Kamerki CMOS - ustawienia i kalibracja

[jolo]

Ilość użytkowników kamerek z matrycami CMOS ciągle wzrasta, a spora część tych użytkowników operowała wcześniej z kamerami opartymi na sensorach CCD. Z różnych rozmów i korespondencji wynika, że spora część tych ostatnich (łącznie ze mną) zadaje sobie pytanie, czy praca z CMOSem jest taka sama, jak z kamerkami CCD. Otóż generalnie jest bardzo podobna, ale różni się w szczegółach, czyli tam, gdzie zazwyczaj tkwi diabeł  

Ustawienia

W przypadku kamer CMOS mamy do dyspozycji większą ilość ustawień. W sterownikach zazwyczaj mamy trzy parametry, które możemy dostrajać do własnych potrzeb:

• gain, czyli wzmocnienie. To taki odpowiednik ISO w ustawieniach aparatów cyfrowych. Im większy gain, tym jaśniejszy będzie obraz, ale także wzrastał będzie widoczny szum. Podnoszenie gain powoduje również zmniejszanie zakresu dynamicznego obrazu. Największą dynamikę mamy przy ustawieniu gain na minimum. 
• offset, czyli, hm, ofset. To stała wartość dodawana do każdego odczytanego piksela. W skrócie - ma to na celu wyeliminowanie z obrazu pikseli o wartościach zero, które mogą powodować artefakty w obrazie.
• USB traffic, czyli obciążenie portu USB przez kamerkę. Im większe ustawienie, tym potencjalnie szybciej materiał będzie przesyłany z kamerki do komputera, ale w zależności od kabelkologii i konfiguracji zbyt duża wartość USB traffic może spowodować niestabilną pracę.

Jak ustawiać te nowe parametry?

Zaczniemy od najprostszego - USB traffic. Ustawiamy go na najwyższą wartość, przy której cały system nam pracuje stabilnie. Po wybraniu optymalnego ustawienia warto jeszcze zrobić test z klatką BIAS - sprawdzić jak wygląda taka klatka przy danym ustawieniu, a następnie zmniejszyć USB traffic o 1/3 i sprawdzić ponownie. Jeśli na klatce BIAS nie widać wyraźnych różnic w szumie ani w FPN, zostawiamy wyższe ustawienie.

Ustawianie offset też jest łatwe - dla każdej kombinacji USB traffic i gain ustawiamy offset na taką wartość, żeby histogram klatki BIAS był wyraźnie odsunięty od lewej części wykresu, i żeby w klatce BIAS nie było pikseli o wartości zero. Czasami przy wysokich wartościach gain nie da się uniknąć takich pikseli - wtedy trudno, trzeba z tym żyć.

I sprawiający najwięcej kłopotów gain. W przypadku astrofotografii planetarnej, kiedy naświetlamy klatki z czasami rzędu milisekund ustawiamy gain na wysoką wartość. Na podglądzie obrazu na żywo najlepiej zdecydować na jaką. W przypadku tak zwanego lucky imaging, gdzie czasu naświetlania zawierają się od ułamka sekundy do kilku sekund można wybrać niższy gain, co najmniej unity gain ¹⁾, a można 2-3 razy więcej niż wynosi unity gain. Natomiast w przypadku astrofotografii długoczasowej z czasami rzędu minuty i więcej - tutaj jest kilka szkół

1. ustawiamy gain na najmniejszą wartość i naświetlamy klatki z czasami "klasycznymi" jak w przypadku kamer CCD. 
2. ustawiamy gain na wartość "gdzieś pomiędzy" wartością minimalną i unity gain, a klatki naświetlamy "trochę krócej" niż w przypadku kamer CCD

Teoretycznie ten drugi sposób pozwoli nam na uzyskanie w wynikowym materiale lepszego stosunku sygnału do szumu oraz większej dynamiki. Wynika to z dwóch faktów. Po pierwsze - wzrost gain zmniejsza jednocześnie szum odczytu kamerki CMOS. Na początku jest to wyraźny spadek, ale przy większych wartościach gain szum odczytu już zmniejsza się bardzo powoli. A po drugie zbierając tą samą ilość materiału w krótszych klatkach mamy tych klatek więcej. I to w połączeniu z ograniczoną rozdzielczością przetwornika kamerki (12 lub 14 bit w przypadku CMOS) da nam teoretycznie lepszą dynamikę.
W praktyce wygląda to już nieco inaczej. Po pierwsze przy fotografii długoczasowej szum odczytu matrycy CMOS stanowi bardzo niewielki ułamek całkowitego szumu, i jego wzrost czy spadek w wynikowym obrazie nie przełoży się na zauważalne polepszenie stosunku sygnału do szumu. A po drugie wzrost dynamiki w końcowym obrazie nie będzie widoczny, bo choć zakres dynamiki kamerek CMOS (czyli stosunek pojemności piksela do szumu odczytu) często przekracza rozdzielczość zastosowanego przetwornika ADC, to realny zakres dynamiki (czyli stosunek pojemności piksela do całkowitego szumu w obrazie) już w praktyce zawsze jest mniejszy, niż rozdzielczość przetwornika (przy fotografii długoczasowej).
Jest jeszcze jeden argument podnoszony na korzyść stosowania większej wartości gain przy fotografii długoczasowej - błąd kwantyzacji. Jeśli piksel kamerki CMOS ma pojemność np 16000e, a przetwornik ma rozdzielczość 12 bitów, czyli 4096 poziomów, to np odczytana wartość 100ADU ²⁾ może odpowiadać zarejestrowanej ilości 400 albo 399 albo 398 albo 401 elektronów. Błąd kwantyzacji może stanowić większy ułamek całkowitego szumu w przypadkach pojedynczych klatek, kiedy jasność tła jest bardzo mała, na przykład przy fotografii przez filtry wąskopasmowe. Ale błąd kwantyzacji nie jest błędem systematycznym, tylko losowym i podczas składania materiału z wielu pojedynczych zdjęć będzie się on również zmniejszał. Bardziej ogólnie rzecz ujmując - im mniej szumu rejestruje matryca (ciemne niebo, filtry, ciemny instrument, krótkie czasy naświetlania), tym bardziej szum odczytu i kwantyzacji będzie wpływał na końcowy efekt. W skrajnym przypadku na przykład może się okazać, że pod bardzo ciemnym niebem fotografując kamerką kolorową (filtry RGB) przez teleskop f/10 już przy czasach 3-5 minut warto będzie nieco zwiększyć gain do uzyskania optymalnego efektu. Albo zwiększyć czas ekspozycji.

Tyle teorii, ja sam jakiś czas temu zrobiłem małe porównanie i naświetlałem ten sam kadr przez 50 minut (przez filtr L, refraktor f/5.5). Raz przy ustawieniu gain=0 i w klatkach po 5 minut. Następnie przy gain ustawionym na 10 (to wartość około 3/4 unity gain w mojej kamerce) i w klatkach po 1 minucie. Po złożeniu materiału nie byłem w stanie dostrzec różnicy. Tak że na razie przy fotografii długoczasowej pozostaję przy ustawieniu gain na zero. Jeśli ktoś robił takie albo podobne próby to zachęcam do podzielenia się wynikami, może trzeba będzie zweryfikować poglądy i zmienić przyzwyczajenia.

W następnym poście o kalibracji materiału z kamerek CMOS.

---------------------------
1) unity gain, czyli wzmocnienie jednostkowe, to takie ustawienie wartości gain, przy której jeden zarejestrowany elektron zostaje przetworzony w przetworniku na wartość 1ADU. Przy tym ustawieniu efektywna pojemność piksela jest ograniczona do rozdzielczości przetwornika. 
2) należy pamiętać, że choć przetworniki w kamerkach CMOS mają rozdzielczość 12 albo 14 bitów, to sygnał przesyłany do komputera jest skalowany do 16 bitów. Czyli np 100ADU odczytane z przetwornika 12 bit w komputerze będzie zapisane jako 1600ADU. 

[Gayos]

Dzięki Łukasz.

W związku z rosnącą ilością CMOSów na rynku Twoje wiadomości są bezcenne. Przesiadając się z CCD trzeba się nauczyć nowego podejścia do obsługi kamerki. Dzięki za lekcje.

[KrisQ]

Dzięki za te cenne informację. Dopiero zaczynam przygodę z kamerkami CMOS. Prawdziwe astrofoto, to tylko mogę pooglądać na fotkach u zacnych kolegów 

[jolo]

To jeszcze garść informacji o kalibracji materiału z kamerek CMOS - przynajmniej dla tych, którzy kalibrują materiał. Ci, którzy wcześniej pracowali z kamerami CCD bez kalibracji i przerzucili się na sensory CMOS najprawdopodobniej będą musieli zacząć kalibrować  Powodem jest ampglow  który w różnych modelach różnie daje się we znaki, a usunąć go można prawidłowo jedynie przez kalibrację klatkami dark. 

Po pierwsze i najważniejsze - w przypadku kalibracji materiału z kamerek CMOS musimy na pewno posiadać komplet klatek kalibracyjnych dla każdej kombinacji temperatury sensora oraz parametrów gain i offset. Dodatkowo zmiana ustawienia USB traffic również często wpływa na wygląd klatek kalibracyjnych. Dlatego warto najpierw sobie prawidłowo wybrać parametry przy których będziemy fotografowali skarby nocnego nieba, żeby po co drugiej sesji nie zmieniać i dostrajać ustawień, bo będzie to skutkowało koniecznością odnawiania biblioteki klatek kalibracyjnych. 

O tym ile jakich klatek stosować napisano już epopeje, więc nie ma co tutaj się rozpisywać więcej na ten temat. W skrócie - klatek bias dużo - co najmniej 50. Może być 100-200, a niektórzy stosują i 500. Posiadacze programu PixInsight mogą próbować stosować proces Superbias do usunięcia szumu z klatki master bias, ale szczerze mówiąc mi nie udało się uzyskać z jego pomocą dobrych rezultatów. A wyklikanie jednej czy dwóch setek klatek bias, szczególnie przez port USB3.0 nie trwa długo. Klatek flat minimum 10, optymalnie będzie 20. Klatek dark całkowite minimum to 10, dobrze mieć 20-40, więcej nie zaszkodzi, ale też wiele już nie zmieni. Niestety tworzenie klatek dark kosztuje trochę czasu, ale warto w pochmurną noc stworzyć sobie odpowiedni zapas. Klatki kalibracyjne najlepiej robić w takiej samej konfiguracji sprzętowej (kable, zasilanie) jak podczas normalnej sesji.

Kalibracja materiału z kamerek CMOS może przebiegać wiele sposobów, poniżej dwa z nich, które sam stosuję bądź stosowałem.

Pierwszy to podejście klasyczne. Dużo biasów, sporo darków i flaty. Wrzucamy całość do biblioteki kalibracyjnej Maxima i pozwalamy programowi robić swoje. W przypadku posiadania innego programu musimy się trochę bardziej napocić podczas kalibracji. Podejście klasyczne daje dobre wyniki, ale czasami nie do końca się sprawdza, szczególnie wtedy, kiedy program jest zmuszony do skalowania darków - czyli gdy posiadane przez nas klatki dark zrobione zostały w nieco innej temperaturze albo z nieco innym czasem, niż klatki z materiałem. Powodem tego jest ampglow matryc CMOS, która to wartość nie do końca się chce dobrze skalować. Również klatki flat naświetlane z czasami 10 sekund i więcej (np dla filtrów wąskopasmowych) mogą być źle przeskalowane (chyba że posiadamy dobrane klatki dark flat).

Dlatego też spora część użytkowników kamerek CMOS (ja również zaczynam do niej należeć) stosuje alternatywny sposób kalibracji. Bez klatek bias i z klatkami dark o dokładnie takich samych parametrach jak klatki z materiałem (temperatura, czas oraz oczywiście gain, offset i USB traffic). W tej metodzie materiał kalibrujemy jedynie klatkami dark oraz flat, przy czym klatki flat muszą być skalibrowane odpowiednimi klatkami dark flat. Czyli przykładowo, jeśli zebraliśmy materiał LRGB w ilości 50 klatek 2 minuty L, oraz 3x15x3 minuty klatek RGB, to w bibliotece kalibracyjnej Maxima powinny się znaleźć: 

• 20-40 klatek dark 3 minuty
• 20-40 klatek dark 2 minuty
• klatki flat zrobione przez filtry LRGB
• 20-40 klatek dark z czasami takimi samymi jak zrobione klatki flat

I znowu wystarczy pozwolić Maximowi robić swoje. Jeśli posiadamy inny program, to trzeba w internetach albo w instrukcji doczytać jak prawidłowo kalibrować posiadając taki zestaw klatek kalibracyjnych. W moim przypadku ten alternatywny sposób kalibracji daje równie dobre wyniki, co sposób "klasyczny", a dodatkowo mam mniej problemów z nie do końca dobrze dopasowanymi klatkami flat. Wcześniej czasami, szczególnie przy filtrach wąskopasmowych, zdarzało się, że klatki flat dawały niezadowalające wyniki.

A co z ditheringiem? Jak najbardziej wciąż można i warto stosować. Ale kalibrować klatkami dark i tak będzie trzeba, ze względu na ampglow, który trzeba będzie usunąć.