Optimální délka expozice

O astrofotografii všeobecně, metody, postupy zpracování snímků, odkazy na stránky s astrofoto tematikou, rady pro začátečníky...
Uživatelský avatar
Sasa3
Příspěvky: 4285
Registrován: 06. 11. 2007, 15:22
Bydliště: Ricany
Kontaktovat uživatele:

Optimální délka expozice

Příspěvek #1 od Sasa3 » 15. 07. 2009, 20:43

Padl tady dotaz od Fra ohledně určení optimální délky expozice a narazili jsme na tenhle problém i při diskusi ohledně volby většího dalekohledu. Založil jsem kvůli tomu nové téma, aby se to nemíchalo.

Takže vysvětlené je to docela polopaticky v tom odkazu, který uvedl ceres: http://starizona.com/acb/ccd/advtheoryexp.aspx. Jsou tam odvozené příslušné vztahy a je tam myslím odkaz i na příslušný webovský kalkulátor.

Celkový šum ve složeném snímku je daný hlavně úrovní pozadí oblohy - tedy v našem případě celkovým počtem elektronů, které se do daného pixelu uloží během celkové expoziční doby. To je něco, s čím nelze pohnout a tohoto šumu se nelze zbavit (nepočítám-li cestování za tmavší oblohou případně focení přes filtry). Vezmu-li příklad UGC10822 (80mm dalekohled při f/4.8, L filtr, Atik 314L), pozadí oblohy bylo na jednom snímku kolem 800ADU (už si to nepamatuji přesně, ale je to jedno). Potřebuji ještě znát převodní koeficient mezi ADU a nábojem, v případě Atiku 314L jsem změřil, že 1e- odpovídá 4 ADU, tzn. že za 3 minuty kamera v jednom pixelu zaregistruje kolem 800/4=200e-, které pocházejí od fotonů z pozadí oblohy. Udělal jsem celkem 100 snímků, celkově tak jeden pixel zaregistroval 200*100=20000e-. Příslušná hodnota šumu je odmocnina z tohoto čísla, tedy sqrt(20000)=141.42e-. To je šum, který tam bude vždycky i kdyby kamera byla úplně ideální. Jde o to nepřidat si tam zbytečně moc dalšího šumu.

Ani CCD kamera ale není ideální. Temný proud a příslušný šum temného proudu je u chlazených CCD kamer většinou zanedbatelný a hlavní příspěvek ve výslednému šumu pochází od vyčítacího šumu kamery (výrobce tuto hodnotu většinou udává ve specifikaci kamery). Pro svůj Atik 314 jsem změřil, že vyčítací šum je kolem 3.5e-. Každé vyčtení kamery tedy zvýší hodnotu šumu. Kdybych vše nasnímal jednou 300minutovou expozicí, bude výsledná hodnota šumu sqrt(141.42*141.42+3.5*3.5)=141.46e- (nezávislé šumy se sčítají v kvadrátu). Výsledný šum se od ideálního prakticky nezměnil. Co, kdybych teď místo toho udělal 2 expozice po 150ti minutách. Výsledný šum bude  (141.42*141.42+3.5*3.5+3.5*3.5)=141.51e-. Furt nic. Když budu fotit 10 expozic po 30ti minutách dostanu (141.42*141.42+10*3.5*3.5)=141.85e-. Ještě furt se nic neděje, výsledná hodnota šumu bude prakticky stejná. Co těch 100 expozic po 3 minutách? Ty dají šum (141.42*141.42+100*3.5*3.5)=145.69e-. To už se něco začíná dít, ale změna je nepatrná. Šum se zvýší jenom o 3%.

Z příkladu je zřejmé, že čím kratší expozice volíme (při fixní celkové délce snímání, což je hlavní parametr, který určuje, jak slabé objekty půjdou zachytit), tím větší výsledný šum bude. Takže v principu volbou dlouhého expozičního času člověk nic nezkazí. Jenže je taky vidět, že od určité expoziční doby se už prakticky výsledný šum nemění. Výhody krátké expoziční doby asi nemusím vysvětlovat. V uvedeném příkladu jsem odstranil 3 snímky ze 100 (kvůli družicím, montáž tehdy šlapala jak hodinky). Při 3 minutových expozicích jsem tak ztratil 9 minut. Kdybych snímal 30 minut, tak ztratím 1.5 hodiny z 5hodin a výsledný poměr signálu-šum by byl dokonce horší.

Jak tedy určit optimální expoziční dobu? Jde v podstatě o to, aby šum pozadí oblohy na jednom snímku dominoval nad vyčítacím šumem. V uvedeném příkladu je u 3 minutové expozice pozadí na úrovni 200e-, šum je tedy sqrt(200)=14.1e- a je výrazně vyšší než vyčítací šum 3.5e-. Věděl jsem tedy, že už nemá smysl moc expoziční dobu prodlužovat a zůstal jsem u 3 minut.

Vypadá to komplikovaně, ale v praxi si stačí pro danou CCD kameru určit úroveň šumu, gain (převodní koeficient mezi ADU a e-) a nastavit expoziční dobu, aby pozadí (B) bylo 10krát větší než je úroveň kvadrátu vyčítacího šumu (r): B [ADU] = 10 *r*r*gain + offset. Pro moji kameru to vychází: B=10*3.5*3.5*4+238=728 ADU. Offset je hodnota, kterou hlásí uzavřená kamera na nejkratší expozici (tzv. master bias). Tedy expoziční dobu nastavím tak, aby úroveň pozadí byla někde kolem 700-800ADU. Pak vím, že už nemá smysl moc expoziční dobu prodlužovat. Tuhle hodnotu si stačí jednou předpočítat pro danou CCD kameru - je universální a platí pro focení jakýmkoliv filtrem. Není taky nutné dodržovat ji úplně přesně. Faktor 2 v úrovni pozadí většinou znamená jenom několik procent ve výsledném poměru signál-šum.
ATC82/1670, Telementor, AS80, AS110, FOA-60Q
http://www.fzu.cz/~kupco/astro/

Uživatelský avatar
Konihlav
Příspěvky: 5391
Registrován: 24. 01. 2008, 15:21
Kontaktovat uživatele:

Optimální délka expozice

Příspěvek #2 od Konihlav » 15. 07. 2009, 21:34

minuly tyden jsem s ATiKem 314L+ fotil snimek Pelikana, a nez jsem zacal tak jsem asi hodinu laboroval (to ja teda vzdycky, protoze me nic nejde samo a hladce a hned na poprve) a jelikoz to byl muj prvni opravdovy snimek, tak jsem nevedel, kolik minut fotit jednotlive snimky... nakonec jsem experimentalne skoncil u 7.5 minuty (bylo to z mesta pres 5nm Halfu).

Kdyz se ted divam na jednotlive FIT snimky, tak expozice 30 vterin (omyl) ma pozadi 251 ADU, expozice 300 vterin ma pozadi 700 ADU, expozice 360 vterin 873 ADU a 7.5 minuty (450 vterin) 970 ADU. Takze jsem teoreticky mohl skoncit na 6ti minutach ;-) jsem zvedavy na data z temne oblohy ;-) predpokladam, ze expozice budu moci prodlouzit.

Uživatelský avatar
Sasa3
Příspěvky: 4285
Registrován: 06. 11. 2007, 15:22
Bydliště: Ricany
Kontaktovat uživatele:

Optimální délka expozice

Příspěvek #3 od Sasa3 » 15. 07. 2009, 21:52

V podstatě jsi to trefil dobře. Rozdíl mezi 7.5 minutami a 6ti je minimální. Nejde o to, že nemůžeš fotit dýl. Můžeš, akorát ti to prakticky k ničemu nepomůže (pomineme-li jemné finesy ve zpracování za použití sigma-clip metody, kde by to mohlo uškodit). U Atiku 314L s jeho nízkým vyčítacím šumem je krásné právě to, že optimální časy vycházejí relativně krátké i u úzkopásmové fotografie (viz. to srovnání mezi jednotlivými CCD kamerami, které jsem před časem dělal). Hodně to pomáhá v případě mobilní sestavy, kdy člověk nemůže pořádně vychytat mechanickou stránku (ustavení montáže, neustálé uvolňování šroubků dané častým přenášením, vítr, měkké podloží, ...).
ATC82/1670, Telementor, AS80, AS110, FOA-60Q
http://www.fzu.cz/~kupco/astro/

Uživatelský avatar
Vabra
Příspěvky: 3739
Registrován: 10. 02. 2006, 17:20

Optimální délka expozice

Příspěvek #4 od Vabra » 15. 07. 2009, 22:25

Ja vim ze mne casem uzenete do chlazene CCD kamery ;), ale bylo by mozne uvahu o maximalni/optimalni delce expozice zobecnit take pro nechlazene DSLR?

Prece jen je nas porad jeste velka vetsina astrofoticu s touto "kompromisni" technikou.

Zatim tady bylo lze najit pouze velmi obecna doporuceni jako nechat si maximum na histogramu (jas pozadi) v prvni tretine atd...

dekuji,

Pavel
Pavel Vabrousek

Uživatelský avatar
Sasa3
Příspěvky: 4285
Registrován: 06. 11. 2007, 15:22
Bydliště: Ricany
Kontaktovat uživatele:

Optimální délka expozice

Příspěvek #5 od Sasa3 » 15. 07. 2009, 23:02

Zkusim nad tim zapremyslet. Nemam bohuzel ten svuj EOS350 moc promereny. V principu je to stejne, akorat tam muze hrat jeste podstatnou roli sum temneho proudu (coz by vedlo k tomu, ze je mozne expozici jeste dal zmensit) a pak je tam komplikace s bayerovou maskou (to taky neni moc podstatne, brala by se barva s nejmensim pozadim). Asi nejvetsi problem bude promerit zisk a uroven sumu pro ruzna ISO (cisla se daji najit na internetu, neni ale ani moc tezke primo je zmerit - nevim, kdy se k tomu dostanu).

Pokud vezmu parametry pro EOS350 z tehle www stranky: http://www.astrosurf.com/buil/eos40d/test.htm, tak pri ISO 400 by se melo exponovat tak, aby uroven pozadi byla kolem:
B=10*8*8/2.67+256~500ADU. Tj. staci takova expozicni doba, kdy bude uroven pozadi v asi jedne osmine dynamickeho rozsahu kamery (max=2**12=4096). Kolik to nakonec bude na histogramu je jina vec. Vim, ze fotak aplikuje automaticky nejakou gamma korekci. Je potreba si to jednou skalibrovat (kouknout se na RAW snimek treba v dcraw).

Je tady ale jedno varovani. Ta formulka predpoklada, ze vycitaci sum je taky nahodny sum. Pokud v nem budou nejake korelace, tak se vubec nemusi scitat v kvadratu a vysledek bude mnohem horsi. Nevim, jak je na tom elektronika DSLR. Atik 16IC a Atik 314L se chova v tomto ohledu velmi dobre. Promeroval jsem ale Orion StarShoot CCD kamerku na snimku NGC6888 od Konihlava. Kamera ma docela slusny chip (stejny jako Atik-16 s vysokou QE), jenze elektronika je tak zprasena, az skoda mluvit. Vycitaci sum je velmi vysoky a hlavne je silne korelovany ob jeden radek - vytvari horizontalni pruhy. Vysledny sum zkombinovaneho obrazku byl mnohem horsi, nez jak by vyplyval z uvedenych formulek. Pokud tedy sum DSLR vytvari nejake vyraznejsi vzory, pak bych to radsi tlacil do co nejdelsich casu.
ATC82/1670, Telementor, AS80, AS110, FOA-60Q
http://www.fzu.cz/~kupco/astro/

Uživatelský avatar
Sasa3
Příspěvky: 4285
Registrován: 06. 11. 2007, 15:22
Bydliště: Ricany
Kontaktovat uživatele:

Optimální délka expozice

Příspěvek #6 od Sasa3 » 15. 07. 2009, 23:16

Jen tak pro srovnani, u Canonu 20D vychazi optimalni expozicni doba takova, aby pozadi bylo na urovni kolem 300ADU, tedy asi v 1/14 dynamickeho rozsahu. Je to dano mensim sumem a nizsim ofsetem.
ATC82/1670, Telementor, AS80, AS110, FOA-60Q
http://www.fzu.cz/~kupco/astro/

Uživatelský avatar
Sasa3
Příspěvky: 4285
Registrován: 06. 11. 2007, 15:22
Bydliště: Ricany
Kontaktovat uživatele:

Optimální délka expozice

Příspěvek #7 od Sasa3 » 16. 07. 2009, 09:33

Pro demonstraci pravidla, že na kameře záleží zvláště u tmavé oblohy, přidávám ještě hodnoty výsledného šumu z příkladu s prvního příspěvku pro CCD kameru, která by měla vyčítací šum kolem 10e- (hodnota, kterou jsme s Lukášem změřili pro jeho QHY9ku), jinak by byla stejná jako Atik314L (tj. stejná velikost pixelu a kvantová účinnost). Deset expozic po 30ti minutách by vedlo k šumu sqrt(141.42*141.42+10*10*10)=144.91e-. Zhoršení šumu dosahuje 2.5% a je téměř srovnatelné se zhoršením šumu u Atiku 314L při 3 minutové expozici (přesným ekvivalentem by bylo snímání s časem 25minut). Sto expozic po 3 minutach by vedlo k šumu 173e-, což už je výrazné zhoršení o 22%. Aby se vykompenzoval tento nárust šumu, bylo by potreba prodloužit celkový expoziční čas o dalších 50%. To už se počítá.

Obecně se dá odvodit jednoduchá formulka pro navýšení celkové expoziční doby, které vykompenzuje vyčítací šum kamery (tj. aby byl výsledný poměr signál-šum stejný). Je to faktorem (1+r*r/(b*t_exp)), kde r je vyčítací šum kamery vyjádřený v e-, t_exp je expoziční doba jednotlivého snímku a b je pozadí oblohy vyjádřeno v e- za jednotku času. Odsud je už jen krůček k onomu pravidlu o úrovni pozadí, které jsem uvedl na konci prvního příspěvku. Prostě si řeknu, že prodloužení celkové expoziční doby o nějakých 10% (tj. vylepšení/zhoršení poměru signál-šum o 5%) je něco, co už je téměř nepostřehnutelné. Neboli požaduji, aby r*r/(b*t_exp)=0.1. No a protože B=b*t_exp je úroveň pozadí na jednom snímku (výjádřená v e-), vyjde  B=10*r*r. Ještě musím převést náboj v elektronech do ADU a vzít do úvahy vyčítací ofset a výsledné pravidlo je na světě.

Pro podmínky v Novohradských horách vychází pro Atik314L (b=67e-/minutu) optimální expoziční doba kolem 2 minut (pro f/4.8). Pro stejnou kameru, která by měla šum 10e- ale už minut patnáct.
ATC82/1670, Telementor, AS80, AS110, FOA-60Q
http://www.fzu.cz/~kupco/astro/

Uživatelský avatar
BiF
Příspěvky: 1027
Registrován: 10. 11. 2002, 02:00
Bydliště: Trhové Sviny
Věk: 46
Kontaktovat uživatele:

Optimální délka expozice

Příspěvek #8 od BiF » 16. 07. 2009, 16:16


... Potřebuji ještě znát převodní koeficient mezi ADU a nábojem, v případě Atiku 314L jsem změřil, že 1e- odpovídá 4 ADU...

... Pro svůj Atik 314 jsem změřil, že vyčítací šum je kolem 3.5e-...

Pokud budeš mít čas a chuť- jak získám tyto hodnoty?
Newtony 300/1200, 200/860, 100/600; SkyMaster 15x70; paralaktická montáž vlastní výroby; Atik 314L+; 2x QHY5IIL (HE); Canon EOS 300D; Philips ToUcam Pro; http://bilek.astronomy.cz/ , email: frantabilek(at)gmail(dot)com

Uživatelský avatar
Sasa3
Příspěvky: 4285
Registrován: 06. 11. 2007, 15:22
Bydliště: Ricany
Kontaktovat uživatele:

Optimální délka expozice

Příspěvek #9 od Sasa3 » 16. 07. 2009, 16:54

Metody jsou popsané v prvním (měření šumu ze dvou master bias snímků) a třetím (určení převodního koeficientu mezi e- a ADU) příspěvku oddílu o Atiku 314L. Je tam i odkaz na původní recenzi Atiku 16IC od Craiga Starka odkud jsem je převzal. Ozvi se, pokud by něco nebylo jasné.
ATC82/1670, Telementor, AS80, AS110, FOA-60Q
http://www.fzu.cz/~kupco/astro/

Uživatelský avatar
Sasa3
Příspěvky: 4285
Registrován: 06. 11. 2007, 15:22
Bydliště: Ricany
Kontaktovat uživatele:

Optimální délka expozice

Příspěvek #10 od Sasa3 » 20. 07. 2009, 11:18

Udělal jsem si takovou malou simulaci CCD kamery a pro názornost jak moc záleží (resp. spíš nezáleží) na optimální volbě subexpozice jsem spočítal, jak by vypadala ta nově objevená planetární mlhovina v OIII při různých volbách tohoto času. Po podobné úpravě, jako je dělaná s normálním snímkem (v podstatě gamma korekce, tak aby jemně vylezl šum), to vyšlo takhle:


Čas na obrázku indikuje individuální délku expozice. Celkový čas byl vždy stejný - 4 hodiny. U všech snímků bylo použito přesně stejné úpravy.

Počítáno je to pro CCD kameru s parametry Atik314L (QE~60%, vyčítací šum 3.5e-, gain 4ADU/e-). Pozadí je změřeno ze snímku přímo v okolí planerátní mlhoviny (9.3 fotonu na pixel za minutu). Planetární mlhovinu jsem simuloval jako kouli, která je průhledná a vyzařuje pouze ze svého povrchu (tedy doslova bublina). Maximum signálu jsem volil tak, aby odpovídal hodnotě kolem 1 dopadajícího fotonu na pixel za minutu.

Optimální délka expozice vychází podle dřive uvedeného vztahu kolem 20ti minut. Já tu noc fotil s 12ti minutovými expozicemi (víc nedovolovala pointace). Rozdíl mezi ideálem (tedy vše nabráno jedním snímkem) tam pořád je, ale docela málo patrný. Každopádně obraz se nezhroutí ani při 3 minutové subexpozici (pro představu, šum je na tomto obrázku o 25% věší než u 240min subexpozice). Až u expozic pod jednu minutu je patrné výrazné zhoršení obrazu.

Závěr tedy je, že na nějaký faktor 2 ve volbě délky expozice se prakticky nehledí.
ATC82/1670, Telementor, AS80, AS110, FOA-60Q
http://www.fzu.cz/~kupco/astro/

Uživatelský avatar
KDan
Příspěvky: 1446
Registrován: 15. 06. 2007, 16:40

Optimální délka expozice

Příspěvek #11 od KDan » 20. 07. 2009, 11:35


Každopádně obraz se nezhroutí ani při 3 minutové subexpozici (pro představu, šum je na tomto obrázku o 25% věší než u 240min subexpozice).

Myslím si ale, že v praxi to bude horší kvůli různým rušivým signálům s negaussovskou charakteristikou (které v simulaci nejsou zahrnuty) ve snímcích s krátkou subexpozicí, kde odstup těchto signálů od užitečného obrazu bude pochopitelně podstatně menší a sčítání těch krátkých subexpozic takové rušivé signály nepotlačí (třeba různé zbytky biasů snímku a podobně).

Jinak ten malý rozdíl mě nepřekvapil - šumí-li všechno skutečně náhodně a navíc gaoussovsky a platí-li zákon o zachování energie, mělo by to z hlediska energetické bilance vůči šumu tak nějak vyjít.



Uživatelský avatar
KDan
Příspěvky: 1446
Registrován: 15. 06. 2007, 16:40

Optimální délka expozice

Příspěvek #12 od KDan » 20. 07. 2009, 14:34


Udělal jsem si takovou malou simulaci CCD kamery...

Sašo, nemohl bys, když už jsi něco podobně zajímavého dal dohromady, spustit srovnatelnou simulaci pro CCD kamery s vyšší hodnotou čtecího šumu (dejme tomu cca 3x vyšší, tedy 10e-; ostatní parametry, QE a gain, bych nechal stejné), než má Atik314L, a procentuálně vyčíslit, o kolik bude SNR v jednotlivých simulovaných obrazech té planetárky horší (při stejných hodnotách expozic jako v předešlé simulaci)?

Uživatelský avatar
Sasa3
Příspěvky: 4285
Registrován: 06. 11. 2007, 15:22
Bydliště: Ricany
Kontaktovat uživatele:

Optimální délka expozice

Příspěvek #13 od Sasa3 » 20. 07. 2009, 15:52




Sašo, nemohl bys, když už jsi něco podobně zajímavého dal dohromady, spustit srovnatelnou simulaci pro CCD kamery s vyšší hodnotou čtecího šumu (dejme tomu cca 3x vyšší, tedy 10e-; ostatní parametry, QE a gain, bych nechal stejné), než má Atik314L, a procentuálně vyčíslit, o kolik bude SNR v jednotlivých simulovaných obrazech té planetárky horší (při stejných hodnotách expozic jako v předešlé simulaci)?

Neboj, přesně to mám v plánu. Dám to pak do sekce o porovnání CCD kamer pro úzkopásmovou fotografii.
ATC82/1670, Telementor, AS80, AS110, FOA-60Q
http://www.fzu.cz/~kupco/astro/

Uživatelský avatar
Konihlav
Příspěvky: 5391
Registrován: 24. 01. 2008, 15:21
Kontaktovat uživatele:

Optimální délka expozice

Příspěvek #14 od Konihlav » 21. 06. 2010, 12:53


Je tady ale jedno varovani. Ta formulka predpoklada, ze vycitaci sum je taky nahodny sum. Pokud v nem budou nejake korelace, tak se vubec nemusi scitat v kvadratu a vysledek bude mnohem horsi. Nevim, jak je na tom elektronika DSLR. Atik 16IC a Atik 314L se chova v tomto ohledu velmi dobre. Promeroval jsem ale Orion StarShoot CCD kamerku na snimku NGC6888 od Konihlava. Kamera ma docela slusny chip (stejny jako Atik-16 s vysokou QE), jenze elektronika je tak zprasena, az skoda mluvit. Vycitaci sum je velmi vysoky a hlavne je silne korelovany ob jeden radek - vytvari horizontalni pruhy. Vysledny sum zkombinovaneho obrazku byl mnohem horsi, nez jak by vyplyval z uvedenych formulek. Pokud tedy sum DSLR vytvari nejake vyraznejsi vzory, pak bych to radsi tlacil do co nejdelsich casu.
Saso, sice jsem ted nekde potratil (ztratil) vysledky Tveho mereni, ale vzhledem k tomu, ze jsem vcera v noci testoval 314tku, tak jsem tam hodil i Orion StarShoot mono II, ktery mi stale lezi v supliku uz pres rok, abych jej tez promeril. Dosel jsem k nasledujicim hodnotam (rychly test):
system gain = 2.48 ADU/e-
readout noise = 26 e-
full well = 18333 e-
myslim, ze to tak nejak odpovidalo i tomu Tvemu mereni +- :-)

Uživatelský avatar
Konihlav
Příspěvky: 5391
Registrován: 24. 01. 2008, 15:21
Kontaktovat uživatele:

Optimální délka expozice

Příspěvek #15 od Konihlav » 21. 06. 2010, 13:18


Offset je hodnota, kterou hlásí uzavřená kamera na nejkratší expozici
jen pro upresneni, tech 238 ADU co pocitas u sebe jako offset jsi vzal jako peak value z biasu? nebo jako min ADU? na nove kamerce mam min ADU 180 cca a max 342 cca. :-) vim ze tech par jednotek nehraje roli, takze bude safe zustat na min 800ADU pozadi pro klid duse ;-) beztak s 3nm OIII filtrem a temnou oblohou v zadech jsem s 20ti minutovou expozici na nejakych 350 ADU, coz tak akorat preleze hodnotu offsetu z bias snimku...
az budu mit sanci (asi nikdy nebude, pocasi pip pip pip), tak jsem zvedav, zda se mi vyplati zkusit 30ti minutove subexpozice s 314L+.
diky


Zpět na “Astrofotografie”

Kdo je online

Uživatelé prohlížející si toto fórum: Žádní registrovaní uživatelé a 1 host