Point spread function estimation of solar surface images with a cooperative particle swarm optmization on GPUS

Abstract

Resumo: Apresentamos um método para a estimativa da função de espalhamento pontual (PSF) de imagens de superfície solar obtidas por telescópios terrestres e corrompidas pela atmosfera. A estimativa e feita obtendo-se a fase da frente de onda usando um conjunto de imagens de curta exposto, a reconstrucão de granulado optico do objeto observado e um modelo PSF parametrizado por polinómios de Zernikes. Estimativas da fase da frente de onda e do PSF sao computados atraves da minimização de uma função de erro com um metodo de otimizacão cooperativa por nuvens de partículas (CPSO), implementados em OpenCL para tirar vantagem do ambiente altamente paralelo Um metodo de calibração e apresentado para ajustar os parâmetros do que as unidade de processamento gráfico (GPU) provem. algoritmo para resultados de baixo custo, resultando em solidas estimativas tanto para imagens de baixa frequência quanto para imagens de alta frequência. Os resultados mostram que o metodo apresentado possui rápida convergência e e robusto a degradação causada por ruídos. Experimentos executados em uma placa NVidia Tesla C2050 computaram 100 PSFs com 50 polinómios de Zernike em 36 minutos. Ao aumentar-se o número de coeficientes de Zernike dez vezes, de 50 para 500, o tempo de execucão aumentou somente 17%, o que demonstra que o algoritmo proposto é pouco afetado pelo número de Zernikes utilizado.

Abstract: We present a method for estimating the point spread function (PSF) of solar surface images acquired from ground telescopes and degraded by atmosphere. The estimation is done by retrieving the wavefront phase using a set of short exposures, the speckle reconstruction of the observed object and a PSF model parametrized by Zernike polynomials. Estimates of the wavefront phase and the PSF are computed by minimizing an error function with a cooperative particle swarm optimization method (CPSO), implemented in OpenCL to take advantage of highly parallel graphical processing units (GPUs). A calibration method is presented to adjust the algorithm parameters for low cost results, providing solid estimations for both low frequency and high frequency images. Results show that the method has a fast convergence and is robust to noise degradation. Experiments run on an NVidia Tesla C2050 were able to compute 100 PSFs with 50 Zernike polynomials in " 36 minutes. The increase on the number of Zernike coefficients tenfold, from 50 to 500, caused the increase of 17% on the execution time, showing that the proposed algorithm is only slightly affected by the number of Zernikes used.