Mit światłosiły

[jolo]

Wśród sprzedawców sprzętu astronomicznego pokutuje mocno zakorzeniony mit mówiący, że jakość otrzymywanych zdjęć jest  zależna od światłosiły zestawu, a nie od apertury. Często można się spotkać ze stwierdzeniami, że np ?reduktor ogniskowej 0.75x pozwoli nam skrócić czas naświetlania o połowę?, albo że ?binning 2x da nam taki sam wynik w 1/4 czasu?. Korzenie tego mitu leżą bez wątpienia w doświadczeniach z obiektywami fotograficznymi, w których regulacja światłosiły polega na zmianie apertury obiektywu. W przypadku stosowania reduktora ogniskowej mamy do czynienia z sytuacją dokładnie odwrotną - apertura pozostaje taka sama, a zmieniamy ogniskową.

Zostawmy na razie kamerkę w kącie i weźmy przykładowy refraktor o aperturze 100mm, który zbiera nam sygnał od dowolnego obiektu - gwiazdy, galaktyki, mgławicy czy wycinka tła nieba. Ilość sygnału zebranego przez instrument określona jest przez: jasność obiektu, aperturę, transmisję obiektywu i przez czas zbierania materiału. Niezależnie od tego, czy obraz galaktyki będzie miał 10mm, czy 7.5mm (gdy zastosujemy reduktor) ilość sygnału zebranego z określonego obiektu, czy z określonego wycinka tła nieba będzie w otrzymanym obrazie taka sama. Jedynym zyskiem ze stosowania reduktora ogniskowej jest powiększenie pola widzenia zestawu. Sposobem na zwiększenie ilości zebranego sygnału jest wydłużenie ekspozycji albo zwiększenie apertury.

A jaki ma wpływ na całość nasz niedoskonały detektor, jakim jest kamera? Dodaje swoje trzy grosze w postaci szumu odczytu. Naświetlając pojedynczą klatkę zazwyczaj stosujemy taki czas, aby szum odczytu nie stanowił więcej, niż 5% całkowitego szumu w obrazie. Po zastosowaniu reduktora obraz będzie próbkowany z mniejszą rozdzielczością i wkład szumu odczytu w przeliczeniu na fotografowany obiekt czy wycinek nieba będzie nieco mniejszy. Ale jednocześnie dodatkowa optyka w torze w postaci reduktora spowoduje pewien spadek transmisji, więc wynikowo udział szumu odczytu spadnie nam np z 5% do 4% (nie liczyłem tego dokładnie, ale jak ktoś będzie chciał to mogę spróbować).

A co z binningiem? Obowiązują te same zasady. Otrzymujemy wciąż (bo apertura pozostała taka sama) tyle samo sygnału od obiektu ?udekorowanego? dodatkowo szumem odczytu. Różnicę widać wyraźnie przy krótkim czasie naświetlania - wtedy kamera łapie nam niewiele sygnału i dołożony szum odczytu może stanowić już wyraźny ułamek całości. Zmieniając binning na x2 wywalamy z sygnału 3/4 szumu odczytu, co powoduje oczywisty wzrost jakości obrazu. Naświetlając ?normalne? astrofotoklatki o długości 5-10-15-20 minut udział szumu odczytu w całkowitym szumie jest już niewielki i porównując np 10 minutowe klatki wykonane z różnym biningiem, a następnie zredukowane do tego samego rozmiaru, efekt będzie bardzo podobny.

Podsumowując - reduktor ogniskowej daje nam to, na co jego nazwa wskazuje - skraca ogniskową, czego efektem jest zwiększenie pola widzenia naszego zestawu (przy założeniu, że używamy tego samego detektora). Nie sprawi, że zbierzemy w tym samym czasie więcej materiału z obiektu. Byłoby to wbrew fizyce.

Zainspirowane przez http://www.stanmooreastro.com/SamplingFratioMyth.htm - tam też trochę matematyki na ten temat.

[JacekPala]

Moim zdaniem to nie jest do końca tak jak piszesz. 

Ale:

1. Oczywiście, że reduktor ogniskowej zwiększy pole widzenia
2. Oczywiście, że dodatkowe warstwy (soczewki) osłabią jednocześnie sygnał z obiektu

Natomiast co do reszty to już bym się nie zgodził.

4. Binning w kamerach nie jest odpowiednikiem reduktora ogniskowej - to w zasadzie czysto matematyczna operacja - po prostu dla Bin x2 sumowane są sygnały z czterech pikseli a wyświetlane jako jeden piksel.
Tyle, że nie do końca bo przy okazji zwiększa się studnia potencjału - czyli rośnie dynamika kamery - o ile oczywiście producent sprzętu nie oszukuje jedynie przy pomocy oprogramowania.
Co ciekawsze, szum odczytu kamery powinien pozostać na zbliżonym poziomie - bo zależy on od:
a) temperatury
b) rozdzielczości przetwornika A/C podłączonego do piksela
c) moim zdaniem sama łączna powierzchnia czterech pikseli będzie miała nieznaczący wpływ na szum odczytu w porównaniu do jednego piksela

Wniosek: binning również polepszy stosunek sygnału do szumu, a jednocześnie pozwoli na rejestrowanie obiektów o dużej dynamice (przy krótszych czasach naświetlania)

 

5. A teraz najciekawsze, czyli czy poprzez reduktor będzie widać słabsze gwiazdy bądź obiekty mgławicowe niż bez reduktora?

Jak najbardziej tak, będą jedynie mniejsze.

Decydują o tym nie właściwości teleskopu czy reduktora tylko kamery CCD.
Wyobraźmy sobie sporą gwiazdkę, której obraz bez reduktora rozlewa się na np. cztery piksele, a po zastosowaniu reduktora jej obraz zmniejsza się do jednego piksela. Zaznaczam (że z pominięciem osłabienia sygnału na soczewkach reduktora) ilość światła zbieranego przez teleskop jest cały czas taka sama, ilość fotonów docierających do przetwornika też się nie zmienia.
Jest tylko jedna zasadnicza różnica. Fotony zamiast trafiać do czterech pikseli, skupiają się w jednym pikselu. Łatwo zgadnąć, że stosunek sygnału do szumu będzie dokładnie cztery razy lepszy, a przy okazji, będziemy mogli zastosować krótsze czasy naświetlania.

 

[bartolini]

3 godziny temu, jolo napisał:

Wśród sprzedawców sprzętu astronomicznego pokutuje mocno zakorzeniony mit mówiący, że jakość otrzymywanych zdjęć jest  zależna od światłosiły zestawu, a nie od apertury...

Jeżeli tak mówią, to oznacza, że sprzedawcy sprzętu astro nigdy nie zrobili żadnego zdjęcia - nie tylko astrofoto, ale w ogóle.

To jak zdanie z cyklu: "Bokser uderzył z siłą pół tony"

[jolo]

39 minut temu, JacekPala napisał:

(...)Wyobraźmy sobie sporą gwiazdkę, której obraz bez reduktora rozlewa się na np. cztery piksele, a po zastosowaniu reduktora jej obraz zmniejsza się do jednego piksela. Zaznaczam (że z pominięciem osłabienia sygnału na soczewkach reduktora) ilość światła zbieranego przez teleskop jest cały czas taka sama, ilość fotonów docierających do przetwornika też się nie zmienia.
Jest tylko jedna zasadnicza różnica. Fotony zamiast trafiać do czterech pikseli, skupiają się w jednym pikselu. Łatwo zgadnąć, że stosunek sygnału do szumu będzie dokładnie cztery razy lepszy, a przy okazji, będziemy mogli zastosować krótsze czasy naświetlania.
 

Pominąłeś zupełnie tutaj promieniowanie tła nieba, które z tego samego wycinka nieba również zamiast do czterech pikseli trafi do jednego. A to ono jest odpowiedzialne za większość szumu w wynikowym obrazie. Zajrzyj pod ten link który wcześniej podawałem http://www.stanmooreastro.com/SamplingFratioMyth.htm -  w sekcji Sampling (pixels) jest tam również wytłumaczony przykład, który przedstawiłeś.

Co do binningu i studni potencjału, to jej pojemność jest ograniczona przez pojemność rejestru wyjściowego. W niektórych sensorach jest ona podawana (np dla KAF-6306E pojemność piksela to 60000 e, a rejestru wyjściowego 140000 e, a więc rejestr wyjściowy i tak nie zmieści sygnału nawet z najmniejszego binningu x2), a dla innych, amatorskich, jest ta informacja pomijana milczeniem, bo pojemność rejestru wyjściowego często jest taka sama jak pojemność zwykłego piksela, a więc binning nie zwiększa w żaden sposób możliwej do osiągnięcia dynamiki sygnału (a czasami nadmiar sygnału jest po prostu obcinany przez przetwornik A/C - jeśli kamerka ma stały gain, to nie możliwości przetworzyć większego sygnału tak, żeby się zmieścił w 16 bitach). Co do punktów 4 a,b,c jak najbardziej się zgadzam, bo szum odczytu przy użyciu różnego binningu jest bardzo podobny, np w moim Atiku383 przy bin x1 to ok 23ADU, a przy bin x2 to około 25ADU.

Tak naprawdę sprawa jest bardzo prosta - z tej samej apertury przy f/6 czy przy f/3 otrzymamy dokładnie tyle samo sygnału od obiektu. Pozostaje potem tylko kwestia tego, jak sobie z nim poradzi nasz detektor.

[zombi]

jolo - wydaje mi się ze autor artykułu o czym innym a Ty o czym innym - autor mówi że rejestrowalność obiektu wiąże się z ilością zebranego światła która przy jakiejś granicznej ilości nie wychodzi poza szum i z tym się zgodzimy - wiadomo również że ciężko będzie zarejestrować odległy kwazar obiektywem 1.4 o ogniskowej 55 mm

Ale na logikę - teleskop daje jakiś krążek światła - my ten krążek używając reduktora zagęszczamy - zbieramy światło które normalnie nie pada na matrycę ale obok - tym sposobem światła jest więcej dzięki czemu stosunek szumu do sygnału jest lepszy ale obiekt jest mniejszy - fotka lepsza ale mniejsza !

[jolo]

Tak, to "zagęszczanie" jest dość obrazowe, ale zauważ - tak samo zagęszczasz sygnał z obiektu, jak i sygnał z promieniowania tła. A 95 albo więcej procent szumu w obrazie pochodzi z promieniowania tła (albo przynajmniej do tego dążymy chłodząc kamerki i dobierając odpowiednio długi czas pojedynczej klatki). A skoro stałą aperturą zbierzemy tyle samo sygnału i szumu tła, to jak nam się może SNR zmienić? Przecież SNR to stosunek sygnału z obiektu do szumu, a zakładając, że szum w sygnale świetlnym ma rozkład Poissona, to SNR = S_obiektu / pierwiastek (S_obiektu + S_tła). 

Jedynie pozostaje te 5 albo mniej procent pochodzące z szumu odczytu, i ten szum faktycznie się nieco "rozrzedzi" w obrazie otrzymanym przez reduktor i tak jak pisałem w pierwszym poście, może jego udział spadnie z 5 do 4%, a więc zamiast 100 wystarczy 99 klatek (pomijam szum termiczny, zazwyczaj w porównaniu z szumem tła i odczytu jest znikomy).

Napisałeś - fotka lepsza, ale mniejsza, no ale jak to porównać, dla mnie mniejsza niekoniecznie znaczy lepsza  Zobacz zdjęcie na końcu artykułu na linkowanej wcześniej stronie zrobione tą samą aperturą i przy ekstremalnie różnych światłosiłach - tutaj już zaczyna delikatnie wychodzić wpływ szumu odczytu. Ale to przy różnicy światłosiły ponad 300%, a nie 20 czy 30% jak to ma miejsce zazwyczaj przy amatorskich reduktorach. 

[zombi]

- Oczywiście tak. Oczywiście nie. A wytłumaczyłem wszystko dość już jasno. - odparł czarodziej ze złością. ;)

 

Zbyt słaby jestem w matematyce by wchodzić w dyskusję ale czy zwiększając aperturę nie zwiększasz przypadkiem szumu tła ? 

Pisząc o fotce lepsza nie miałem na myśli estetyki ale technikę - czyli SNR  - jeżeli obiekt normalnie pada na dwa piksele a po zastosowaniu reduktora padnie na jeden to w tym ekstremalnym przykładzie  obiekt  z jego szumem tła będzie dwukrotnie mocniejszy w stosunku do szumów kamery niż bez reduktora a na pikselu z którego znikną będzie inny obiekt który był poza kadrem wraz z jego szumem tła - tu nie ma czarów ani mitów ;) a to że ktoś zrozumiał że zrobi identyczną fotę z reduktorem tylko 10 razy lepiej to się mocno przeliczył

Moje przemyślenia z rejestracji OU4 są takie że obiekt mimo starań pozostaje w stałej odległości od tła a jedyne co możemy zrobić to nacykać tyle fotek aby szum kamery i fluktuacja tła nie zamazywał tej odległości ! Oczywiście apertura musi być taka aby dostarczyć algorytmowi stackowania wystarczającej pożywki w postaci fotonów bez których tenże algorytm zamiast wyeksponować wymaże nam go z zdjęcia a dokładnie z ujęć na których zechciał się zarejestrować (to też już kiedyś omawialiśmy - i wtedy też się ze mną nie zgodziłeś).

Jeżeli chodzi o zdjęcie na które powołuje się autor to moim zdanie jest dobrane tak aby potwierdzić to co jest w artykule napisane (dobrze że nie wycelował w M42) - nie mówię oczywiście o samym artykule bo się na tym nie znam ;)

Oczywiście to tylko moje własne przemyślenia.

[jolo]

Tak, zwiększając aperturę zwiększasz sygnał tła, a więc szum tła. Zwiększasz też ilość zebranego sygnału od obiektu. Ale mit światłosiły zakłada stałą aperturę. Resztę przemyśleń niestety nie do końca rozumiem i nie potrafię się do nich odnieść 

[zombi]

Ok no to możemy się zgodzić że zdanie "Jedynym zyskiem ze stosowania reduktora ogniskowej jest powiększenie pola widzenia zestawu. Sposobem na zwiększenie ilości zebranego sygnału jest wydłużenie ekspozycji albo zwiększenie apertury." jest nieprawdziwe ?

 

 

[jolo]

Możemy, jeśli chodzi Ci o stwierdzenie "jedynym zyskiem", bo faktycznie zysk jest dość subiektywnym pojęciem i każdy może mieć inne kryteria. 

Co do zwiększenia ilości zebranego sygnału przez wydłużenie ekspozycji albo zwiększenie apertury, to nie mam tutaj wątpliwości. Podobnie nie mam wątpliwości, że zastosowanie reduktora przy zachowaniu stałej apertury nie pozwoli nam na zwiększenie ilości zebranego z obiektu sygnału.

[zombi]

No i wszystko jasne ;)

Ja od siebie napiszę jeszcze że w moim teleskopie jest ogromny krążek światła którego nie wykorzystuje używając KAF8300 a dzięki reduktorowi ogromna część tego światła ląduje jednak na mojej matrycy dzięki czemu daje fotce ogromnego kopa zwiększając światłosiłę zestawu i zmieniając skale jedynie o 0,83 więc napiszę pokrętnie że "jedyną stratą" z użycie reduktora jest skala i wszystkim polecam zwłaszcza w naszym klimacie.

 

 

[jolo]

10 minut temu, zombi napisał:

(...)  a dzięki reduktorowi ogromna część tego światła ląduje jednak na mojej matrycy dzięki czemu daje fotce ogromnego kopa zwiększając światłosiłę zestawu i zmieniając skale jedynie o 0,83 więc napiszę pokrętnie że "jedyną stratą" z użycie reduktora jest skala i wszystkim polecam zwłaszcza w naszym klimacie.

Postaram się wkrótce poświęcić trochę czasu na zebranie materiału przez ten sam refraktor z i bez reduktora. Jeśli mit światłosiły się potwierdzi, to obiekt przeskalowany do jednakowego rozmiaru powinien wyglądać w obu przypadkach tak samo. Zysk w powiększeniu pola widzenia, jak tylko optyka pozwala, jest bezsprzeczny. 

[Gość]

Widzę, że męczy Cię temat. Porób testy i pomierz, ale nie rób porównania na zasadzie: "porównam obiekt czy wygląda tak samo" bo to jest kompletnie bez sensu. Zresztą jaki będzie wyznacznik czy obiekt będzie taki sam czy nie? Jeżeli chcesz konkretnie to sobie pomierzyć porób serie krótkich ujęć, tak żeby gwiazdki wysycić na 30-40% pojemności przetwornika z i bez reduktora (myślę, że idealne będzie M45, hihoty itp). Pomierz gwiazdy i jasności tła, pamiętając, że przy tych czasach powinny to być stacki 30-50 klatek. Pozostałe kwestie, które poruszasz to zlepek problemów z których chcesz uzyskać jedną odpowiedź. Apertura to jedno, binning to drugie a światłosiła to trzecie. Tak długo jak nie będziemy dysponowali teleskopami o zmiennej aperturze i kamerami o płynnie zmiennej wielkości piksela, większość Twoich dylematów jest czysto teoretyczna. 

[rambro]

Dnia 4.02.2016 at 14:52, jolo napisał:

A jaki ma wpływ na całość nasz niedoskonały detektor, jakim jest kamera? Dodaje swoje trzy grosze w postaci szumu odczytu. Naświetlając pojedynczą klatkę zazwyczaj stosujemy taki czas, aby szum odczytu nie stanowił więcej, niż 5% całkowitego szumu w obrazie. Po zastosowaniu reduktora obraz będzie próbkowany z mniejszą rozdzielczością i wkład szumu odczytu w przeliczeniu na fotografowany obiekt czy wycinek nieba będzie nieco mniejszy. Ale jednocześnie dodatkowa optyka w torze w postaci reduktora spowoduje pewien spadek transmisji, więc wynikowo udział szumu odczytu spadnie nam np z 5% do 4% (nie liczyłem tego dokładnie, ale jak ktoś będzie chciał to mogę spróbować).

Poproszę o obliczenia. Wynik będzie dużo zależał od czasu ekspozycji. Im dłuższe klatki tym udział tego składnika będzie mniejszy.

Generalnie zgadzam się z tym co piszesz ale nie koniecznie z końcowymi ocenami odnośnie zysków ze zmiany skali zdjęcia (poprzez binowanie lub reduktor ogniskowej). Przykładowo przy bin 2x2 mamy cztery razy więcej sygnału przy tym samym szumie odczytu. Przy najsłabszych detalach na poziomie szumu odczytu bin pozwala je "wyłuskać" ponad poziom szumu odczytu. Przy krótszej ogniskowej nie zawsze zarejestrujemy to samo bo spadnie rozdzielczość arcsec/pixel, a detal może być mniejszy niż skala zdjęcia.  Rozważając konkretne rozwiązanie z reduktorem/binowaniem lub bez  jesteśmy ograniczeni także przez seeing.

[jolo]

9 godzin temu, zorg napisał:

Poproszę o obliczenia. Wynik będzie dużo zależał od czasu ekspozycji. Im dłuższe klatki tym udział tego składnika będzie mniejszy. (...)

Dokładnie tak jak piszesz.

Załóżmy "klasyczne" podejście, czyli palenie klatek o takim czasie, że udział szumu odczytu stanowi 5% całkowitego szumu. Oznaczmy całkowity szum dla określonego fragmentu nieba jako T. Wtedy możemy rozpisać T jako:

T = 0.95 * T + 0.05 * T

gdzie pierwszy składnik to szum tła nieba, drugi to szum odczytu. Po zastosowaniu reduktora o krotności 0.8x ten sam określony obszar nieba będzie padał na powierzchnię matrycy stanowiącą 0.64 powierzchni z sytuacji bez reduktora. Załóżmy dla uproszczenia 100% transmisji przez reduktor. Wtedy ilość sygnału od tła nieba pozostanie bez zmian, natomiast zmniejszy się ilość pikseli z których pochodzi szum odczytu i dostaniemy takie dwie zależności dla sytuacji bez reduktora i z nim:

T_1.0x = 0.95T + 0.05T

T_0.8x = 0.95T + 0.64 * 0.05T

Po przekształceniu dostaniemy, że T_1.0x / T_0.8x = 1.018, czyli sumarycznie w materiale bez reduktora będziemy mieli 1.8% więcej szumu. Tutaj dodatkowo milcząco zakładamy, że palimy klatki o tej samej długości zarówno z reduktorem jak i bez niego. Jeśli z reduktorem palimy krótsze, to zysk będzie mniejszy. Jak będę robił test wypalę też trochę krótkich klatek o takim czasie, żeby szum tła nieba był porównywalny z R, wtedy postaram się wyłapać tę różnicę. 1.8% może być na granicy błędu i nie do wyłapania.

Z tym co piszesz o binningu jak najbardziej się zgadzam. Jedynie rozważając takie najsłabsze detale na poziomie szumu odczytu trzeba pamiętać cały czas o "klasycznym" podejściu, w którym szum odczytu to niewielki ułamek całkowitego szumu.

[AWE]

Wychodząc ze wzoru na jasność nieba opisanego przez Jolo

http://www.forumastronomiczne.pl/index.php?/topic/4049-określanie-jasności-tła-nieba/#comment-57168

I zakładając że mamy to sam Qe, G, Q, d/l i to samo niebo przekształcając wzór wyliczamy ADU (stałe pominięte)

ADU = (a^2 * S)/f^2

Gdzie

a             długość boku piksela kamery

S             powierzchnia zbierająca

f              ogniskowa zestawu

Ze wzoru wynika że zastosowanie reduktora zwiększy poziom ADU czyli skróci ekspozycję co potwierdza ?mit swiatłosiły? ale UWAGA przy założeniu że nic innego się nie zmieniamy zwłaszcza kamera. 

Ponieważ wzór na rozdzielczość w arcsek na piksel to

pp = 206,3 * a /f

gdzie

pp arcsec per piksel

to podstawiając do wzoru mamy

ADU = pp^2 * S

Przy założeniu że mamy stałą rozdzielczość np. 1 arc sek to poziom tła zależy tylko od powierzchni zbierającej.

Czyli apertura jest najważniejsza

Przy projektowaniu własnego zestawu należy:

1.       Określić skalę w jakiej chcemy focić, w naszych warunkach nie ma sensu schodzić poniżej 1 arc sek na piksel

2.       Określić wielkość piksela w kamerze.  Właściwie dostępny maksymalny piksel to 9 mikronów

3.       Określić rodzaj sprzętu optycznego i z tego wywnioskować minimalną (sensowną) światłosiłę

a.       Newton              F 4

b.      Refraktor           F 6

c.       RC lub CDK         F 6,8

I mając te dane można obliczyć maksymalną sensowną aperturę

[MrOD]

Do speca mi daleko ale o ile wiem to rzecz jest w generowanym przez daną światłosiłę krążku dyfrakcyjnym. Im jaśniejsza światłosiła tym ten krążek jest mniejszy i rozkłada się na matrycy na mniejszą ilość pikseli - to samo światło na jednym pikselu a na czterech czy więcej mówi chyba samo za siebie.

Jacek sugeruje podobny tok ale z innym podłożem - zmianą skali.

Co sądzicie o takiej teorii?

[jolo]

Tak, niewątpliwie krążek jest mniejszy (ściśle rzecz biorąc jego kątowy rozmiar jest taki sam, bo zależy od apertury, ale zmienia się ogniskowa, a co za tym idzie skala odwzorowania i rozmiar liniowy). Sęk w tym, że przy astrofotografii DS rozmiar obrazu gwiazdy bardzo rzadko jest ograniczony przez dyfrakcję, a głównie przez seeing (w naszym klimacie średnio seeing wynosi 2.5-3", co by odpowiadało rozmiarowi krążka dyfrakcyjnego dla apertury nie większej niż 50mm). 

[MateuszW]

Jako, że to mój pierwszy post tutaj, to krótko się przedstawię. Jestem Mateusz i pewnie wielu z was zna mnie z pozostałych forów. Zarejestrowałem się tutaj, bo widzę, że chyba sporo ciekawego mnie omija :) Jakoś nie mogłem znaleźć wątku "powitalnego".

Do rzeczy:

Dnia 4.02.2016 at 21:32, jolo napisał:

Tak, to "zagęszczanie" jest dość obrazowe, ale zauważ - tak samo zagęszczasz sygnał z obiektu, jak i sygnał z promieniowania tła. A 95 albo więcej procent szumu w obrazie pochodzi z promieniowania tła (albo przynajmniej do tego dążymy chłodząc kamerki i dobierając odpowiednio długi czas pojedynczej klatki). A skoro stałą aperturą zbierzemy tyle samo sygnału i szumu tła, to jak nam się może SNR zmienić?

Z tego wynika, że również, gdy zwiększamy aperturę (przy zachowaniu ogniskowej) lub wydłużamy czas exp, to nie zmieniamy SNR zdjęcia? W takim razie, czy jedynym celem zwiększania apertury i czasu exp jest oddalenie się od szumu odczytu? Czyli mamy jakiś graniczny SNR wynikający z tła, którego nie da się przekroczyć?

Nie rozumiem jednej rzeczy. Skoro szum kamery to tylko 5% szumu zdjęcia, to skąd się biorą takie duże różnice w jakości zdjęć z różnych kamer? Pomijając kwestię sprawności kwantowej, to czy producenci walczą tylko o te marne 5%? Z tego by wynikało, że w technologii kamer można dokonać już tylko kosmetycznych zmian, ale czy tak jest w istocie? Czy jesteśmy już u kresu?

Dnia 4.02.2016 at 21:32, jolo napisał:

pomijam szum termiczny, zazwyczaj w porównaniu z szumem tła i odczytu jest znikomy

To mnie zastanawia. Zmierzyłem w maximie na pojedynczych klatkach i faktycznie - poziom biasa to ok 360 ADU, a darka 374, czyli różnica znikoma. Ale już odchylenie standardowe jest drastycznie różne, bo 34 dla biasa, a 95 dla darka. Czyli niby średni odstęp od szumu jest podobny, ale ten szum dla darka jest dużo mniej jednorodny. Czy to nie ma znaczenia? Bo jak rozumiem sugerujesz, że szum darka nie ma prawie znaczenia na wynikową fotografię? No to w takim razie po co robi się kamery chłodzone do -80 st lub profesjonalne nawet na ciekły azot? Skoro to daje różnicę na poziomie promili.

Szczerze mówiąc zawsze myślałem, że to szum termiczny jest najważniejszy w DSach, a całkowity szum kamery znacznie wpływa na całkowity szum zdjęcia (szum zdjęcia zależy głównie od jakości kamery). Czyli jak rozumiem, nasze kamery amatorskie rejestrują obraz o praktycznie takim samym poziomie szumu, jak kamery w wielkich obserwatoriach?

Jeszcze odnośnie bin. Skoro zysk na binowaniu jest znikomy, to po co go w ogóle stosować? Zawsze traktowałem bin2, jako sposób na 4 krotne skrócenie czasu exp kosztem 4x gorszej rozdzielczości. Po przeczytaniu tematu zaczynam mieć wątpliwości.

[jolo]

Cześć Mateusz, miło Cię powitać na FA! 

25 minut temu, MateuszW napisał:

Z tego wynika, że również, gdy zwiększamy aperturę (przy zachowaniu ogniskowej) lub wydłużamy czas exp, to nie zmieniamy SNR zdjęcia? W takim razie, czy jedynym celem zwiększania apertury i czasu exp jest oddalenie się od szumu odczytu? Czyli mamy jakiś graniczny SNR wynikający z tła, którego nie da się przekroczyć?

Tu muszę przyznać, że nie do końca rozumiem - ja pisałem, że przy stałej aperturze zbieramy tyle samo sygnału, a Ty odpisujesz, że "z tego wynika, że zwiększanie apertury nie polepsza nam SNR zdjęcia". Zwiększenie apertury czy wydłużenie ekspozycji to najlepsze sposoby na poprawę SNR - w ten sposób zwiększasz ilość zebranego sygnału. Przy czym ilość zebranego sygnału wzrasta w przybliżeniu 1.41x szybciej, niż szumu tła.

Jeśli chodzi o różnice zdjęć z różnych kamer (zakładając taką samą optykę) to lepiej byłoby zapodać jakiś przykład myślę. 

Co do szumu, to podobne pomiary przedstawiłem tutaj http://www.forumastronomiczne.pl/index.php?/topic/9585-czy-uśredniając-klatki-zwiększamy-w-nich-szum/&do=findComment&comment=128313 . Czy w czasie mierzenia odchylenia standardowego wybrałeś obszar bez hot pikseli? Hoty nie są częścią szumu losowego - można je łatwo usunąć. 

A trochę więcej o szumie termicznym napisałem nieco później http://www.forumastronomiczne.pl/index.php?/topic/9585-czy-uśredniając-klatki-zwiększamy-w-nich-szum/&do=findComment&comment=128680 . Prąd termiczny (i związany z nim szum) zależy również od rozmiaru piksela, a jednak w obserwatoriach znajdziemy kamerki z większym pikselem. Przykładowe dane szumu odczytu i prądu termicznego dla takich kamerek można znaleźć w internecie, np http://www.eso.org/sci/php/optdet/instruments/fors2/index.html . Ron na poziomie 3-4e, a prąd termiczny przy -120*C 0.5 e/px/h, a więc dużo mniej, niż w Atiku  Do tego QE ponad 95% w szczycie. Dlaczego walczą o jak najmniejszy szum - można by ich zapytać. To co mi przychodzi do głowy, to np maksymalizacja wykorzystania czasu obserwacji - takie obserwatorium to ogromne koszty i każda minuta się liczy. Niektóre projekty wymagają długich czasów, ale inne, np fotometria może się opiera na kilkuminutowych klatkach, i wtedy szumy własne kamerki mogą już stanowić spory ułamek w porównaniu do szumu tła nieba, szczególnie przy ciemnym niebie i używaniu filtrów.

PS - co do binningu chodziło mi o proporcje. Szum odczytu staje się znaczący w porównaniu do szumu tła, kiedy stosujemy krótkie czasy, albo używamy wąskich filtrów. Dlatego np na szybkim podglądzie DSO, lepiej włączyć bin2 czy bin3 i efekt będzie znaczny. Naświetlanie długich klatek np LRGB i resize 50% da w praktyce bardzo podobny efekt, jak bin2. 

 

[zombi]

1 godzinę temu, MateuszW napisał:

Z tego wynika, że również, gdy zwiększamy aperturę (przy zachowaniu ogniskowej) lub wydłużamy czas exp, to nie zmieniamy SNR zdjęcia? W takim razie, czy jedynym celem zwiększania apertury i czasu exp jest oddalenie się od szumu odczytu? Czyli mamy jakiś graniczny SNR wynikający z tła, którego nie da się przekroczyć?

Witaj ;)
Faktycznie wątek jest nieco nieszczęśliwy i łatwo się pogubić biorąc pod uwagę tytuł ;) Generalnie chodzi o to że należy doprowadzić do kamery tyle światła że szumy kamery będą znikome w porównaniu do szumów tła ;) i tu wszystkie chwyty są dozwolone:
- zwiększenie apertury 
- założenie reduktora
- wydłużenie czasu naświetlania
oczywiście wszyscy zdajemy sobie sprawę że im większa apertura tym większa ogniskowa a po założeniu reduktora odwrotnie i w związku z tym obiekt na który się zasadzamy wygląda inaczej ;) i to czy ktoś woli wybrać ciemniejszy instrument i dłużej naświetlać to jest już jego własny wybór lub ograniczenie finansowe.
Co do "Mitu" to łatwo nie dać mu wiary jak już się ma kamerę mono i jasny teleskop bo wszystko jakoś lepiej wygląda i robi się w miarę szybko - ale proponuje przypomnieć sobie czasy ED i Canona. 
Jeżeli chodzi o ograniczenie w postaci jasności tła to takowe jest i bardzo liczę że jolo przedstawi nam jakieś wyliczenia dotyczące tego ograniczenia tak abyśmy nie musieli polegać na plotkach i pogłoskach ;)
 

[jolo]

Ale jakie np wyliczenia? :) To znaczy co z czym do czego?

Co do mitu, to wg mnie sprawa jest prosta. Tak jak pisałem na początku - odstawmy na chwilkę kamerę do kąta i zajmijmy się samym obrazem. Zakładamy stałą aperturę (a stosowanie reduktora jej nie zmienia). Jak w takiej sytuacji może się zmienić jakość (SNR) obrazu? Przecież całość fotonów, które tworzą obraz w płaszczyźnie ostrości zbierana jest przez tą samą aperturę - jest ich dokładnie tyle samo. Cała reszta (próbkowanie obrazu) to wina albo zasługa kamerki. A przy "klasycznym" podejściu, kiedy staramy się, żeby szumy kamerki nie przekraczały 5-10% całkowitego szumu w obrazie, to i nie zmieni nam to zbytnio SNR obiektu. 

Oczywiście cały czas - zysk ze zwiększenia pola widzenia jest niewątpliwy.

PS - z resztą, to samo dotyczy wizuala. Czy przez 10" f/5 newtona zobaczysz więcej, niż przez 10" f/8 RC, albo 10" f/10 SCT? Albo czy obraz w okularze 34mm z SCT będzie się różnił od obrazu, który da ten sam SCT z reduktorem 0.63x i okularem 21mm?

[zombi]

15 minut temu, jolo napisał:

Jak w takiej sytuacji może się zmienić jakość (SNR) obrazu?

Małymi kroczkami - czy SNR zależy od ilości dostarczonego światła do matrycy ?

29 minut temu, jolo napisał:

Ale jakie np wyliczenia? :) To znaczy co z czym do czego?

Chodzi o to że stosując się do teorii  95%/5% traci się na fotce słabe obiekty i jedynym sposobem na ich zarejestrowanie jest wydłużanie ekspozycji - ma to jednak sens jedynie do pewnego momentu który zależy od jasności nieba - oczywiście mogę zastosować jakiś kalkulator ale wolałbym jednak wiedzieć jaki jest tego mechanizm. 

[jolo]

To zależy co nas ogranicza - nie wiem czy czytałeś ten post http://www.forumastronomiczne.pl/index.php?/topic/9585-czy-uśredniając-klatki-zwiększamy-w-nich-szum/&do=findComment&comment=128680 . Zaryzykuję stwierdzenie, że w przypadku większości amatorskich zdjęć estetycznych ogranicza nas szum tła nieba - stanowi on większość całkowitego szumu w wynikowym obrazie. Wtedy SNR zależy praktycznie od ilości sygnału dostarczonego do matrycy.

W Twoim przypadku np z Ou4 z tego co pamiętam stosowałeś filtry 3nm, nie pamiętam jakie miałeś czasy pojedynczej klatki. Mając taką pojedynczą surową klatkę, jednego biasa i jednego darka można się pokusić o obliczenie udziału poszczególnych składników w całkowitym szumie. Wtedy można będzie wysnuć jakieś wnioski.

[MateuszW]

1 godzinę temu, jolo napisał:

Cześć Mateusz, miło Cię powitać na FA! 

 

58 minut temu, zombi napisał:

Witaj ;)

Witajcie. Coście tak tu pouciekali wszyscy? 

2 godziny temu, jolo napisał:

Tu muszę przyznać, że nie do końca rozumiem - ja pisałem, że przy stałej aperturze zbieramy tyle samo sygnału, a Ty odpisujesz, że "z tego wynika, że zwiększanie apertury nie polepsza nam SNR zdjęcia". Zwiększenie apertury czy wydłużenie ekspozycji to najlepsze sposoby na poprawę SNR - w ten sposób zwiększasz ilość zebranego sygnału. Przy czym ilość zebranego sygnału wzrasta w przybliżeniu 1.41x szybciej, niż szumu tła.

Tak, nie o tym pisałeś, ale ja wyciągnąłem z tego wniosek. Piszesz o tym, że przy zastosowaniu reduktora np 0,5x sygnał, który padał wcześniej na 4x większą powierzchnię (np 4 piksele) pada teraz na 1, ale równocześnie to samo dzieje się z tłem (które szumi) i tło również skupia się na tym 4x mniejszym obszarze. Czyli ten obszar ma 4x więcej sygnału, ale też 4x więcej szumu, a więc SNR się nie zmienia.

Jak wydłużymy czas exp 4x, lub zwiększymy aperturę 2x, to również na ten obszar padnie 4x więcej światła i 4x tła (szumu), wiec SNR nie powinien się zmienić. W takim razie nie rozumiem, skąd ta wartość 1,41 (że to sqrt(2) to wiem :) ).

2 godziny temu, jolo napisał:

Co do szumu, to podobne pomiary przedstawiłem tutaj http://www.forumastronomiczne.pl/index.php?/topic/9585-czy-uśredniając-klatki-zwiększamy-w-nich-szum/&do=findComment&comment=128313 . Czy w czasie mierzenia odchylenia standardowego wybrałeś obszar bez hot pikseli? Hoty nie są częścią szumu losowego - można je łatwo usunąć. 

No tak, mierzyłem razem z hotami. Niby masz rację, że hoty nie wpływają na wynikowy szum, bo są usuwane.

2 godziny temu, jolo napisał:

A trochę więcej o szumie termicznym napisałem nieco później http://www.forumastronomiczne.pl/index.php?/topic/9585-czy-uśredniając-klatki-zwiększamy-w-nich-szum/&do=findComment&comment=128680 . Prąd termiczny (i związany z nim szum) zależy również od rozmiaru piksela, a jednak w obserwatoriach znajdziemy kamerki z większym pikselem. Przykładowe dane szumu odczytu i prądu termicznego dla takich kamerek można znaleźć w internecie, np http://www.eso.org/sci/php/optdet/instruments/fors2/index.html . Ron na poziomie 3-4e, a prąd termiczny przy -120*C 0.5 e/px/h, a więc dużo mniej, niż w Atiku  Do tego QE ponad 95% w szczycie. Dlaczego walczą o jak najmniejszy szum - można by ich zapytać. To co mi przychodzi do głowy, to np maksymalizacja wykorzystania czasu obserwacji - takie obserwatorium to ogromne koszty i każda minuta się liczy. Niektóre projekty wymagają długich czasów, ale inne, np fotometria może się opiera na kilkuminutowych klatkach, i wtedy szumy własne kamerki mogą już stanowić spory ułamek w porównaniu do szumu tła nieba, szczególnie przy ciemnym niebie i używaniu filtrów.

Czyli generalnie zgadzasz się, że to zmniejszanie szumów w drogich kamerach powoduje tylko "kosmetyczną" poprawę zdjęcia, na poziomie tych 5%? Na moje oko za 5% nie warto dać miliona dolarów, ale rożne priorytety ludzie mają :) No na QE już więcej można wycisnąć, bo w obecnych kamerach różnice są na poziomie gdzieś 40% między tymi "tanimi", a wspomnianym 95%. Ale za kilkanaście lat myślę, że każda kamera będzie miała QE na poziomie >85% i tu również różnice będą niewielkie.

2 godziny temu, jolo napisał:

PS - co do binningu chodziło mi o proporcje. Szum odczytu staje się znaczący w porównaniu do szumu tła, kiedy stosujemy krótkie czasy, albo używamy wąskich filtrów. Dlatego np na szybkim podglądzie DSO, lepiej włączyć bin2 czy bin3 i efekt będzie znaczny. Naświetlanie długich klatek np LRGB i resize 50% da w praktyce bardzo podobny efekt, jak bin2. 

Ok, w narrowband faktycznie SNR względem szumu odczytu jest stosunkowo niewielki i widać sens bin2. Ale skoro piszesz, że na RGB różnica będzie mała, to czy jest sens smażyć te kolory w bin2? Czy na czasie rzędu 180s na filtrze RGB warto dać bin2?

1 godzinę temu, zombi napisał:

Witaj ;)
Faktycznie wątek jest nieco nieszczęśliwy i łatwo się pogubić biorąc pod uwagę tytuł ;) Generalnie chodzi o to że należy doprowadzić do kamery tyle światła że szumy kamery będą znikome w porównaniu do szumów tła ;) i tu wszystkie chwyty są dozwolone:
- zwiększenie apertury 
- założenie reduktora
- wydłużenie czasu naświetlania
oczywiście wszyscy zdajemy sobie sprawę że im większa apertura tym większa ogniskowa a po założeniu reduktora odwrotnie i w związku z tym obiekt na który się zasadzamy wygląda inaczej ;) i to czy ktoś woli wybrać ciemniejszy instrument i dłużej naświetlać to jest już jego własny wybór lub ograniczenie finansowe.
Co do "Mitu" to łatwo nie dać mu wiary jak już się ma kamerę mono i jasny teleskop bo wszystko jakoś lepiej wygląda i robi się w miarę szybko - ale proponuje przypomnieć sobie czasy ED i Canona. 
Jeżeli chodzi o ograniczenie w postaci jasności tła to takowe jest i bardzo liczę że jolo przedstawi nam jakieś wyliczenia dotyczące tego ograniczenia tak abyśmy nie musieli polegać na plotkach i pogłoskach ;)

No, ja już się gubię :) Szczerze mówiąc mam problemy z ogarnięciem tych wszystkich spraw związanymi z szumami itp na takim poziomie abstrakcji :)

Jeśli chodzi o tytuł wątku i dywagacje o reduktorze, to moim zdaniem zależy, jak się na to spojrzy. Ja na to patrzę tak, że nie widzę żadnego mitu :) Ale rozumiem też ten punkt widzenia, z którego mit jest wyraźny. Na pewno nie ulega wątpliwości, że to światłosiła decyduje o jasności obrazu w na zdjęciu (ile fotonów pada na jeden piksel). Z drugiej strony mamy ogniskową, która określa skalę, wielkość obrazu (ile pix zajmuje galaktyka). Średnica lustra określa, ile w sumie światła z galaktyki pada na matrycę, a wiec w tym aspekcie reduktor ogniskowej faktycznie nie zmienia ilości światła, jakie odbierze nasza kamera z galaktyki. Ale z drugiej strony reduktor daje nam to, że kosztem szczegółów zyskujemy jasność obrazu i polepszamy SNR galaktyki względem szumu odczytu. Czyli dzięki reduktorowi możemy łatwiej oddalić się od szumu odczytu o te "5%", a wiec możemy stosować krótszy czas exp. Uzyskamy tak samo jasny obraz przy krótszym czasie, ale stracimy szczegóły. Czy więc obraz z reduktora jest lepszy? To zależy, co jest dla kogoś ważne, ale generalnie coś tracimy, coś zyskujemy. Natomiast obraz z reduktorem jest faktycznie jaśniejszy i pozwala przy krótszym czasie exp uzyskać taki sam SNR.

Ja patrzę na reduktor tak. Kupuję sobie np SCT8" i widzę, że daje ciemny obraz, a skalę daje tak dużą, że przy naszym seeingu i chińskim montażu nie ma sensu. Kupuję wiec reduktor i zyskuję na jasności obrazu (krótszy czas akwizycji) oraz skracam ogniskową od rozsądnej wartości, która da prawidłową skalę. Czyli reduktor daje mi "lepszy" obraz. Jeśli chcę mieć ogniskową np 400 mm, to wiem że lepiej kupić refraktor 80/600 + reduktor, niż 60/400 bez reduktora. Obraz w pierwszym będzie jaśniejszy, a skala ta sama. Ale tu już zmienia

defakto apertura, a reduktor traktujemy jako integralną część teleskopu.

Dnia 4.02.2016 at 14:52, jolo napisał:

?reduktor ogniskowej 0.75x pozwoli nam skrócić czas naświetlania o połowę?

Moim zdaniem to nie żadne oszustwo, tylko niedomówienie. Faktycznie czas exp skróci się o połowę, ale uzyskamy w wyniku zdjęcie o mniejszej skali, a wiec inne. Jeśli komuś ta mniejsza skala odpowiada, to reduktor jest strzałem w dziesiątkę. Jeśli skala jest ok, to szansą na krótsze naświetlanie jest zmiana telepa na większą średnicę

1 godzinę temu, jolo napisał:

Co do mitu, to wg mnie sprawa jest prosta. Tak jak pisałem na początku - odstawmy na chwilkę kamerę do kąta i zajmijmy się samym obrazem. Zakładamy stałą aperturę (a stosowanie reduktora jej nie zmienia). Jak w takiej sytuacji może się zmienić jakość (SNR) obrazu? Przecież całość fotonów, które tworzą obraz w płaszczyźnie ostrości zbierana jest przez tą samą aperturę - jest ich dokładnie tyle samo. Cała reszta (próbkowanie obrazu) to wina albo zasługa kamerki. A przy "klasycznym" podejściu, kiedy staramy się, żeby szumy kamerki nie przekraczały 5-10% całkowitego szumu w obrazie, to i nie zmieni nam to zbytnio SNR obiektu. 

Oczywiście cały czas - zysk ze zwiększenia pola widzenia jest niewątpliwy.

PS - z resztą, to samo dotyczy wizuala. Czy przez 10" f/5 newtona zobaczysz więcej, niż przez 10" f/8 RC, albo 10" f/10 SCT? Albo czy obraz w okularze 34mm z SCT będzie się różnił od obrazu, który da ten sam SCT z reduktorem 0.63x i okularem 21mm?

Tak, jeśli odstawimy kamerę, to ilość fotonów w krążku będzie taka sama. Ale jak weźmiemy kamerę, to ona wycina z tego krążka jakiś kawałek o stałej powierzchni. Jeśli skupimy na tą powierzchnię 4x więcej światła, to kamera zarejestruje 4x więcej fotonów. Bez reduktora po prostu to dodatkowe światło jest marnowane, bo trafia poza matrycę.

A co do zwiększenia pola widzenia, to moim zdaniem to podobna kwestia i też z pewnego punktu widzenia nie ma żadnego zwiększenia pola widzenia :) Bo zamiast reduktora 0,5x możesz wziąć matrycę 2x większą i będziesz miał takie samo pole widzenia :)

Moim zdaniem w wizualu sprawa jest inna, bo nie masz tam czegoś takiego, jak matryca. Okular się inaczej "zachowuje"

 

Przepraszam za post - tasiemiec, tak wyszło :)

[jolo]

1 godzinę temu, MateuszW napisał:

Witajcie. Coście tak tu pouciekali wszyscy? 

Tak, nie o tym pisałeś, ale ja wyciągnąłem z tego wniosek. Piszesz o tym, że przy zastosowaniu reduktora np 0,5x sygnał, który padał wcześniej na 4x większą powierzchnię (np 4 piksele) pada teraz na 1, ale równocześnie to samo dzieje się z tłem (które szumi) i tło również skupia się na tym 4x mniejszym obszarze. Czyli ten obszar ma 4x więcej sygnału, ale też 4x więcej szumu, a więc SNR się nie zmienia.

Jak wydłużymy czas exp 4x, lub zwiększymy aperturę 2x, to również na ten obszar padnie 4x więcej światła i 4x tła (szumu), wiec SNR nie powinien się zmienić. W takim razie nie rozumiem, skąd ta wartość 1,41 (że to sqrt(2) to wiem :) ). 

Aaa, rozumiem. Różnica jest taka, że w pierwszym przypadku na mniejszy obszar padnie tyle samo sygnału, stąd SNR się zmieni nieznacznie (zakładając, że kamerka jest odpowiedzialna za 5-10% całkowitego szumu w obrazie). A w drugim przypadku na ten sam obszar padnie 4x więcej sygnału. Ta wartość 1.41 wynika z równania na SNR http://www.forumastronomiczne.pl/index.php?/topic/9585-czy-uśredniając-klatki-zwiększamy-w-nich-szum/&do=findComment&comment=128680

1 godzinę temu, MateuszW napisał:

Ok, w narrowband faktycznie SNR względem szumu odczytu jest stosunkowo niewielki i widać sens bin2. Ale skoro piszesz, że na RGB różnica będzie mała, to czy jest sens smażyć te kolory w bin2? Czy na czasie rzędu 180s na filtrze RGB warto dać bin2?

Ja to sam określałem dla mojego zestawu i warunków u mnie (link powyżej). Z mojego podwórka wyszło, że nie warto. Dodatkowym argumentem było to, że przy RGB żeby zachować informację o kolorze trzeba trzymać się jak najdalej od przepełnienia piksela. Przy bin2 przesyca się on znacznie szybciej. 

1 godzinę temu, MateuszW napisał:

Ale z drugiej strony reduktor daje nam to, że kosztem szczegółów zyskujemy jasność obrazu i polepszamy SNR galaktyki względem szumu odczytu. Czyli dzięki reduktorowi możemy łatwiej oddalić się od szumu odczytu o te "5%", a wiec możemy stosować krótszy czas exp. Uzyskamy tak samo jasny obraz przy krótszym czasie, ale stracimy szczegóły. Czy więc obraz z reduktora jest lepszy? To zależy, co jest dla kogoś ważne, ale generalnie coś tracimy, coś zyskujemy. Natomiast obraz z reduktorem jest faktycznie jaśniejszy i pozwala przy krótszym czasie exp uzyskać taki sam SNR.

Jeśli masz na myśli SNR piksela, to tak. Jeśli SNR obiektu, to wg mnie pozostanie praktycznie bez zmian (bo sygnał z obiektu pozostaje taki sam, a większość szumu ma swoje źródło poza kamerą).