Web kamery a fotometrie

Pavuk_ · #31

KaPr napsal: Do toho Pavuku ! Rad si tvoje profesionalni clanky prectu, abych se poucil. Mozna, ze jsi profesional v oblasti CCD,...Su publikovane v zborniku ako dokument jednej rakuskej institucie, kde som pracoval na vyvoji medicinskeho zariadenia s pouzitim ccd. Nie su k dispozicii na webe. Netvrdim, ze som profesional, iba ze som profesionalne pracoval v tejto oblasti a prave optimalizaciou CCD retazca som sa priamo zaoberal.
K tym premennym: davno v roku 1999 (pisem to na svojej stranke) som sa "hral" s videoccd kamerou a pod linuxom som si uplacal taky sw, ktory graboval tisice snimkov a inteligentne ich scitaval, pricom montaz nebola pointovana. Bolo to za ucelom fotometrie premennych hviezd, vtedy sme boli s AUPKO v Prahe na seminari o CCD (so zopar s vami som sa osobne stretol). Prave scitanie 1000 snimkov s 1/50 som dosiahol 10.5 mag. s teleobj. 2.8/200 sonnar. Cas isiel dalej a ja som uz nemal cas dotiahnut to do konca. S tou webcam je to zaujimave, musim vyskusat, dik za tie linky.

MP · #32

MMys napsal:

Pri 16x delsi expozici (v kuse, nescitane z dilcich expozic) klesne na 1/4 pouze fotonovy sum, ne ? Nikoli kvantizacni, readout atd... Ted jde o to, co u kamery prevazuje. Zrejme v tomhle bude jadro naseho "sporu"

Ale kdepak, o tom jsem psal vyse. Na delce expozice zavisi vse, co vznika primo na pixelech CCD, zbytek zavisi na poctu expozic. Jenze pokud tohle nezanedbam, tak mi vyjde, ze pri tech 16 8bitovych expozicich budu mit sum "vyhlazeny" lepe, nez pri te jedne 12bitove a to je opak toho, co se mi snazite dokazat ( takze na vas budu hodny a nebudu to rozebirat ).

Pavuk_ · #33

MP napsal:

Tak to vezmete jinak : zkombinovani 16 snimku ma stejny prinos, jako prodlouzeni expozice na 16nasobek. Nahodna slozka sumu tedy klesne 4x. Ale otazka znela, jestli je to horsi, nez s kamerou, ktera ma rozliseni 12 bitu a muze tedy rovnou ulozit 16x vice informace. A ja tvrdim, ze neni, protoze v tom 16nasobnem mnozstvi informace je podil nahodne slozky sumu opet jen 4x mensi. Je na teto uvaze snad neco spatne ?
Ano, spatne je to, ze 1x16 <> 16x1 (tvoja prva veta). Vstupuje tam QE do hry. Mimochodom nie som si isty, ci odstup S/N sa zlepsuje s druhou odmocninou s casom v pripade fotonoveho sumu kedze sa neriadi Gausovym ale Poisonovym rozdelenim, to na okraj.
(tvoja druha veta).

MP · #34

Pavuk_ napsal:
Ano, spatne je to, ze 1x16 <> 16x1 (tvoja prva veta). Vstupuje tam QE do hry. Mimochodom nie som si isty, ci odstup S/N sa zlepsuje s druhou odmocninou s casom v pripade fotonoveho sumu kedze sa neriadi Gausovym ale Poisonovym rozdelenim, to na okraj.
(tvoja druha veta).
Ale no tak, po tech letech praxe s ruznymi detekcnimi zarizenimi Te mohu ujistit, ze 16x1 se opravdu rovna 1x16, pokud odpovidajicim zpusobem zvolis zpusob detekce a pokud zanedbas chyby zpusobene vystupem detektoru ( viz vyse ). V praxi je pak vice mereni s mensim rozlisenim vzdycky lepsi, nez jedno mereni s umerne vyssim rozlisenim ( snizi se ty chyby ve vystupu ). A pokud jde o fotonovy sum, tak jde o to, v jakych ( nelinearnich ) jednotkach na ose X to rozdelni definujeme ( hodnota gama, hranice saturace ), Poissonovsky se chova "hola" cetnost fotonu, coz neni totez, jako krivka citlivosti CCD, ale v urcitem malem rozsahu to te odmocnine bude blizke ( i kdyz je to celkem jedno, pro srovnani 8x12 bitu to nema vyznam ).

KaPr · #35

[quote]A hele, ze by kolega ? :D
[/quote]
No, asi jo, treba mame asi i spolecne zname - co Pavel Strunz ?

Jinak jsem se vcera a dnes rano jeste zabyval vypocty ohledne skladani 8 bit snimku. Situace je slozita (ehm, to vzdy, ze ?) a musim uznat, ze obe strany maji neco pravdy. Uvaha :
VESTA ma full well capacity 15000 elektronu a prevodnik 8 bit, t.j. asi 60e/ADU. Predpokladejme, ze existuji tri druhy chyb ci faktoru, ktere ovlivnuji pro dany typ cipu, AD prevodniku velikost detekovaneho signalu pro jednotlivy pixel:
1, statisticka pri detekci fotonu (aproximovana odmocninou z poctu celkove naskladanych elektronu)
2, read-out (roe) chyba nezavisla na velikosti signalu, predpokladam +-60 el.
3, aditivni termalni aktivace elektronu (zvysujici se s casem a podlehajici taktez statisticke chybe. Tady predpokladam 30el./1s

Nyni uvazuji 3 signaly (silny signal na urovni 12000 detekovanych el. za dejme tomu 10s oznacim ho HS, slaby signal na urovni 600 el. (LS) a pozadi na urovni 0 el. - proc, to se uvidi pozdeji) a budu predpokladat nejdrive signal (A) bez jakychkoliv chyb, (B) pouze statisticke chyby podle 1, (C) statisticke + roe podle 1, a 2, (D) vsechny tri chyby najednou podle 1, az 3,. Dale vypoctu "opraveny signal" (OS) t.j. detekovany minus pozadi:

HS LS pozadi
A 200 10 0
t.j.12000el. t.j.600el. tj. 0el.
B 200+-2 10+-0 0+-0
12000+-110e 600+-25e
C 200+-3 10+-1 0+-1 (- je"teorie")
D 205+-3 15+-1 5+-1
12300+-111e 900+-30e 300+-17e
OS 200+-4 10+-2 0+-2
S/N 50/1 5/1 -

Jak je videt, pro HS jiz jen statistika rozdeleni detekovanych fotonu jiz zajisti, ze se dva "totozne" shoty mohou lisit v hodnote pixelu o 1%. To take zajisti, ze pokud se bude v teto oblasti signalu jasnost objektu spokite menit, neuvidim ostre skoky, ktere by vyplyvaly z hrubeho AD prevodniku. Naopak, pro LS je situace opacna. At delam cokoliv, bude pocet detekovanych fotonu +- odmocnina vzdy "uvnitr" jenoho schodu AD prevodniku (pokud sedi uprostred), nebot sqrt(600)=25; 2x25<60. Rozmyvani signalu a prechod do vedlejsi urovne je "zajisteno" roe 2, a "opravou" na dark a flat field, ktere vnasi dalsi chyby.

Nyni to same pro soucet 16ti snimku:

HS LS pozadi
A 3200 160 0
t.j.16*200 t.j.16*10
B 3200+-32 160+-0 0+-0
16*(200+-2) 16*(10+-0)
C 3200+-48 160+-16 0+-16 (- je"teorie")
16*(200+-3) 16*(10+-1)
D 3280+-48 240+-16 80+-16
16*(205+-3) 16*(15+-1) 16*(5+-1)
OS 3200+-64 160+-32 0+-32
S/N 50/1 5/1 -

Na prvni pohled se mi S/N nezlepsilo, coz je v protikladu s tim, co jsem tvrdil ja, MP, Martin i Pavuk. Nicmene to tak neni, nebot v tabulce jsou vlastne uvedeny maximalni mozne chyby (vyjma tech statistickych v 1,). Ve skutecnosti asi nedojde vzdy k chybe roe = +-1 ci tezko se bude pozadi chovat vzdy extremalne. Co se tyka rozsahu bitu, o ktere jsme tady vlastne hadali to taky na prvni pohled nevypada lepe, neb pro HS OS=3200 a to je nekde mezi 2^11 a 2^12 (rekneme ze budeme pocitat 2^11) a 64 je 2^6. Nicmene nyni nemame k dispozici 2^5 dynamicke oblasti, ale tech 2^11-2^6 coz je porad blizko 2^11. To, ze secteny HS ze 16ti snimku neni prostym vynasobenim HS z jednoho snimku vyplyva ze statistiky rozdeleni detekovanych fotonu, ktera po prevedeni AD nespadne do jednoho "suplicku". Pro LS je situace prekernejsi a tam asi dam neco na tvrzeni Pavuka ci Martina, ze se signal proste vynasobi (viz diskuse pro jeden snimek nahore). Nicmene i tady secitani snimku pomuze, protoze "vyhladi" pozadi. Je to steny efekt, jako by jste pouzivali pro dark a flat field jedineho snimku. Asi budete souhlasit, ze je lepsi zprumerovani vice snimku. Ale to vite sami.

Nyni porovnani s jedinym virtualnim snimkem udelanym se stejnou kamerou a 16x delsi expozici, ale, budeme predpokladat, ze se 16x zvetsila full well capacity, AD prevodnik ma nyni 12 bit a tedy stejnych 60e/ADU.

HS LS pozadi
A 3200 160 0
t.j.192000el. t.j.9600el. tj. 0el.
B 3200+-7 160+-2 0+-0
192000+-438e 9600+-97e
C 3200+-8 160+-3 0+-1 (- je"teorie")
D 3280+-8 240+-3 80+-2
196800+-443e 14400+-120e 4800+-69e
OS 3200+-10 160+-5 0+-4
S/N 320/1 32/1 -

Je videt, ze S/N je vyrazne lepsi. To je diky chybejicimu roe, ktery se zde projevuje pouze 1x a ne 16x jako ve scitani a navic se signal akumuluje "v celku" a jemne rozdily v signalu se mohou projevit v jine hodnote detekce a neni nebezpeci, ze se bez rozdilu dostanou do jednoho chlivku, tak jako LS v 8bit snimcich.

Porovnani 1x12bit vs. 16x8bit
HS
S/N (nejhorsi pripad) 320/1 stejne jako 1x8bit
S/N (blize realite) > 320/1 lepsi nez 1x8bit
bitova hloubka 12 bit az 12 bit
rozliseni typ. 10ADU typ 60 ADU
(ovlivneno: stat. chyby roe, stat. chyby)

LS
S/N (nejhorsi pripad) 32/1 stejne jako 1x8bit
S/N (blize realite) > 32/1 lepsi nez 1x8bit
bitova hloubka 12 bit az 12 bit
rozliseni typ. 5ADU typ. 30 ADU
(ovlivneno: stat. chyby, roe roe, nemoznost pro dany exp. cas prejit do jine urovne digitaliz. signalu - stat. chyba nehraje velkou roli)

Zaver.
Na otazku, zdali se slozenim 16-ti 8bit snimku ziska hloubka o 4 ci 2 bity vetsi lze odpovedet takto: Pro signaly, pro ktere plati, ze jejich statisticka chyba je vetsi nez rozliseni AD prevodniku a tudiz po digitalizaci lze ziskat nekolik ruznuch statisticky rozlozenych velicin, to smysl jednoznacne ma. Pro signaly, ktere jsou beznadejne uzavreny na jedne digitalizovane urovni dochazi pouze k secitani stejnych hodnot. Nicmene i v tomto pripade skladani pomuze (odhledneme-li od zjevne vyhody, ze lze vyloucit hrube chyby), nebot dochazi ke zprumerovani pozadi (ktere jsme predpokladali, ze je tvoreno read-out chybou a termalni aktivaci elektronu linearni nacase) vuci kteremu se provadi vyhodnocovani jasu objektu. Pokud roe je velmi velka hodnota, je scitani snimku zatezovano principialne se stale se zvetsujici se chybou. Pokud je sledovany signal mensi nez roe, nema temer vyznam se snazit neco dolovat. Jeste prakticka poznamka: Vse vyse uvedene bylo pro jeden pixel. Ve fotometrii se ovsem zprumerovava minimalne nekolik pixelu a idealne mnoho pixelu, takze nektere z nich mohou lezet pod urovni, kdy jiz maji stejnou hodnotu pro celou serii snimku s konstantnim casem. omuto jevu se da vyhnout, udelame-li serii snimku s postupne se prodluzujici expozicni dobou.

Muj osobni zaver: s VESTOU ma cenu delat fotometrii skonstantni delkou expozici snimku, kdyz je signal nad urovni 60 (=1ADU) ^2=3600 e = 24% full well capacity, ale take pod 80%, neb se potom jiz projevuje neliearita (antiblooming).

Pokud mate na muj vytvor jiny nazor, ci mate pripominky, dejte vedet.

MP · #36

Uf, to je kus zasluzne prace

Jen par poznamek :

Pokud hrozi, ze signal urcite intenzity bude "beznadejne uzavren" v jedne urovni A/D prevodu, je treba zkratit expozici a zvysit zesileni. Ta statistika musi pracovat, jinak skladani nema vyznam. U webkamery s tim rizenim zesileni muze byt problem, zalezi na HW, vetsinou to jde alespon v nekolika krocich.

ROE ma patrne systematickou i stochastickou slozku, tu systematickou lze odecist a ta stochasticka se bude skladanim snimku relativne vuci signalu statisticky snizovat.

Prevodnik a DSP Vesty jsou 10bitove s dvojnasobnym vzorkovanim, 8bitovy je vystup do PC, ty 8bitove urovne lze tedy posunout nastavenim driveru.

Jo a je mi lito, ale P.Strunze si pamatuji jen matne od videni z dob, kdy jsem sidlil v Rezi v sousednim ustavu ve stejnem arealu :-/

#37

Díky za přesnou analýzu, tohle dává smysl :nod: Ještě si to přečtu párkrát. Nějak jsem z toho nemohl včera spát a taky mi to pořád vrtalo hlavou, protože byly argumenty, kde se mi víc zdálo, že má pravdu MP, a někdy zase Pavuk (a já). No ono to opravdu není tak jednoduché. Dneska jsem byl shodou okolností V Supře u p. Zahajského, tak jsme se zasmáli, co tím příspěvkem rozpoutal No alespoň se to vyjasnilo.

MP · #38

No, moc se mi nerozjasnilo ( ale to temno v hlave je muj problem ), jeste je tam trochu moc nezahrnutych promennych - podle mne je klicovy ten pomer delky expozice a rozptylu hodnot. Takze bych si dovolil jeste jedno zjednoduseni, at to nekam nasmerujeme :

8bitove expozice jdou delat i s 12bitovou kamerou : proste zvolime tak kratkou expozici, aby zadny pixel nemel hodnotu pres 255. A kdyz pak udelame 16x delsi expozici, vyuzijeme plnych 12 bitu ( predpokladam ze u signalu s hodnotou kolem 255 uz je sumova slozka zanedbatelna, jinak muzeme dostat o neco malo mensi rozsah ). Takze tu jednu 12bitovou expozici proste muzeme povazovat za 16 slozenych kratkych 8bitovych expozic. Az na nasledujici :

Ve vyse uvedene uvaze nejsou zahrnuty poruchy, ktere vznikaji mezi prvky CCD a prevodnikem ( ROE, sum zesilovace atd. ). Ty zustavaji zapoctene pouze jednou, zatimco pri 16ti samostatnych expozicich by se take skladaly. A tento typ poruch v rozboru moc rozebran neni, takze bychom se mu meli venovat. Zalezi na charakteru techto poruch, ktery neznam, tak uvedu dva extremni priklady :

1) vystupni casti CCD a zesilovac pusobi casove konstantni odchylku signalu, sumove slozky jsou zanedbatelne. Pak muzeme tyto poruchy proste odecist ( zmizi pri odecteni darkframe ) a jejich vysledny vliv bude nulovy pro 1 i 16 expozic

2) vystup je modulovan kratkymi ostrymi pulsy s dlouhou periodou, ktere saturuji prevodnik na horni hranici rozsahu. Pak u jedne dlouhe expozice tyto pulsy budou plne zaznamenany, zatimco u 16ti kratkych expozic budou snizeny na 1/16 plneho rozsahu ( pokud jsou tak ostre a kratke, ze se neprekryvaji ). Pocet pulsu v obraze bude pritom v obou pripadech stejny, nebot je stejna i celkova delka expozice.

Je jasne, ze realita je nekde mezi temito dvema extremy, jenom nevim, kde. V rade "pravdepodobnejsich" pripadu nula od nuly pojde, napr. :
3) vystup je modulovan pulsy s hodnotou 1/16 rozsahu 12bitoveho prevodniku. Pak budou plne saturovany kratke 8bitove expozice ovsem jejich slozenim budou pulsy snizeny na 1/16 plneho rozsahu.

Takze zavislost vlivu techto poruch na zesileni, expozici a sumovych charakteristikach jednotlivych komponent muze byt pekne divoka. Radeji pojedu domu spat ...

KaPr · #39

Takze zavislost vlivu techto poruch na zesileni, expozici a sumovych charakteristikach jednotlivych komponent muze byt pekne divoka. Radeji pojedu domu spat ...

Souhlas, od kamery ke kamere to muze byt velmi odlisne. Myslim, ze nejlepsi bude, kdyz se to overi prikticky. Snad k tomu budu moci vyuzit dat, ktere jsem nasbiral asi tak pred rokem, kdy jsem VESTU kalibroval na M67. Pokud mi cas dovoli (zatim po nocich dlazdim predsin a pokladam laminat v obyvaku) tak to snad udelam do konce roku. Nova data momentalne nasbirat nemohu, neb je tady deka, ktera jeste nejaky cas vydrzi ...

Janek · #40

Víte někdo více o tomhle:
http://www.modernastronomy.com/watec.html

#41

Vypadá to, že to bude něco podobného, jako udělal Marek Pecka, v trochu komfortnějším provedení. Jenom je větší senzor a obraz je tam vidět pořád. K zachytávání bude také třeba digitizér, ale bude stačit pomalejší notebook, který nemusí chytit všechny snímky.

Z toho plyne opět 8-bitové rozlišení se všemi důsledky, co se tady probíraly.

MP · #42

No, v principu to bude neco podobneho. Hlavni rozdily jsou nasledujici :

- vetsi chip, vetsi pixely ( lepsi pomer signal/sum )

- ICX418/419 nejsou ExView HAD, takze citlivost je trochu mensi, srovnatelna s temi mensimi chipy.

- nejdou expozice pod 1/50sec., takze na Slunce a Mesic to nefunguje ( ani na bezne denni pouziti )

- jako u vsech kamer Watec jde zvenku menit nastaveni AGC, ale nejde ridit zisk primo rucne

- je patrne pouzit casovaci chip CXD1265 nebo podobny, ktery umi ridit CCD v rezimu akumulace snimku, tedy zaridi totez, co jsem pracne delal pridavnymi obvody. Maximum u tohoto obvodu je ovsem 510 pulsnimku, tedy zhruba tech 10 sec. To mivaji i jine drazsi kamery, myslim, ze Janek jednu takovou ma ( i kdyz s kratsi maximalni delkou expozice ).

Proti nasim kameram je vyhodou, ze ve vystupu je stale posledni akumulovany snimek, takze staci libovolny digitizer, ktery umi snimat a ukladat jednotlive obrazky, neni nutne prenaset do pocitace kompletni video. Pri dostatecne rychlosti pocitace a pouziti Martinova SW ovsem s temi nasimi kamerami muzeme pracovat stejne pohodlne.

A nejvetsi rozdil je cena. SLX 716, ktera sice ma mensi chip ( stejny, jako ty nase kamery ), ale ma vlastni digitizer, pamet a perfektni rozhrani i SW pro PC, stoji jen o 1/2 vice. Takze pokud bych nemel soucasne vybaveni ( digitizer, rychly notebook, Martinuv software ) a chtel nejak zacit, koupil bych si SLX, protoze s tou "analogovou" kamerou by mne to vyslo draz.

#43

Marku,
ten Honzuv Mintron mam doma nyni pujceny ja, abych prozkoumal, co to umi. Pri delsich expozicich (s akumlulaci) to trochu prekona tu tvoji s ExView senzorem bez akumulace, i kdyz je to barevne a tudiz s mensi citlivosti. Na pointovani to asi bude vpohode. Na foceni moc ne.

Bohuzel ja uz jsem pres tri tydny nevidel v noci oblohu, takze proste nemam jak udelat kloudny pokus. Nejvyse je jasno ve dne, ale jakmile zapadne Slunce, udela se mlha nebo nizka oblacnost, a je konec.

MP · #44

MMys napsal: Marku,
ten Honzuv Mintron mam doma nyni pujceny ja, abych prozkoumal, co to umi. Pri delsich expozicich (s akumlulaci) to trochu prekona tu tvoji s ExView senzorem bez akumulace, i kdyz je to barevne a tudiz s mensi citlivosti. Na pointovani to asi bude vpohode. Na foceni moc ne.
Jo, sice jsem ji mel zapojenou jen v mistnosti ( na MHV ), ale ta akumulace snimku tam byla znat, citlive to je dost. Ale chtelo by to jeste delsi expozice a rucni rizeni zisku ( take je tam jen nastaveni AGC ).

Ted premyslim o tom, jak zaridit u nasich kamer kompletni "field accumulation mode", aby se registry CCD neresetovaly a na vystupu zustaval obraz trvale. Ale vypada to, ze by se to nevyplatilo - spousta dalsich soucastek, dalsi potencialni zdroje ruseni, nemoznost vypnout vystupni zesilovac CCD ( elektroluminiscence by vadila, s citlivosti na maximu by nesly delat expozice nad nejakych 5 sekund ). Asi se na to vykaslu a spis se budu venovat vymysleni uplne nove kamery, postavene na chipech od Sony, ve stylu SLX. Jen mam obavu, ze pri cenach soucastek od Framosu mne to vyjde dost draho.

#45

Marku, já už jsem uvažoval o tom, udělat CCD kameru pomocí toho jednočipu co mám v autopointeru. Už ho mám slušně zmáknutý.

Když uvážím, že to má na sobě 12bitový A/D převodník 100ksps a 8bitový A/D 500ksps, zesilovač s digitálním řízením zisku 0.5 až 16, dva 12bit D/A převodníky, dva komparátory a má výkon až 100MIPS, 8KB RAM, a 128KB flash, hromadu časovačů a čítačů atd... tak by mělo jít veškeré řídící signály pro CCD i vlastní vyčítání a ládování do PC dělat softwarově. Pak by se smrskla cena pouze na cenu solidního čipu (pro první pokusy by se kuchnul ten malý z bezpečnostní kamery)

Ty víš přesně, jak mají vypadat signály při vyčítání CCD ?, máš s tím nějakou zkušenost, třeba jak je to háklivé na šum a podobně ? Lze třeba vyčítání nachvíli zastavit, když by PC nestíhalo odebírat (abych to nekomplikoval pamětí na celý snímek). Pak musí být mechanická závěrka ? Nebo má ten CCD čip elektronickou. Že prostě světlo pak neakumuluje a při vyčítání to nenadělá šmouhy.

Astronomické fórum