CCD kamery pro úzkopásmovou fotografii

Sasa3 · #31

Jo a pak ještě SII... Možná to není ani nutné a bude to jenom víc nepřehledné - formulka tam je. Můžu ze svých snímků změřit, jak vypadá hodnota jasu oblohy v OIII ve městě a na tmavém místě.

Jinak ta čísla neberte moc vážně - i kamerou s relativně velkým šumem a malou kvantovou účinností (Atik 16IC) jdou udělat pěkné snímky v Ha. Šlo mi o to dokumentovat, jak vlastnosti kamery (QE a vyčítací šum) ovlivňují výsledný šum pro úzkopásmovou fotografii, jaký je potenciál jednotlivých kamer a jaké expoziční časy jsou nutné k tomu, aby byl tento potenciál využit.

Podobný rozbor jsem si dělal před tím, než jsem si koupil Atik 314L. Bylo jasné, že pro úzkopásmovou fotografii to bude výborná volba. Co jsem tehdy netušil, neboť jsem v Ha fotil pouze z města, je důležitost vyčítacího šumu pro fotografování v Ha na tmavé obloze. Možnost 5ti minutových snímků jsem bral jako bonus k dobré 55% účinnosti. S 3nm filtrem a nebo na tmavé obloze je nízký vyčítací šum Atiku 314L velmi důležitý faktor. K tomu mě přivedly až nedávno pořízené snímky v Liticích. Přišlo mi zajímavé porovnat si jednotlivé kamery i v podmínkách, kde nerozhoduje pouze kvantová účinnost ale svou roli hraje i vyčítací šum.

KDan · #32

Jenom jsem ten vzorec, podle něhož to počítáš, zrakem přelétl a zaujalo mě - nemá být temný proud D v kvadrátu? Signál pozadí oblohy b nemá charakter šumového (náhodného) signálu, ale temný proud D stejně jako čtecí šum r ano, proto mě zarazilo, jestli tyto tři signály b, r, D lze takto sečíst. Nicméně, zamýšlel jsem se tím jen velmi letmo, jsouce v pracovním poklusu, takže je možné, že jsem něco přehlédl či spíš nedomyslel.

#33

Karle, já si myslím, že temný proud není také šumového-náhodného charakteru. Ten je systematický, pro každý pixel víceméně konstantní, proto nám také funguje odečet dark-frame. Samozřejmě, při vyčtení je ovlivněn čtecím šumem, a samozřejmě temný proud bude mít také nějakou náhodnou šumovou složku, která ovšem bude jeho zlomkem. A proto děláme master-dark, kde tu náhodnou složku temného proudu eliminujeme, a ta systematická zůstane.

Sasa3 · #34

Do textu jsem pri ceste ve vlaku pridal i odvozeni vzorecku. Je to tak, jak pise MMys. Temny proud nastrada za celkovou dobu expozice v pixelu urcity naboj (dejme tomu treba 100 elektronu). Tento naboj se odecte pri korekci pomoci dark framu. Zustane po nem ale statisticky sum o velikosti sqrt(100)=10e-, tento sum ale nahodny je.

P.S.: casto se tady v diskusi opakuje to, ze neni u te a te kamery treba odecitat dark frame a pod. Pomer S/N o tom neni. Bias korekce obecne opravuji o stredni hodnotu biasu a je potreba je v principu udelat (tyka se to master bias korekce a korekce na temny proud). Akorat temny proud u Sony chipu je tak maly, ze i samotna korekce je zanedbatelna a staci provest master bias korekci. Co ale ve snimku zustane je sum - vycitaci sum, fluktuace v naboji ulozeneho v pixelu diky temnemu proudu, apod.

KDan · #35

Sašo i Martine, díky za vysvětlení. Princip odvození mi je jasný, nicméně se nějak nemůžu (musím si to ještě v klidu rozmyslet) smířit s popisovanou povahou temného proudu a se způsobem jeho přičtení, i když funkce odečítání dark frame tomu nasvědčuje. Myslel jsem, že valnou porci toho temného proudu - i kvůli té závislosti na teplotě - tvoří něco jako Johnsonův tepelný šum.

Sasa3 · #36

Sašo i Martine, díky za vysvětlení. Princip odvození mi je jasný, nicméně se nějak nemůžu (musím si to ještě v klidu rozmyslet) smířit s popisovanou povahou temného proudu a se způsobem jeho přičtení, i když funkce odečítání dark frame tomu nasvědčuje. Myslel jsem, že valnou porci toho temného proudu - i kvůli té závislosti na teplotě - tvoří něco jako Johnsonův tepelný šum.

To máš určitě pravdu. Za dobu expozice se nastřádá díky tomuto šumu v pixelu určitý náboj. Jeho střední hodnotu třeba spočteš z charakteristiky toho Johnsonova šumu, v praxi ji ale odečteš za použití dark snímků. No a jde o to, že počet zaregistrovaných dark elektronů se bude řídit Poissonovou statistikou, podobně jako je pozadí oblohy. A tak je RMS rovné odmocnině počtu temných elektronů.

Psion · #37

Já jsem si z celé diskuze odnesl jediné - je jedno jaké je QE, vyčítací šum apod. (pokud to není extrémní) ale záleží na obloze. Tímto děkuji za info

Sasa3 · #38

S danou kamerou je to opravdu tak, čím tmavší obloha tím lepší bude snímek. To by tak objevné nebylo.

Co je pro mne velké překvapení, že právě na tmavé obloze u úzkopásmové fotografie záleží na QE (jako je tomu u LRGB), ale hlavně i na vyčítacím šumu. To, že Atik 4000 na tmavé obloze s 3nm filtrem a 15ti minutovými expozicemi vyžaduje 10x delší celkovou expoziční dobu než Atik 314L je velmi výrazný rozdíl!

Takže bych vyznění a účel toho porovnání kamer formulvat spíš takto: ten kdo má tmavou oblohu a chce dělat úzkopásmovou fotografii by měl věnovat při výběru CCD kamery velkou pozornost jejím parametrům a to nejen kvantové účinnosti ale i vyčítacímu šumu.

KDan · #39

Co je pro mne velké překvapení, že právě na tmavé obloze u úzkopásmové fotografie záleží na QE (jako je tomu u LRGB), ale hlavně i na vyčítacím šumu. To, že Atik 4000 na tmavé obloze s 3nm filtrem a 15ti minutovými expozicemi vyžaduje 10x delší celkovou expoziční dobu než Atik 314L je velmi výrazný rozdíl!
Tohle by ale žádné překvapení přece být nemělo. Když pozadí oblohy dává minimální signál (díky úzkopásmové filtraci) a temný proud se přičítá pouze popsaným způsobem, pak se žádný jiný významný zdroj šumu kromě čtecího v tomto srovnání přece neuplatňuje.

Nedopadne nakonec při tomto srovnávání výkonnosti v oblasti selektivního úzkopásmového snímání DSLR Canon se svým nízkým čtecím šumem ale nižší QE na Halfa taky lépe, nebo aspoň srovnatelně, jako Atik 4000 (když temný proud ruší jen tak málo)?

Sasa3 · #40

Tohle by ale žádné překvapení přece být nemělo. Když pozadí oblohy dává minimální signál (díky úzkopásmové filtraci) a temný proud se přičítá pouze popsaným způsobem, pak se žádný jiný významný zdroj šumu kromě čtecího v tomto srovnání přece neuplatňuje.
Co mě právě překvapilo je míra toho, jakou roli to pod tmavou oblohou v úzkopásmové fotografii hraje a jak se rozdíly mezi kamerami začnou zvětšovat.

Nedopadne nakonec při tomto srovnávání výkonnosti v oblasti selektivního úzkopásmového snímání DSLR Canon se svým nízkým čtecím šumem ale nižší QE na Halfa taky lépe, nebo aspoň srovnatelně, jako Atik 4000 (když temný proud ruší jen tak málo)?U DLSR (a barevných CCD kamerách) je problém v barevné masce. I když má podobnou QE~30% jako Atik 4000, tak hned díky tomu klesne dolů faktorem 4. Všimni si, že člen odpovídající pozadí se chová jako 1/QE, kdežto vyčítací čum a temný proud jako 1/QE^2. Takže nejen nižší účinnost, ale i příspěvek těchto dvou členů bude automaticky 4x vyšší než u Atiku 4000.

Pokud jde o temný proud, tak jeho příspěvek k šumu je u Atiku 4000 zanedbatelný (<0.01e-/s) především díky chlazení. To DSLR kamery většinou nemají, takže temný proud bude mnohem větší. Navíc tam je problém i se samotnou korekcí: pořídit odpovídající dark framy je díky tomu, že chybí teplotní stabilizace, velmi těžké. Takže ani samotná korekce na temný proud nejde přesně udělat (a výše zmíněný vzoreček předpokládá, že tahle korekce je přesná). Pokud máte někdo nějaké relevantní čísla hodnoty temného proudu u DSLR můžu ji pak přidat do tabulky.

KDan · #41

U DLSR (a barevných CCD kamerách) je problém v barevné masce. I když má podobnou QE~30% jakoAtik 4000, tak hned díky tomu klesne dolů faktorem 4. Všimni si, že člen odpovídající pozadí se chová jako 1/QE, kdežto vyčítací čum a temný proud jako 1/QE^2. Takže nejen nižší účinnost, alei příspěvek těchto dvou členů bude automaticky 4x vyšší než u Atiku 4000.
Jasně. Jenže readout noise je například u C350D při 1600ASA uváděn někde kolem 3.5e-, tedy 3x míň než u Atiku 4000 - a čtecí šum ve vzorci vystupuje taky v kvadrátu - což částečně kompenzuje tu 4x menší QE. Temný proud bude ale u nechlazených senzorů určitě problém. Na druhé straně ale, pokud chceš fotit úzkopásmovými filtry a monochromatickou kamerou něco barevně komplexnějšího, tzn. třeba i v oblast OIII, Hbeta, musíš těch expozic udělat víc. Když použiješ DSLR a Astronomik UHC profi, máš ve snímku jedním vrzem v červeném kanálu světlo v oblasti Halfa, v zeleném a modrém kanálu pak OIII i Hbeta, a to pořád ještě relativně hodně selektivně. Tím se kompenzuje ten negativní efekt Bayerovy filtrové masky, který snižuje efektivní QE.

Nakonec pak u chlazených monochromatických kamer s nízkým temným proudem, jejichž čipy mají srovnatelnou QE, stačí v případě slabého signálu pozadí oblohy jen podělit hodnoty jejich čtecích šumů a výsledek umocnit, abych dostal slušný srovnávací koeficient.

Ještě by někoho možná zajímalo, že při větších odstupech signálu od šumu kolem 20dB rozezná oko spolehlivě diferenci v nich až kolem 6dB a to je shodou okolností taky právě 4x. Při ještě větších SNR pak už není vidět vůbec žádný rozdíl. Rozdíl ale bude vždycky tak jako tak vidět minimálně v těch nejslabších "přechodových" oblastech objektu.

Díky Tvému rozboru si ale až teď uvědomuju, že Atik314L je kvůli svému nízkému čtecímu šumu a slušné QE silná zbraň pro účely, k nimž ho používáš.

Sasa3 · #42

Na Cloudy Nights vyšel druhý díl od C. Starka o signálu a šumu: http://www.cloudynights.com/item.php?item_id=1973. Doporučuji k přečtení. Provádí tam podobné výpočty a úvahy jako já v tom dokumentu o porovnání CCD kamer pro úzkopásmovou fotografii. Akorát to vysvětluje pěkně polopaticky a mnohem líp...

Tenhle chlapík má stejnou filozofii přístupu. Taky jsem se snažil zdůrazňovat, aby jste tyhle čísla nebrali úplně doslova. Jsou to jen hrubé odhady a nemá cenu kvůli tomu, že kamera vychází v tabulce o 10% hůř zahodit tu starou a pořídit si novou. Procenta se nepočítají, ale faktory typu 2 a víc už stojí za zamyšlenou. Jde spíš o to pochopit souvislosti a udělat si představu, jak je možné snímky vylepšit upgradem kamery, přesunem pod tmavší oblohu nebo volbou užšího pásma filtru.

Sasa3 · #43

Nasimuloval jsem ještě, jak by dopadl 4-hodinový snímek nově objevené planetární mlhoviny pro různé CCD kamery s různými kvantovými účinnostmi a vyčítacím šumem. Pro 12ti minutový čas jednotlivých expozic to dopadlo takhle:

Až na velikost pixelu snímky přibližně odpovídají parametrům v Ha pro tyhle chipy (kamery): KAF-3200ME (QSI532wx), ICX-285AL (Atik314L), KAF-3200E (QSI532s), KAI-4022 (Atik-4000). Poměr signál-šum (S/N) je spočtený pro nejjasnější část mlhoviny, tedy pro prstýnek. Pro signál jsem uvažoval s=1 foton/min./pixel, pozadí bylo b=9.3 fotonu/min./pixel.

Možná tenhle obrázek dokumentuje rozdíl mezi CCD kameramy lépe, než ty tabulky, které jsem tady uváděl. Každopádně tohle je názornější.

PC · #44

Dále mě překvapuje, že je tam u čipu ICX285Al QE na 656nm cca 64% a ne 55% jak uvádí Saša...
Problém je, že firma Sony programově neuvádí absolutní QE svých čipů. Neuvádí ani jiné důležité parametry, např. kapacitu pixelu, citlivost výstupního zesilovače (uV/e-) atd. Takže pokud někdo uvádí absolutní QE Sony čipů, vždy je to "neoficiální" měření a rozdíl o více jak 10% je normální. Často je odněkud převzaté (jako je tomu u grafu na gxccd.com). Nejasné tak zůstávají i další parametry čipů Sony ICX, třaba absolutní čtecí šum.

Sasa3 · #45

Přesně tak, čísla u Sony chipu jsem různě posbíral po internetu, je třeba je brát jako orientační (to ale stačí, opravdu není nutné znát QE s přeností na procento). Pro sebe jsem si aspoň proměřil, že relativní QE v Ha čáře u ICX285Al (Atik314L) a ICX424 (Atik 16IC) sedí.

Pokud jde o šum samotného Sony chipu, tak ten neznám. Změřil jsem si ale celkový vyčítací šum Atiku314L a dostal jsem hodnotu 3.5e-, mírně pod oficiálně udávanou hodnotou výrobce (4e-), viz. vlákno věnované této kameře. Kolik z toho šumí vlastní chip a kolik elektronika kamery, nevím.