CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

Prezentacja na temat: "CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP"— Zapis prezentacji:

1 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
CCD Toolkit Testowanie kamer CCD Protokół komunikacyjny NUDP Janusz Użycki CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

2 Konwersja obrazu optycznego na elektryczny
MATRYCA półprzewodnikowy czujnik światła CMOS CCD PIN najczęściej używane, popularne i tanie CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

3 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
CMOS - CCD Nowoczesne matryce CMOS mają podobną do matryc CCD (o zbliżonej rodzielczości i rozmiarze piksela): czułość poziom szumów wydajność kwantową ale... CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

4 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
Wady i zalety CMOS CCD matryca, wzmacniacze, ADC oraz układy sterujące w jednej strukturze wafla krzemu, łatwe w użyciu, zwykle jedno napięcie zasilania jedynie matryca z wejściami sterującymi oraz prostym wzmaniaczem na wyjściu, skomplikowane sterowanie, duża średnica CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

5 Dlaczego CCD? Charge-Coupled Devices
matryce CMOS o średnicy większej niż pół cala są produkowane bardzo rzadko, co dyskwalifikuje je prawie całkowicie w zastosowaniach profesjonalnej astronomii matryce CCD są dostępne w szerokiej gamie rozdzieczości i rozmiarów wybrana matryca CCD: 2048 x 2048 pikseli, 15 x 15 μm każdy CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

6 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
Jak działa CCD? wykonywanie zdjęcia, czas ekspozycji idea odczytu fotony ładunek vs. światło CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

7 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
Jak działa CCD? idea odczytu poziome przesuwanie ładunków CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

8 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
Jak działa CCD? idea odczytu pionowe przesuwanie ładunków „w kolejce” CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

9 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
Jak działa CCD? sygnał wideo ADC wzmacniacz przesuniecie poziome odczyt CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

10 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
Budowa matrycy CCD struktura matrycy p f1 f3 f2 n SiO2 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

11 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
Budowa matrycy CCD umieszczanie wstępnego ładunku w matrycy umieszczanie ładunku p f1 f3 f2 n bariera brzegowa CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

12 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
Budowa matrycy CCD studnia potencjału CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

13 Sterowanie matrycą CCD
trójfazowy sygnał zegarowy CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

14 Sterowanie matrycą CCD
trzy etapy przesuwania ładunku CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

15 Konsekwencje zastosowania matrycy CCD
element problemy matryca CCD szumy, wpływ temperatury środowiska pracy, prąd ciemny, „gorące” piksele, gradient czułości matrycy układy sterowania matrycą dobór najlepszych czasów taktowania matrycy wzmacniacz sygnału wideo szumy, dobór wzmocnienia przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) efekty digitalizacji: offset, nieliniowość itp.. CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

16 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
Przyjęte rozwiązania środowisko pracy około -10ºC redukcja szumów i promieniowania podczerwonego statystyczne metody analizy: „ciemne” zdjęcia (przy braku wszelkiego oświetlenia), tzw. klatki ciemne, pozwalają dobrać najlepsze parametry kamery CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

17 Przykładowy problem do rozwiązania
Jakie jest całkowite wzmocnienie poniższego układu? światło CCD wzmacniacz ADC odczyt danych CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

18 Wymagania postawione aplikacji CCD Toolkit
zaprojektowane na platforme PC: systemy Windows XP oraz 2000 (główne platformy dla elektroników) możliwość przeniesienia do systemów typu UNIX / linux została użyta biblioteka ROOT (przy wsparciu Marcina Molaka) oraz Microsoft Visual C++ CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

19 Wymagania - odczyt danych
odczyt zdjęć (obrazów) w formacie fits fits jest formatem stosowanym w astronomii, w którym nasza aparatura zapisuje dane dane typu ‘RAW data’, 16-bitowe słowa została użyta biblioteka CFITSIO CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

20 Wymagania - wstępna obróbka
eliminacja offsetu (przesunięcia poziomu szarości) oraz „gorących” pikseli cel osiągnięty poprzez odjęcie od siebie dwóch kolejnych, ciemnych zdjęć CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

21 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
okno główne CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

22 Wymagania - obraz i jego wizualizacja
wyświetlanie obrazu zdjęć szybki podgląd zdjęcia umożliwia ocenę głównych wad kamery w sposób natychmiastowy CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

23 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
okno podglądu zdjęcia przykładowe powiększenie CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

24 Wymagania - obszar użyteczny matrycy
wycinanie obszaru zdjęcia poddawanego dalszym analizom ograniczenie obszaru pozwala odnaleźć część widoku o najlepszych parametrach, czyli tzw. obszar użyteczny CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

25 Wymagania dotyczące analizy - histogram główny
histogram XY, statystyczny rozkład jasności pojedynczych pikseli obrazu, dopasowanie do niego rozkładu Gaussa histogram XY pozwala na wyznaczenie minimalnej, średniej i maksymalnej jasności zdjęcia, co zostało wykorzystane przy podglądzie zdjęcia CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

26 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
histogramy: XY profili CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

27 Wymagania dotyczące analizy - profile
profil X oraz profil Y, są to projekcje danych odpowiednio na oś X i Y, osiąga się je poprzez policzenie sumy bądź wartości średniej w danej płaszczyźnie pozwalają wychwycić niewidoczne wcześniej błedy i oszacować je, np. prąd ciemny czy wpływ sprzężenia pojemnościowego matryca-wzmacniacz CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

28 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
profile (projekcje na osie) CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

29 Wymagania dotyczące analizy - pozostałe histogramy
histogram profilu X oraz profilu Y podział obrazu na regiony i wykonanie dla każdego z nich histogramu jasności pikseli oraz wyznaczenie parametrów rozkładu Gaussa (wartości głównej /mean/ i odchylenia standardowego /sigma/). podział na regiony pozwala ocenić, gdzie znajduje się obszar o kiepskich parametrach CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

30 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
po podziale na regiony CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

31 Wymagania dotyczące analizy - plot gain
wykres z punktami o współrzędnych (mean, sigma) dopasowanie prostej do punktów wyznaczenie nachylenia prostej odpowiedź na poprzednie pytanie o całkowite wzmocnienie układu: CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

32 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
przykład dopasowania błędnej linii wzmocnienia przyczyna: offset CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

33 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
poprawny fit gain CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

34 Możliwości CCD Toolkit
FFT zakłócenia CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

35 Możliwości CCD Toolkit
FFT po eliminacji zakłóceń CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

36 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
aktualna wersja okno główne CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

37 Podsumowanie CCD Toolkit
program jest wciąż testowany, lecz już w praktyce, wspomagając resztę zespołu aplikacja będzie nadal rozwijana i ulepszana potrzeba wiele pracy, aby dobrać najlepsze parametry pracy i sterowania dla naszych nowych kamer projektu „Pi of the Sky” nowe kamery: USB + ethernet (NUDP) CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

38 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
Przepływ danych za pomocą medium należy przesłać do kamery komendy, odczytać i ustawić parametry oraz odebrać dane, tj. przesłać dane zdjęcia z pamięci RAM kamery do komputera i zapisać do pliku dotychczas stosowano interfejs USB obecnie wzbogacono kamerę o ethernet 1Gbit/s CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

39 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
Stos TCP/IP blokowy charakter strumienia danych, np pakietów po 1024 bajty danych ramki ethernet (adres MAC) ramki IP (adres IP) i pakiety ICMP (obsługa echa - ping) pakiety UDP pominięcie obsługi pakietów TCP CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

40 Konsekwencje ograniczenia się do paketów UDP
mamy dostępne kilka tysięcy portów UDP w ramach jednego adresu IP sumy kontrolne IP i UDP są i tak liczone automatycznie poprzez kontroler sieciowy datagram UDP nie daje gwarancji dotarcia do obiorcy UDP nie posiada mechanizmu zapewniajacego kolejność dostarczanych pakietów CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

41 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
Zadania NUDP enkapsulowany poprzez datagram UDP pozwala zachować kolejność pakietów, numerując je umożliwia retransmisję zagubionych pakietów zapewnia dotarcie pakietów poprzez zastosowanie metody potwierdzania od strony kamery CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

42 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
Struktura NUDP rev Nagłówek NUDP, zawsze 8 bajtów: pole identyfikacyjne typ ramki NUDP suma kontrolna nagłówka pole numeru – number field CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

43 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
Pole typu ramki NUDP bit potwierdzenia wersja protokołu rozróżnienie typu ramki – typ pakietu CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

44 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
Typy pakietu NUDP 0 – komenda, rozpoczyna się od pola number 4 – ustawienie rejestru 16-bitowego 5 – odczyt rejestru 16-bitowego 6 – retransmisja pakietu danych RAW 7 – transmisja pakietu danych RAW, ten typ pakietu nigdy nie jest potwierdzany i zawsze jest generowany tylko przez kamerę pozostałe numery do 15 są zarezerwowane CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

45 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
Przykładowe komendy 0x01 aa bb cc, konfiguracja procesora wideo 0x02 aa bb xx, ustawienie czasu migawki 0x03 xx xx xx, wykonanie zdjęcia 0x08 xx xx xx, inicjuje transfer danych 0xFC xx xx xx, odświeżenie watchdoga CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP

46 CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP
Podsumowanie NUDP pierwsza implementacja protokołu NUDP pojawiła się w emulatorze kamery NUDPSIM kolejna implementacja w programie SockTalk po testach protokołu został on zaimplementowany równolegle w kamerze (Grzegorz Kasprowicz) oraz w linuksowym sterowniku (Robert Sulej) protokół spełnia jak dotąd postawione mu zadania, 100% danych przesłanych bez retransmisji przy braku przeciążeń sieci CCD Toolkit jako narzędzie projektu „Pi of the Sky” oraz protokół NUDP