of the power spectrum, deconvolution is robust
  271. under conditions where regions of low signal-to-noise ratio in the raw
  272. speckle data effectively introduce such gaps..." Later in the paper we
  273. read "Ebstein (1987) has developed an iterative Fourier deconvolution
  274. technique which uses a series of projections onto convex sets to
  275. successively constrain an initial estimate of the object spectrum,
  276. with requirements such as positivity and symmetry in the object power
  277. spectrum and positivity of the corresponding autocorrelation function
  278. (ACF). Here we present an alternative technique which employs CLEAN
  279. algorithm to perform the deconvolution entirely in the domain of the
  280. specklegram average ACF ... the technique may be applied to recover a
  281. diffraction-limited autocorrelation of the observed astronomical
  282. object, even if the SNR of the data is of order unity or less
  283. throughout large portions of the raw object power spectrum..."  Note
  284. that the specklegrams are optical *photon_noise_limited* images.  The
  285. details of the speckle problem are different from those of the HST
  286. imagery, but the basic problem of inverting an integral equation is
  287. the same. The key to getting good results in all such problems is to
  288. introduce non-linear constraints (usually positivity) into the
  289. algorithms.
  290.  
  291.     =-=-=-=-= Glossary of Selected Terms =-=-=-=-=
  292.  
  293. Restoration    }    Synonyms. "restoration" is used by image processing
  294. Reconstruction    }    people. "inversion" (of integral equations) is often
  295. Deconvolution    }    used by mathematicians. I myself often prefer to use
  296. Inversion    }    "deconvolution", but use "restoration" interchangeably
  297.             with it.    
  298.  
  299. PSF        }    Synonyms. PSF = Point_Spread_Function. Radio 
  300. kernel        }    astronomers often refer to the "beam". Mathematicians
  301. beam        }    often prefer "kernel". Many signal processing people
  302. impulse_response}    like "impulse response". Most image processing people
  303.             prefer "PSF", and so do I, but I use all four terms 
  304.             interchangeably.
  305.  
  306. UV-plane    = 2-D Fourier Transform of image plane. Coordinates are
  307.         spatial frequency, e.g. cycles per arcsecond, and values
  308.         in cells of matrix are complex, amplitude and phase. Radio
  309.         interferometers measure "complex [fringe] visibilities"; these
  310.         are "gridded" into the UV matrix and then an inverse Fourier
  311.         Transform produces the image. The UV-plane is the arena in
  312.         which much of the discussion of image restoration takes place.
  313.         Note!! Do not confuse this use of "UV" with UV as an 
  314.         abbreviation for "ultraviolet". "UV-plane" is a traditional
  315.         notation which happens to use the same letters for variable
  316.         names.
  317.  
  318. IDT        = HST Instrument Definition Team (aka Guaranteed Time 
  319.         Observers [GTOs]). Each of the five instruments of the HST
  320.         was proposed by a team who have had responsibility for its
  321.         implementation over the past decade. In return team members
  322.         will get guaranteed time during the first months of HST 
  323.         operation. There is also the Astrometry IDT, who will use
  324.         the FGS [Fine Guidance Sensors] for their science.
  325.  
  326. FOC        = HST Faint Object Camera. The FOC has a long focal length,
  327.         large image scale, in order to fully sample the diffraction
  328.         pattern of the HST.
  329.  
  330. PC        = Planetary Camera portion of the WF/PC HST instrument.
  331.         The PC has a longer focal length (f/48?) than the Wide Field
  332.         camera; it is approximately critically sampled for the 
  333.         visible and near-IR bands.
  334.  
  335. sampling    = as in "critically sampled", "under-sampled", "fully sample
  336.         the diffraction pattern". This refers to the famous Sampling
  337.         Theorem, which says (roughly) that any bandlimited function
  338.         is fully specified by samples taken at a frequency at least
  339.         twice as high as the bandlimit. In the case of the HST the
  340.         bandlimit is set by the main mirror diameter, 2.4 meters; any
  341.         focal plane of the HST in which wavefronts from the outer
  342.         ring of the aperture interfere will contain interference 
  343.         fringes with angular spatial frequency (in radians) of about 
  344.         lambda in meters divided by the diameter in meters [2.4m].
  345.         Critical sampling needs angular pixel frequency twice this
  346.         interference fringe frequency limit. Failure to meet this 
  347.         criterion results in the aliasing of high spatial frequency 
  348.         information back to lower frequencies; this mixing of signals 
  349.         is *very* difficult to untangle once it has been allowed to 
  350.         occur.
  351.  
  352. baseline    = as used in radio interferometry, either (1) a pair of 
  353.         antennas, (2) the geometric line connecting such a pair,
  354.         (3) the projection on the sky of the connecting line, or
  355.         (4) the point in the UV-plane whose spatial frequency 
  356.         coordinates correspond to definition (3). NRAO's VLA, the
  357.         largest radio interferometer, with 27 antennas, produces 
  358.         fringe visibilities (samples in the UV-plane) for 351 
  359.         baselines (27*26/2). Earlier, when discussing the HST imaging,
  360.         I used the term "baseline" in several places as though the
  361.         HST aperture could be considered to be made up of a mosaic
  362.         of antennas whose wavefronts interfere to form "baselines"
  363.         in the radio sense.
  364.  
  365.             =-=-=-=-=
  366.  
  367. Donald C. Wells, Associate Scientist | NSFnet: dwells@nrao.edu [192.33.115.2]
  368. National Radio Astronomy Observatory | SPAN:   NRAO::DWELLS    [6654::]
  369. Edgemont Road                        | BITnet: DWELLS@NRAO
  370. Charlottesville, VA 22903-2475 USA   | UUCP:   ...!uunet!nrao.edu!dwells
  371. Lat: 38:02.2N  Long: 78:31.1W        | Tel:+1-804-296-0277 Fax:+1-804-296-0278
  372.  
  373. ------------------------------
  374.  
  375. End of SPACE Digest V12 #34
  376. *******************
  377.