Web kamery a fotometrie

[Janek]

Včera jsem byl na proměnářské konferenci v Brně a tam vyvstala tato otázka. Je několik lidí, kteří by rádi dělali fotometrická pozorování proměnných, ale zatím se v oboru využívaly klasické CCD kamery. Jaké jsou možnosti využití web kamer pro tyto účely a jaká jsou uskalí?

[MMys]

Ahoj,
já si myslím, že šance na úspěch velká nebude. Většina webkamer má barevnou hloubku 8 bitů na kanál (tj. 256 úrovní).  Když uvážím, že odečteš dark-frame a použiješ flatfield, může být výsledný dynamický rozsah snímku ještě výrazně nižší.  a tím i nízká přesnost takto získaných hodnot. Navíc nevíme, co s obrazem dělá ovladač kamery, podle nastavení ovládacích prvků v dialogu kamery. Výsledná škála obrázku ale není určitě lineární, takže je to pro přesná měření asi nepoužitelné.

Na druhou stranu, existují postupy, kterak dostat z kamery tzv. RAW snímek. Pro Philips ToUcam Pro je na to utilita, která kameru přepne, a ta posílá černobílá data s maskou RGGB. S tím by snad šlo něco dělat. Stále ale bude vadit nižší kvantová účinnost a díky na čipu předřazeným filtrům i nemožnost  snímat ve standardním fotometrickém systému přes k tomu určenou sadu filtrů UVBRI.  Existuje možnost nahradit v kameře CCD shodným typem, ale černobílým. Měl by být kompatibilní. Dělá je Sony, a snad by mohly jít sehnat u Framosu. Bohužel zůstane stále limit pouze 8-bitové hloubky, což mi přijde málo. Pro opakovatelné výsledky by bylo navíc nutno doplnit regulované chlazení na konstantní teplotu, jinak to je asi marná práce.

[Psion]

Nedávno se zde objevil odkaz na software, který dokáže, že výstupem z webkamery je formát RAW. Základem je změna firmware webové kamery a jeho specifické nastavení. Zároveň je na stránkách odkaz na SW Iris - velmi zajímavý free SW - doporučuji vyzkoušet.

http://www.astrosurf.com/astrobond/ebrawe.htm

Vyzkoušel jsem nový firmware a musím říci, že opravdu z kamerky vystupuje lepší obraz než standardní. Jakmile bude jasno, vykouším a dám vědět.

[KaPr]

Martin ma samozrejme pravdu, ze 8 bit hloubka je malo. To se ale da vyresit naskladanim nekolika snimku na sebe. Pokud clovek poridi 16 snimku, tak se da rozsah zvetsit teoeticky na 12 bitu. Problem ovsem vidim v tom, ze to funguje pouze tehdy, pokud zkoumany objekt nesaturuje signal (musi se prizpusobit delka expozice) a pokud jsou zmeny natolik male, ze onech 16 snimku lze ziskat jakoby v jednom okamziku. Delal jsem v tomto smeru pokusy a realny "rozsah" zmen je asi tak 4-5 mag. Faktory, jako je nizsi Q-ucinnost a sada filtru hraji sice velkou roli, ale z meho hlediska nejsou az tak neprekonatelne. Vestavene RGB filtry, pokud je CCD cip ma mohou byt naopak na zacatku prospesne: G filtr je pomerne blizko standardnimu V filtru a lze provest kalibraci. Neco o techto pokusech najdete na:
http://www.warren-wilson.edu/~dcollins/ ... Webcam.htm

nebo

http://www.reductionism.net/CCD_TE/cte_ ... alibration

Prakticke pokusy jsou popsany na

http://www.univ.szczecin.pl/~ecliptic/vesta3en.htm

Ja osobne jsem si provedl kalibraci sve VESTY a vyvodil (zatim jen pro sebe) pravidla, co delat, aby se z pozorovani dalo neco ziskat. Zatim jsem delal fotometrii nekolika komet a chystam se na promenne, ale jak to byva - zatim jsem kvuli pracovni zatezi zustal u planu. Jak uz psal Martin, teplota cipu hraje dulezitou roli (kvuli S/N pomeru) a po upradu budu informovat. Snad take napisu kratky paskvil o sve kalibraci. Neb jsem zakoupil dalsi dve VESTY, chystam se take na implantaci vetsiho, ale cernobileho cipu do jedne z nich.

[Pavuk_]

KaPr napsal: Pokud clovek poridi 16 snimku, tak se da rozsah zvetsit teoeticky na 12 bitu.Zisk je odmocnina(16 snimkov)=4 => 2 bity a nie 4 bity! Lebo bitovy rozsah narasta s odmocninou(n snimkov) :hi:

[MP]

Pavuk_ napsal:
Zisk je odmocnina(16 snimkov)=4 => 2 bity a nie 4 bity! Lebo bitovy rozsah narasta s odmocninou(n snimkov) :hi:

Odmocnina z 16 jsou 4 bity. Zkus si to predstavit : mas 2 snimky s rozsahem jasu pixelu od 0 do 255, tedy 8bitovych. Sectes je a mas rozsah jasu od 0 do 510, tedy 9bitovy. kdyz sectes 16 snimku, dostanes se s urovnemi od 0 do 4080, mas tedy 12bitovy rozsah. Nedelej, ze nejses zvykly programovat procesory binarne

[Psion]

MP napsal:

Odmocnina z 16 jsou 4 bity. Zkus si to predstavit : mas 2 snimky s rozsahem jasu pixelu od 0 do 255, tedy 8bitovych. Sectes je a mas rozsah jasu od 0 do 510, tedy 9bitovy. kdyz sectes 16 snimku, dostanes se s urovnemi od 0 do 4080, mas tedy 12bitovy rozsah. Nedelej, ze nejses zvykly programovat procesory binarne  :)

Takže stačí udělat 256 obrázků a jsme tam, kde potřebujeme být

[Pavuk_]

MP napsal:

Odmocnina z 16 jsou 4 bity. Zkus si to predstavit : mas 2 snimky s rozsahem jasu pixelu od 0 do 255, tedy 8bitovych. Sectes je a mas rozsah jasu od 0 do 510, tedy 9bitovy. kdyz sectes 16 snimku, dostanes se s urovnemi od 0 do 4080, mas tedy 12bitovy rozsah. Nedelej, ze nejses zvykly programovat procesory binarne  :)
ALE KDEZE: mas n=16 snimkov, tie ti zlepsia odstup S/N o z=odmoc(n) z toho je bitovy zisk bz=log(z)/log2; v nasom pripade z=4; bz=2 takze bitovy zisk je 2bity, potom vysledne bitove rozlisenie je 8+2=10Bit
nezabudni ze sum klesa s odmocninou a nie poctom snimkov (vid statistika:-) )
A este na zaver: nie 510 ale 512 a nie 4080 ale 4096 :hi:

[KaPr]

Pavuku, prosim Te, ty mluvis o voze a my o koze. Ty mas pravdu v tom, ze odstup od sumu se zvetsuje s odmocninou. My ale mluvime o HLOUBCE kanalu a nezlob se, ale 16x256 = 4096 = 2^12. Ty vlastne tvrdis, ze jeden jeddiny snimek ma odstup S od N 8 bit (napr. ze signal ma hloubku 10 bit a sum 2 bity), coz je samozrejme nesmysl, protoze CELKOVA hloubka kanalu cini 8 bit. My nerikame nic jineho, ze CELKOVY SIGNAL (vcetne sumu, neopraveny o dark a flat) jednoho snimku je 8 a 16-ti poskladanych snimku 12 bit. Jaky je S/N je jiny kafe.

[MMys]

Jenomže ono to spolu souvisi. Jako logicky argument bez spousty matematiky o typu rozlozeni sumu se da uvest toto: Kdyz nebude mit kamera zadny sum, tak uroven pixelu bude v kazdem snimku stejna. Tudiz kdyz sectes dva snimky, budes mit sice rozsah 512 urovni, ale kvantovany po dvou, takze ti hloubka vlastne zustane. U takto idealniho signalu si vlastne scitanim snimku vubec nijak nepomuzes. V realu vstupuje do hry sum, ktery ti zajisti, ze pri opakovanem snimani tehoz objektu bude mit konkretni pixel jednou hodnotu takovou, podruhe trochu jinou. A ta cetnost vyskytu jednotlivych urovni zavisi zaprve na typu rozdeleni sumu a take na tom, zda skutecna uroven (analogova, pred digitalizaci) je prave uprostred nejake diskretni urovne, nebo na jejim okraji, na prelomu dvou urovni. Diky prumerovani (resp. scitani) a sumu potom ziskavas vlastne jemnejsi kvantovani. To zvyseni rozliseni je proste podminene nejakym sumem (at jiz vzniklym v obvodech kamery, nebo vyvolanym na zaklade optickych jevu - treba seeingem), jinak by to nefungovalo a tak se k tomu take musi pristupovat. Nelze ty dva jevy od sebe oddelit. Jsou provazane.

Tento postup se dokonce vedome pouzival v dobe, kdy nebyly k dispozici prevodniky s vyssim rozlisenim , k ziskani presnejsich hodnot. Videl jsem schema, kde se do obvodu umele vnasel sum (o velikosti odpovidajici hodnote nekde kolem rozliseni na jeden bit) a na zaklade opakovanych mereni se vypocitavala skutecna hodnota ve vyssim rozliseni, nez mel ve skutecnosti prevodnik.

[KaPr]

Martine, ja netvrdim, ze tyto jevy spolu nesouvisi ! Mas pravdu, ze kdyby neexistoval sum, pak by asi nemelo smysl snimky skladat. Vse by se proste jen nasobilo. Pokud by neexistovaly sumy (at jsou jiz jakehokoliv puvodu), tak by nejlepsi CCD kamerou byla ta, co ma nejvetsi Q citlivost a nejvetsi hloubku obrazu. Bavime se ale o fotometrii objektu, ktere meni jasnost a tudiz i signal pochazejici od nich nema konstantni velikost. Chci-li tudiz vysledovat jeho velikost a srovnat ho s necim co se nemeni, musim mit urcitou dynamickou hloubku. 8 bit je malo a podle meho se to da dotahnout prave skladanim. Samozrejme se skladanim umerne zvetsi i sum - na to narazis jak ty, tak Pavuk. Myslim, ze koren nedorozumeni tkvi v tom, ze ja chci srovnavat jasnost objektu vzhledem k jasnosti jineho objektu, ktery je znam a vy to vztahujete pouze k sumu. V mem chapani jsou oba objekty stejne tak jako tak zatizeny sumovou chybou. Ta klesa opravdu jako odmocnina. Nicmene pokud zkoumany objekt meni jasnost, mam po poskladani k dispozici vice urovni, nez mi v tom sumu zmizi (se stale se zvetsujici chybou).

[MMys]

ja uz ale nevim, jak ti to vysvetlit.

Nejprve se oprosti od faktu, ze se jas objektu po dobu snimani sekvence snimku zmeni (to je nezadouci, vzdyt jsi to psal nazacatku a neni to zarucene, pokud objekt bude zrovna ve fazi, kdy se jasnost nemeni)

Zisk v rozliseni tam je prave a jen diky sumu. A ten bohuzel se zvetsujicim se poctem snimku klesa presne tak, jak pise Pavuk (nikoli roste jak pises, to byl doufam preklep) a to zpusobuje, ze prinos vetsiho mnozstvi snimku neni jiz tak velky, proste to neni linearni, jako kdybys jen scital rozsahy (ted jsem to teda drasticky zjednodusil, ale budiz). Proste pravdu ma Pavuk, ver mi  ;)

To nic nemeni na tom, ze skladani pomuze ziskat vyssi hloubku, takze bych to uz neresil. Z praktickeho hlediska bych spis videl problem, jak spolehlive zajistit, aby mereny a srovnavaci objekt nebyl v 8 bitech saturovany. Jedine snad detailne prozkoumat pri nastavovani snimek, nez pustis sekvenci. A taky pozor na tuhle vec, je treba laborovat jen s casem expozice a ziskem kamery. Nikoli s prvky jas a kontrast v ovladaci. Ty uz ovlivnuji jen zpracovani v PC. Takze A/D prevodnik mas pak klidne nadoraz, ale v PC nemusis mit hodnotu 255 a presto jsi v saturaci.

[MP]

Vidim, ze jsem trochu prilil oleje do ohne, tak budu pokracovat :
Predpokladejme, ze mame idealni kameru bez sumu. Snimany objekt ma jas rozlozeny tak, ze na jeden pixel dopada 1 foton kazdou sekundu a na druhy pixel 1 foton kazde 2 sekundy. Kamera je idealni a tak kazdy foton interpretuje jako hodnotu 1. Udelame dve 1sekundove expozice. V tom prvnim pixelu budou v obou snimcich hodnoty 1, v tom druhem pixelu bude v jednom snimku hodnota 0 a v druhem 1. Zadny ze snimku nam neda verny obraz ( pomer jasu pixelu 1:2 ). Ale kdyz je secteme, mame v prvnim pixelu hodnotu 2 a v druhem hodnotu 1. Rozliseni je tedy opravdu o 1 bit vyssi.

Ja vim, je to prilis zjednodusene, ale jen jsem chtel ilustrovat, ze zdvojnasobenim expozice opravdu dostaneme dvojnasobek moznych urovni, tedy rozlisime i odstiny, ktere jsou "mezi" dvema urovnemi pri mensi barevne hloubce a ktere bychom tim padem pri mensim poctu bitu nerozlisili.

To s tim sumem je pravda, ale to primo nesouvisi s barevnou hloubkou. Stejny vysledek ( ohledne sumu ), jako pri skladani 16ti 8bitovych expozic do 12bitoveho formatu dostaneme i pri skadani 16ti 12bitovych expozic do 12bitoveho formatu.

[KaPr]

Martine, ja taky nevim, jak ti to mam vysvetlit.

Ja se od faktu, ze se jas objektu meni s casem oprostit nemohu, neb prave o to jde (protoze pak v casove delsi skale nez je nasnimani tech 16 snimku signaly NEJSOU stejne).

Dale - kdyz sectu 16 snimku, tak v ABSOLUTNI HODNOTE bude vetsi i sum, ne mensi. Ty zase mluvis o trosku necem jinem - o statisticke chybe, ktera se samo zmensuje (a to s odmocninou, pokud prijmeme, ze dany jev se ridi gausovskym rozdelenim). Ja mluvim o zvetseni HLOUBKY celkoveho signalu ! Jestlize v jednom snimku ma celkovy signal objektu hodnotu 200 (+-14) a sum 20 (+-4), tak je S/N pomer 10 (+- asi 3) : 1. "Uzitecny signal" bude 180 (+- 18). Chyba tedy 10%. Dejme tomu, ze stejnou hodnotu ma i srovnavaci objekt. Nyni nascitam 10 snimku. Pak dostanu hodnoty: 2000 (+- 44), sum 200 (+-14), S/N je 10 (+-1) : 1 a uzitecny signal 1800 (+-58), tedy zatizeny asi 3 %. O tom mluvite Vy - chyba klesa s odmocninou. Ja mluvim o rozsireni HLOUBKY ! Finta je v tom, ze nyni mam k dispozici registr s hodnotou 2000 a to je o "neco" vic nez hloubka 8 bit. Kdyz nyni objekt zeslabne a hodi po secteni "jen" signal 200, bude jen 2x silnejsi nez pozadi. Nicmene v danem rozsahu budu mit i srovnavaci objekty, ktere maji signal 2000.
Asi bych ti to mohl osvetlit tak, ze tato situace je naprosto ekvivalentni pozorovani se supreprofesionalni kamerou, u ktere budes pouzivat velmi kratke expozicni doby kdy signalem naplnis 8 bitu. Predpokladam, ze tam bude i neco sumu. Naco ti pak bude hloubka 16 bit ? Na nic ! Aby jsi vyuzil schopnosti kamery, asi prodlouzis expozicni casy. To povede k naplneni registru na uzitecnou hodnotu - k "hlubsimu signalu" a vylepseni statisticke chyby. O tom prvnim mluvim ja, o tom druhem vy.

Uhodil jsi hrebicek na hlavicku, kdyz jsi se zminil o saturaci (o te jsem ostatne neco prohodil i ja): jde o moznost pozorovat objekty s velkymi rozdily jasnosti - bud tak jak jsem to implicitne predjimal ja, ze se objekt zjasnuje ci zeslabuje nebo jako Ty, kdyz jsi mne poucil o nutnosti davat pozor na saturaci (mimochodem, pozoruji s webkou uz nejaky cas, takze si myslim, ze vim, co muzu nastavit a co je lepsi ponechat - jak jsem psal, kalibroval jsem ji a stravil u toho nejeden den). Pokud dojde k saturaci, je vse ztraceno a nepomuze ani hloubka ani dobry S/N.

[MMys]

To MP:
Ja si myslim, ze to tak neni (respektive, tak to je, ale neni to nas pripad). Kdyz budeme bez sumu, a ta kamera (cela, jako retezec), bude produkovat pro konkretni objekt v konkretnim pixelu konstantni hodnotu, skladanim nic neziskas. Ty jsi bral extremni pripad, na dolnim rozsahu citlivosti, ze dopadne foton jednou za dlouho, tudiz nekterou expozici ho chytis, nekterou ne. Pak samozrejme kdyz tech expozic je vice, je to tak. Ale tady uz uvazujes kvantovani ne A/D prevodem, ale kvantovani po fotonech. To je trochu jinde, nez o cem se bavime, kde je jas dane hvezdy pomerne vysoka hodnota.