Diferenciální fotometrie pomocí DSLR

KDan · #91

Reagoval jsem hlavně kvůli ceresově příspěvku a odkazu - v němž jakýsi maník, vývojář Canonu, velmi pozitivně hodnotil linmearitu senzoru Canonu - jenže tím měřením uvedeným jak v ceresově příspěvku, tak zde, se linearita senzoru vlastně zdaleka neměří.

V první chvíli jsem se taky podivoval tomu, jak je DSLR Canon "lineární", ale pak jsem si uvědomil, že měříme-li při 800ASA, není na tom vůbec nic zvláštního. Pokud by odezva DSLR nebyla při této citlivosti lineární, byl by vývojář elektroniky foťáku naprostý packal a nenechal bych ho sestavit ani blikající hvězdu na vánoční stromeček.

Jinými slovy jsem chtěl za sebe říct, že na tom výsledku není vůbec nic zvláštního; považuju ho za skoro samozřejmý. Nicméně ověřit to bylo nutné.

Pokud by člověk chtěl znát linearitu senzoru, musí prvně změřit linearitu odezvy opři vyšší citlivosti, čímž zachytí a ověří převodní charakteristiku kanálu mezi ADC a senzorem, a potom při 100ASA, kdy změří vlastní senzor a analogový signálový zesilovač. Převodní charakteristiku získanou při 100ASA musí superpozičně korigovat tou, obdrženou při 800ASA, čímž eliminuje nelinearitu elektroniky. Pokud jde o linearitu celkovou (overall), stačí měřít při 100ASA.

Jen jsem chtěl vyjasnit princip nelinearit v cestě obrazového signálu v DSLR, nic víc, aby to bylo jasné a aby si nikdo nemyslel, že CMOS senzor v DSLR je nějak zvlášť lineární - čemuž by ty první výsledky bez správné interpretace napovídaly.

ceres · #92

...v němž jakýsi maník...
Cyril Cavadore = hlavny supervisor CCD zariadeni na ESO + (co)autor programu Prism7... :P

P.S.: a este celkom dobre foti, lepsie ako hocikto tu na AF

P.P.S.: zabudol som odkaz na jeho stranky - je o com citat i premyslat :-/ http://www.astrosurf.com/cavadore/

KDan · #93

Nechtěl jsem píchnout do vosího hnízda, nebo vyjadřovat neúctu k autoritám. Šlo mně o tuto větu: "Linearity is also very nice for a large consumer market product." Pustil jsem se do této diskuze proto, že - při vší úctě - mnoho lidí principy funkce a zapojení DSLR a CCD kamer do větší hloubky příliš nechápe, nebo je to nezajímá. Projevuje se to v mnoha příspěvcích na AF. Nechci být nijak neskromný; doufal jsem, že by se vyjasnění podobných v některých ohledech matoucích a neúplných informacích o nelinearitách DSLR mohlo hodit i ostatním.

Vždyť to plyne i z toho Tebou uváděného odkazu: http://www.astrosurf.com/cavadore/techn ... index.html

Z celého rozsahu senzoru dotyčný proměřil v popisovaném protokolu pouze jeho spodních 12%!

ceres · #94

To KDan:
nic sa nedeje, ja som len uviedol nejake meranie linearity fotaku, ktory nebol v Zdenkovom zozname. Nic viac, nic menej - myslel som, ze to moze byt pre niekoho prinosom. Neucinil som ziadne hodnotenie, len som prelinkoval odkaz v dobrej viere, ze moze niekomu na nieco byt :-/ Tu moju reakciu vyvolalo citovane suslovie, ktoreho by som sa ja nikdy nedopustil, tak som sa snazil uviest veci na spravnu vieru. Howgh.

ceres · #95

a uvediem este jeden odkaz, opat ako namet pre rozsirenie metodiky merania linearity CCD cipov...

http://www.eso.org/projects/odt/CCDtest ... st-US.html

ceres · #96

Z celého rozsahu senzoru dotyčný proměřil v popisovaném protokolu pouze jeho spodních 12%!
Tomuto nerozumiem - asi si sedim na kabli... Ale 12-bitovy CMOS cip ma rozsah od 0 do 4095 a CC meral az po hornu hranicu s tym, ze do 3800 ADU je linearita "pretty good"... To je skoro 93 % rozsahu, co je naozaj pekne... Ako som pochopil, 20D je dobry fotak (to sme vedeli) s temer linearnym cipom, len treba fotit najviac pri ISO 400 pre lepsiu uroven dynamiky....

KDan · #97

Náboj pixelů CMOS senzoru je kvantizován 12 bity. Kapacita picelu (full-well) je 50300 elektronů. Viz citace z odkazu:

ISO 100

Readout noise: 2.3 ADU (28 e- readout noise)
Bias Level : 128 ADU
Gain : 12.3 e-/ADU (two flats method, green channel, 80% dynamic)
Dynamic (e-/pixel) : 50300e-

To je horní hranice (50300e-) dynamického rozsahu pixelu, kterou lze z DSLR "vytřískat".

No a pro 800ASA opět cituji:

ISO 800

Readout noise : 3.5 ADU (5e- readout noise)
Bias Level : 128 ADU
Gain : 1.45 e-/ADU (two flats method, green channel, 80% dynamic)
Dynamic (e-/pixel) : 6000e-

Tedy pro 800ASA je horní hranice využívaného dynamického rozsahu kapacity pixelu 6000e- (cca 12% z toho maximálního možného 50300e-).

Výstupní napětí z CMOS senzoru je zesilováno zesilovačem s proměnným zesílením, který nastavuje ono "ISO". Analogově-digitální 12-ti bitový převodník dá pouze 4096 ADU - a máš-li do těchto 4096 ADU dostat 50300e- (horní hranice dynamického rozsahu CMOS senzoru) při 1.45e-/ADU (800ASA), jak to asi uděláš, když 4096*1.45 je právě zhruba jen těch 6000e-?

ceres · #98

To KDan:
Ale ano, citat viem. Ale to tu uz miesas jablka minimalne s avocadom Popisovane vlastnosti predsa neplatia len pre tu meranu 20D, ale pre vsetky DSLR: akonahle zvysis ISO (teda zapnes zosilovac), zoslabis si dynamicky rozsah. To plati pre 12-bitove, aj pre 14-bitove cipy v DSLR. Podstatne vsak je, ze cip je linearny, o com sa tu primarne diskutuje. Nehovorime o tom, ako mame fotit (ISO, expozicny cas...), ale ci to ma zmysel. V konecnom dosledku aj CCD kamery maju zosilovace (meni/zvysuje sa uroven gain)... Mozno by vsak bolo zaujimave zistit, ci nie je lepsie fotit na ISO 100 a potom si ten signal vynasobit v spracovacom softe, alebo fotit na ISO 800... Kedysi takyto test robil Ch. Buil, ale conclusions si uz nepamatam. Domnievam sa vsak, ze tato diskusia je odbockou od temy. Ale ak vycitas CC zle meranie, mal by si to iste vycitat aj Zdenkovi, ten tiez meral pri ISO 800 a tym si orezaval dynamiku. Ta vsak, podla mna, nie je velmi podstatna pre diferencialnu fotometriu...

Skor by som to videl tak, ze vysledkom tohto vlakna bude jednoducha tabulka, zahrnajuca sadu DSLR s parametrami a navod, ako fotit, resp ako previest signal z fotaku na meratelny fit... a ze zanechame tieto odbocky ::)

#99

Jenomže změření linearity toho foťáku při 800ASA dokazuje, že je senzor lineární do těch 12% rozsahu, co je dál se nedovíš, protože saturuješ rozsah A/D převodníku.

Pokud chceš zjistit, kam až je lineární ten senzor, musíš opravdu tu charakteristiku proměřit při takové citlivosti, která mapuje plnou kapacitu pixelu do rozsahu A/D převodníku. Pokud je foťák dobře navržený, mělo by to tak zhruba být při nejnižší citlivosti.

ceres · #100

Jenomže změření linearity toho foťáku při 800ASA dokazuje, že je senzor lineární do těch 12% rozsahu, co je dál se nedovíš, protože saturuješ rozsah A/D převodníku.

Pokud chceš zjistit, kam až je lineární ten senzor, musíš opravdu tu charakteristiku proměřit při takové citlivosti, která mapuje plnou kapacitu pixelu do rozsahu A/D převodníku. Pokud je foťák dobře navržený, mělo by to tak zhruba být při nejnižší citlivosti.
Ano, s tym suhlasim. Ale, samozrejme, bolo by dobre urobit merania pre vsetky pouzivane nastavenia, aby mali premenari istotu Ja vsak nemeriam, ja len upozornujem na rozne disproporcie ::) Chcel som len ukazat, ze KDan uviedol vyhrady voci meraniu, ktore bolo podobne, ako robil Zdenek, kde pripomienky nemal 8-)

Pakliže člověk zvítězí nad vlastní blbostí, je vítězem nebo poraženým? V každém případě je to dobré.
Jan Werich

KDan · #101

Chcel som len ukazat, ze KDan uviedol vyhrady voci meraniu, ktore bolo podobne, ako robil Zdenek, kde pripomienky nemal
Podívej se na příspěvek #88.

Mně šlo jen o jedno: Že tímto způsobem, kterým měřil Zdeněk i pan Cavadore, se ani zdaleka nedobereme celé převodní charakteristiky CMOS senzoru - a upozornil jsem na to proto, že právě nad ní se pan Cavadore rozplýval.

Fakt mně nešlo o slovíčkaření. Cílem bylo jen uvést, jak to v DSLR - a koneckonců i v CCD - kamerách principiálně chodí a jak případně změřit linearitu jejich senzoru. Prostě a jednoduše, prohlásit že DSLR je obdivuhodně lineární samo o sobě neříká pranic.

zdenek · #102

Ja bych to trosku upresnil. Cilem cele metodiky bylo overit vhodnost/nevhodnost DSLR pro dif. fotometrii. Proto je nejvhodnejsi vyuzivat nastaveni tak, jak je nasledne pouzito v praxi. Je proste nutne overit cely retezec, nejen snimac. Jedine, co nas zajima je linearita vysledne odezvy pri konkretnim/pouzivanem nastaveni (fotometrie pri ISO 100 asi nebude zrovna nejcastejsi pripad). Nic vic, nic min. Zminene priklady na ISO 400, 800 jsou pouze priklady pro ilustraci.

Pokud mne bude zajimat primarne snimac musim samozrejme upravit citlivost ISO. S tim ostatne metodika rovnez pocita a vyslovene doporucuje (budu-li planovat vyuzit snimkovani pri ISO 100, samozrejme na ni zmerim linearitu; viz. muj prispevek vyse, at se neopakuji dokola).

KDan · #103

Ja bych to trosku upresnil. Cilem cele metodiky bylo overit vhodnost/nevhodnost DSLR pro dif. fotometrii. Proto je nejvhodnejsi vyuzivat nastaveni tak, jak je nasledne pouzito v praxi. Je proste nutne overit cely retezec, nejen snimac. Jedine, co nas zajima je linearita vysledne odezvy pri konkretnim/pouzivanem nastaveni (fotometrie pri ISO 100 asi nebude zrovna nejcastejsi pripad). Nic vic, nic min. Zminene priklady na ISO 400, 800 jsou pouze priklady pro ilustraci.

Pokud mne bude zajimat primarne snimac musim samozrejme upravit citlivost ISO. S tim ostatne metodika rovnez pocita a vyslovene doporucuje (budu-li planovat vyuzit snimkovani pri ISO 100, samozrejme na ni zmerim linearitu; viz. muj prispevek vyse, at se neopakuji dokola).
To právě podle mého názoru není tak úplně pravda - nemůže nás zajímat jenom linearita odezvy DSLR při daném, námi používaném nastavení. Musí nás zajímat i volba onoho nastavení, máme-li cílevědomě a systémově měřit co nejpřesněji. Pro optimální využití DSLR v diferenciální fotometrii je třeba dívat se na problematiku komplexněji.

Existuje konkrétní závěr, který z toho všeho plyne a který by, domnívám se, měl být zdůrazněn a řečen přesně a jednoznačně: Kdybychom využívali celý dynamický rozsah senzoru DSLR, nebude pro fotometrii při ISO100 zřejmě dostatečná ani linearita, ani jenom 12-ti bitová kvantizace, kdy je převodní poměr zesilovače mezi výstupním uzlem senzoru a ADC při ISO100 12e-/ADU. Zde skutečně 12-ti bitový ADC velmi pravděpodobně nestačí, protože rozlišovací krok vstupních úrovmí je pak příliš velký, i když charakteristiky měřených objektů z hlediska fotonového šumu neznám; nicméně, metrologicky bráno, fotonový šum by měl systémově vždy zajišťovat jistý "dithering" měřených výsledků.

Domnívám se proto, že vzhledem ke kvantové účinnosti senzoru DSLR je třeba volit takové ISO, aby odpovídající zesílení bylo právě co nejbližší minimální hodnotě větší než 1, v našem případě tedy oněch cca 1.5e-/ADU.

Potom totiž krok ADC mapovaný do vstupního signálu přibližně odpovídá hodnotám rozlišení 16-ti bitových převodníků CCD kamer, ovšem právě za cenu snížení celkového maximálně teoreticky možného dynamického rozsahu DSLR s 12-ti bitovým ADC na oněch 12%.

Toto je hlavní důvod, proč je DSLR vhodná hlavně pro diferenciální fotometrii. O něco lépe jsou na tom pochopitelně 14-ti bitové DSLR, kde by bylo optimální využívat citlivosti 400ASA a 200ASA.

Proto by zde ještě podle mého názoru mělo být řečeno, že pro diferenciální fotometrická měření s prakticky využitelným největším rozlišením je vhodné nastavovat na 12-ti bitových DSLR Canon citlivost ISO800, kde se celý signálový řezězec DSLR celkem pochopitelně chová lineárně. Protože rezerva v parametrech linearity by vždy měla být známa - kvůli vlivu extrémních parametrů -, je vhodné doplňkově proměřit i overall linearitu při oněch 100ASA.

Popisované věci jsem měl na mysli, když jsem zakládal toto vlákno a kvůli nim se domnívám, že technicky vzato je DSLR pro diferenciální fotometrii použitelný nástroj.

zdenek · #104

S tim co pises mas samozrejme pravdu. Nad tim vsim jsem uvazoval, kdyz jsem daval dohromady metodiku. a co mne vedlo k doporuceni merit pri pouzivanych merenich. Nakonec jsi dospel prakticky ke stejnemu zaveru - overovat pri urcite ISO.

Dodam par dalsich argumentu:
- Expozice nelze s DSLR delat neomezene, ale prakticky jen max. desitky sekund (v ideal. pripade minuty). Bezne merene hvezdy by se ti pak schovaly do nekolika malo urovni ve spodnim rozsahu.
- Pokud vyloucime nejjasnejsi hvezdy, tak pri ISO 100 je proste krok pri diskretizaci signalu pro slabe hvezdy prilis hruby (onen pri ISo800 trosku umele zvetseny "schodek" na zacatku prubemu v demo mereni v excel. listu by byl mnohem vetsi).
- Dalsi poznamka s tim souvisi a souvisi ryze s teorii chyb: chyba ktera vznikne pri zpracovani a vyhodnoceni malych cisel je pri omezenem zapisu cisla vyssi nez pri zpracovani cisel vetsich.
- Smerodatna odchylka zmerene hodnoty se mirne meni s nastavenim ISO (overeno). Jde pravdepodobne o vliv nasledne eloniky (sumy, linearita, stabilita parametru, teplotni zavislost, ...). Nastavenim na Iso100 pak ale tuto eloniku neproverim dostatecne.

Suma sumarum, pokud mne zajima nejaka konkretni aplikace urciteho pristroje a nikoliv moznosti tohoto pristroje jako takoveho je podle meho nazoru vyhodnejsi testovat tento pristroj na podminky, ve ktere odpovidaji konkretni aplikaci. Dokazu si samozrejme predstavit d. fotometrii jasnych objektu pri ISO 100, pak by byl test na ISO100 na miste. Kolik ale je takovych objektu, aby pri ISO100 mi za par sekund (desitek sekund) vyvolaly temer plne vybuzeni pixelu?
To vse jsou samozrejme uz jen "detaily". Mnohem dulezitejsi je zaver, ze DSLR, byt s urcitymi omezenimi, ma predpoklady alespon pro zakladni d. fotometrii.

ceres · #105

oki, vysledok je, ze DSLR mozno pouzit. Slava

Teraz to posuniem trochu dalej s nasledujucou otazkou:
Ziskam farebnu snimku (teda RGB) a urobim split jednotlivych kanalov, resp. vyselektujem L-kanal. Ma zmysel merat krivku osobitne pre kazdy z tychto kanalov? Alebo len pre R ci L? Alebo mozem vhodnym zmiesanim kanalov (podla spektralnej charakteristiky cipu) vytvorit novy kanal, vhodnejsi na fotometriu? Alebo zrovnat jednotlive kanaly (via Ch. Buil) vhodnym nasobenim? Alebo predradit pred cip fotometricky filter a merat len prisluzny kanal? Hmm...?