OSC vs mono - cena komfortu

[jolo]

Spora liczba miłośników astrofotografii staje w pewnym momencie przed wyborem - kamera kolorowa czy mono. Wybór nie jest prosty i należy wziąć pod uwagę wiele czynników. Na korzyść kamer z matrycą kolorową przemawiają przede wszystkim: brak dodatkowych kosztów (filtry, koło), wygoda użytkowania, mniej kłopotliwa obróbka materiału. Z kolei kamery z matrycą monochromatyczną zapewniają nieco większą rozdzielczość, możliwość pracy z różnego rodzaju filtrami oraz lepszą czułość. Postanowiłem w teorii sprawdzić jak to jest z tą czułością na przykładzie duetu kamerek QHY183 mono i kolor. 

Kamery QHY183 to nowoczesne urządzenia wyposażone w matrycę CMOS - zapewniają niskie szumy oraz bardzo dużą czułość, która osiąga wartość ponad 80% dla kamery mono oraz ponad 70% dla kamery kolorowej. Sprawność kwantową obu kamerek możemy prześledzić na grafice poniżej:

 

Rozkład sprawności dla wersji kolorowej jest dość standardowy. Czułość wersji mono rozciąga się natomiast od bliskiego UV aż do bliskiej podczerwieni. Jednak będziemy rozpatrywać tutaj jedynie zakres widzialny od 400 do 700nm. W zakresie tym średnia czułość kamery mono to około 69%. Jest to rewelacyjny wynik. Średnia czułość QHY183M w zakresie widzialnym jest większa od maksymalnej czułości wielu innych dedykowanych astrokamerek. Ale nie o tym ten wpis...

Patrząc na przebieg krzywych transmisji dla filtrów w kamerze kolorowej można odnieść wrażenie, że te kolorowe górki niewiele odstają od górki czarnej. I jeśli zsumujemy powierzchnie pod kolorowymi krzywymi, to średnia czułość będzie całkiem spora. I rzeczywiście powierzchnia pod kolorowymi górkami odpowiada średniej czułości ponad 50%. Ale w przypadku kamery OSC nie możemy tak zrobić!

W kamerze OSC nie mamy jednakowych pikseli. 1/4 jest z filtrem R, 1/4 z filtrem B a połowa z filtrem G. Czułość tych poszczególnych pikseli to:

  

A po uśrednieniu (średnia ważona) otrzymamy średnią czułość kamerki QHY183C o wartości 23.6%.

No dobrze, nie wygląda to zbyt różowo. Ale przecież tutaj mamy obraz kolorowy od razu, a kamerze mono musimy stosować filtry! Więc na pewno z filtrami to będzie wyglądało inaczej. I rzeczywiście będzie. W przypadku kamery mono i użycia filtrów kolorowych Baader RGB otrzymamy takie czułości:

  

I po uśrednieniu otrzymamy praktycznie taką samą wartość - 23.7%. Ha! Więc nie ma żadnego zysku, kamery kolorowe górą!

Nie do końca. Pomijając większe możliwości kamer mono (stosowanie filtrów wąskopasmowych) przypadek powyżej odpowiada sytuacji, w której naświetlamy cały kadr jedynie przez filtry RGB. Mało kto tak robi. Użytkownicy kamer monochromatycznych najczęściej naświetlają luminancję osobno, przez filtr L, który z kamerką QHY183M daje czułość 69%.

W przypadku, kiedy naświetlamy połowę materiału przez filtr L, a połowę przez RGB, to średnia czułość takiego rozwiązania wynosi 49%.

W przypadku, kiedy naświetlamy 2/3 materiału przez filtr L, a 1/3 przez RGB, to średnia czułość takiego rozwiązania wynosi 54%.

W przybliżeniu można powiedzieć, że stosując metodę LRGB zbieramy około dwa razy więcej fotonów, w porównaniu do kamerki OSC, czy do zbierania materiału jedynie przez filtry RGB. To oczywiście dotyczy obiektów promieniujących w przybliżeniu jednakowo w każdej barwie. W skrajnych przypadkach (np mgławice emisyjne) sprawność kamerek można w przybliżeniu określić analizując wykres.

W przypadku kamery mono sytuacja jest dość oczywista: w Ha mamy sprawność na poziomie 50%, a w Oiii ponad 80%. Dla kamerki kolorowej już nie jest tak prosto. Piksele R łapią około 45% w Ha, ale jest ich tylko 1/4, a więc średnia czułość kamerki QHY183C w Ha to około 11%. W przypadku Oiii jest znacznie lepiej. Połowa pikseli jest zielona i łapie około 70% Oiii, a dodatkowo 1/4 niebieskich pikseli też łapie około 40% sygnału Oiii. Średnio na całą matrycę daje to czułość około 45% dla Oiii. 

W praktyce oprócz czułości są jeszcze inne właściwości wpływające na wyniki otrzymane z kamer kolorowych i monochromatycznych. W pewnym stopniu rozdzielczość. Ta z kamery OSC z matrycą Bayera będzie nieco mniejsza. Im bardziej obraz jest podpróbkowany (https://www.forumastronomiczne.pl/index.php?/topic/10816-zestaw-astrofoto-od-podszewki/ ), tym różnica w rozdzielczości będzie wyraźniejsza. W przypadku kamer QHY163 mono i kolorowej podpiętej do obiektywu Samyang 135/2 obraz jest dość mocno podpróbkowany (FWHM gwiazd na poziomie 1.2px) i różnica w rozdzielczości obrazu pomiędzy wersją mono i kolor jest wyraźna. Kiedy obraz jest dobrze próbkowany, różnica w rozdzielczości będzie znikoma. Różny jest też rozkład kolorów w przypadku filtrów RGB w kamerach OSC filtrów CCD RGB. Ale tak czy siak największy wpływ na decyzję kolor vs mono będzie użytkowość kamery (jakość nieba, filtry, koło, narrowband, obróbka materiału, fotometria, spektrometria, etc) oraz czułość.

A decyzja na pewno nie będzie prosta

 

[wessel]

Bardzo trafna ocena ! Jedyne z czym bym się chyba nie zgodził to fragment o łatwiejszej obróbce obrazka z kamery OSC, no ale to też chyba kwestia przyzwyczajenia. Fajny tekst - ale wyboru nie ułatwiłeś  

[jolo]

Dzięki Maciek! Skupiłem się raczej na czułości kamerek, z tą obróbką chodziło mi bardziej o fakt, że odpada krok z łączeniem kanałów. No ale ten etap to wiadomo - dopiero początek długiej drogi obróbki  

[Lukasz83]

Dobra analiza  Miałem okazję testować ASI 178MC i MM i powiem szczerze, że czułość mono (w moim subiektywnym odczuciu) dosłownie masakrowała OSC w zakresie luminancji oczywiście. Ale to było takie subiektywne odczucie. 

Fajne byłoby zobaczyć praktyczne porównanie czułości OSC vs luminancja mono na tym samym obiekcie w identycznych parametrach ekspozycji.

I trzeba jeszcze pamiętać o jednej bardzo ważnej rzeczy - dla fotografów DS raczej nie jest to istotne. Jeśli fotografujemy planety to przy OSC całkowicie wypada nam możliwość stosowania filtrów UV (Wenus) i IR (wszystkie planety + Księżyc) a to jest już bardzo duże ograniczenie. OSC nie nadaje się też do Słońca w h-alpha - to znaczy można, ale efekt będzie mocno przeciętny.

[jolo]

No tak - jeden obraz wart więcej, niż tysiąc słów przecież Miałem przez około pół roku kamerkę QHY163C komplementarną do mojej QHY163M, żeby zbierać luminancję kamerką mono, a kolor OSC, ale było to dość upierdliwe. Tak że mam kilka kadrów spod mojego podmiejskiego nieba. Poniżej jedna klatka 180s okolic M106 z kamerki mono i kolor. Wykonane w odstępie dwóch dni - warunki bardzo podobne.

Po lewej oczywiście zdjęcie z kamerki OSC. 

I jeszcze porównanie jednej z gwiazd w tym kadrze w Maximie. Na zdjęciu z kamerki mono jej jasność to 133000 ADU, a SNR 170. Na zdjęciu z kamery OSC jasność wynosi 59000 ADU, a SNR 101. 

[gryf188]

Bardzo ciekawy artykuł i fajne porównanie. 

Jeśli robimy RGB,  w naszych warunkach pogodowych na plus kamer OSC  mógłbym zaliczyć to ,że nie ma potrzeby planowania ilości klatek w poszczególnych kanałach. Pali się tyle klatek ile się zdąży , nim zajdą chmury  . 

[Jacek E.]

23 minuty temu, gryf188 napisał:

Bardzo ciekawy artykuł i fajne porównanie. 

Jeśli robimy RGB,  w naszych warunkach pogodowych na plus kamer OSC  mógłbym zaliczyć to ,że nie ma potrzeby planowania ilości klatek w poszczególnych kanałach. Pali się tyle klatek ile się zdąży , nim zajdą chmury  . 

Z tego samego założenia wyszedłem, szczególnie że mieszkam nad samym morzem a tu pogoda straaasznie zmienna jest
A porównując fotki Łukasza, aż tak wielkiej różnicy nie zauważam... No i moja 183 bardzo dobrze ,,widzi"

[jolo]

36 minut temu, gryf188 napisał:

Jeśli robimy RGB,  w naszych warunkach pogodowych na plus kamer OSC  mógłbym zaliczyć to ,że nie ma potrzeby planowania ilości klatek w poszczególnych kanałach. Pali się tyle klatek ile się zdąży , nim zajdą chmury  . 

Tak, to jest zdecydowany komfort właśnie. Podpinasz kamerkę i robisz i robisz i robisz zdjęcia, aż braknie nocy, sił, pogody albo prądu   

[Nowok76]

Zawsze będę zwolennikiem kamer mono. Ponieważ taką kamerką mogę focić przy Łysym . A co zrobi posiadacz OSC jeżeli w ciągu roku będzie x czystych nocek ,ale z Księżycem ? Nic tylko siąść i płakać ?

[Jacek E.]

11 minut temu, Nowok76 napisał:

Zawsze będę zwolennikiem kamer mono. Ponieważ taką kamerką mogę focić przy Łysym . A co zrobi posiadacz OSC jeżeli w ciągu roku będzie x czystych nocek ,ale z Księżycem ? Nic tylko siąść i płakać ?

Nieprawda - da się focić przy Muniu.

[Nowok76]

Oczywiście że się da, tylko z jakim skutkiem ?

[Jacek E.]

3 minuty temu, Nowok76 napisał:

Oczywiście że się da, tylko z jakim skutkiem ?

Może ociupinkę gorszym niż z M. Oczywiście piszę o RGB.

[DarX86]

1 godzinę temu, Nowok76 napisał:

Zawsze będę zwolennikiem kamer mono. Ponieważ taką kamerką mogę focić przy Łysym . A co zrobi posiadacz OSC jeżeli w ciągu roku będzie x czystych nocek ,ale z Księżycem ? Nic tylko siąść i płakać ?

Ja tam nie narzekam, zakładam filtr Ha i jadę dalej  

[rambro]

Dopiero teraz trafiłem na ten ciekawy artykuł. Brak obserwatorium skłania mnie do OSC. Zawsze łatwiej zrobić gorsze zdjęcie niż zostać tylko np z L i jednym kanałem. Cena sprzętu też ma znaczenie. Przekreślony rysunek obrazujący jak nie można określać średniej czułości zastanawia mnie. Czy możliwe byłoby zrobienie syntetycznego kanału L jako sumy RGGB z OSC ?. Dostaniemy większy szum odczytu i mniejszą rozdzielczość, ale obecne kamerki mają często zbyt małe pixele i bardzo niski szum odczytu. Można to zrobić (zsumować RGB do L) jakimś skryptem. W DSS jest opcja "super pixel". Opis super pixel jest następujący:

With DCRaw it is possible to access the Bayer matrix before any interpolation. Thus it is possible to use other methods to reconstruct the true colors without guessing the missing primaries with interpolation.
The Super Pixel method does not interpolate but instead creates a single super pixel from each group of four pixels (RGBG).
Indeed each group of 4 pixels contains all the necessary information for each primary and the luminance.
This method is very simple and has the drawback (or is it a bonus) to divide the size of the resulting picture by 4.
The Super Pixel method is giving very good results when only a few pictures are available for the stacking process.

Polecają tą metodę przy małej ilości klatek, więc poprawia SNR. Ponieważ kanału G jest 2 x tyle co R,B może jest tworzony "syntetyczny" L podczas tego procesu.  DSS jest obecnie open source, więc można zajrzeć do kodu.

Czy pomysł ze sztucznym L z RGB OSC ma sens ?

 

 

[Spirit]

Jak już złożysz materiał z OSC czyli otrzymasz gotowy kolory stack zamieniasz go w Luminancję a stack kolorowy służy tylko i wyłącznie do kolorów. Obrazowo w PS w dolnej warstwie RGB w górnej wyciągnięta luminancja z RGB i jako warstwa L. Reszta to obróbka.

[jolo]

Nigdy tak nie robiłem z materiałem z OSC, ale czasami mam materiał z filtrów RGB bez luminancji i składam to RGB w taką sztuczną luminancję. Potem można różnie obrabiać L i RGB (w szczególności wyostrzać i redukować szum). Detal w kolorze może być słabszy, ale bardziej odszumiony. W L można bardziej się postarać o wydobycie detalu, który będzie potem obecny w finalnym obrazie. 

Metoda Super Pixel z tego co rozumiem, to jeden ze sposobów debayeryzacji. Każda czwórka pikseli składana jest w jeden kolorowy piksel kolorowego obrazu. SNR mocno wzrasta, ale detal raczej maleje (o ile zdjęcie nie jest mocno nadpróbkowane).  Finalna rozdzielczość fotki to 1/4 początkowej. Tak przynajmniej ten algorytm działa w PixInsight. 

Podejrzewam że bardziej zaawansowane algorytmy do debayeryzacji (jak np VNG) potrafią wydobyć co najlepsze z matrycy RGB i po debayeryzacji można sobie rozdzielić L od koloru, obrobić osobno i złożyć ponownie.