О разрядности камеры при планетной съемке

[p.v.]

В продолжение разговора о режимах планетной съемки. Ниже на рис. представлены исходные кадры, без какой-либо обработки, из роликов с Юпитером, сделанные одной и той же камерой Point Grey Flea 3 в различных режимах.
Слева направо:
1. 16 бит, raw, без шумоподавления,
2. 16 бит, mono, с шумоподавлением,
3. 8 бит, raw, без шумоподавления.
На рис. заметно, что в режиме 8 бит уровень шума существенно выше, чем в 16 бит. Сами шумы грубее, т.е имеют больший относительный вес в сигнале. Также заметно, что в режиме 16 бит raw без шумоподавления, детализация выше, чем в режиме 16 бит, mono, с шумоподавлением. На одиночном кадре это не бросается в глаза, но при просмотре ролика, в динамике, хорошо видно. Атмосфера в роликах примерно одинаковая, на 4 из 5. Ролики делались с 11.13 по 12.13, т.е. размер планеты почти одинаков (на снимках приведен к одному). Шумоподавление в камере включается автоматом, если выбран режим mono, в отличие от raw. Использован красный канал.
Для сравнения результата с исходником приведен обработанный в WJ ролик красного канала с левого снимка, т.е 16bpp raw без шумоподавления. 15fps, 2мин, ~1300 кадров, остальное в брак - набегающая облачность и периодически пропадающий в кадре ЮП. Вырезать плохие кадры нечем, т.к. VD с 16 бит не работает, а как их фильтрует WJ не известно.

[Дмитрий Маколкин]

сделанные одной и той же камерой Point Grey Flea 3 в различных режимах.

Всё здорово, но стоит упомянуть, что речь идёт о съёмке программой FlyCapture.
Я бы ещё добавил, что в этой программе реализована такая вещь, как Sharpening, которая в одном крайнем положении движка настройки её степени увеличивает контраст мелких деталей, а в другом положении - наоборот, сильно замыливает мелкие детали.
Отсюда вопрос: в режимах, отличных от Mono проводился ли подбор положения этого движка, в котором воздействие со стороны программы на мелкие детали равно нулю? А то программа может такого начудить, что все выводы о шумности камеры можно будет спустить в утиль.

P.S. Кстати, квадрат из пикселей вместо одиночного горячего пикселя, как мне кажется, и будет результатом работы размытия.

P.P.S. В FireCapture нет никакого искуственного повышения резкости, равно как и размытия. В результате в 16бит режиме отношение сигнал/шум такое же, как и в 8бит, что вполне разумно.

P.P.P.S. При таком поведении программы по отношению к резкости мелких деталей я бы забил на все режимы, отличные от RAW. А то мало ли что она там "наулучшает". Ну или для гарантии чистого и неискаженного результата списался бы с их техподдержкой и выяснил досконально, что и как там программа с шумами делает.

[p.v.]

Положение регулятора резкости ставится камерой по умолчанию в 0 для Raw и выше 0 для Mono (думаю, что 1024 соответствует норме при макс. значении 4096). В Raw камера не дает его изменять, т.е. он отключен. В Mono 8/12/16 его можно регулировать и тогда действительно, 0 дает мыло. Тут Вы правы - это и есть шумодав. Но на фото интересен не абсолютный уровень шума (он может быть любой и зависит от освещенности), а относительный. Если шум в абсолюте одинаков и занимает 1-2 младших разряда, то его вес на выходе в 8/16 будет разный. В 16 бит, при одинаковом уровне шума, S/N получается больше, что и показывает картинка.

[Дмитрий Маколкин]

Положение регулятора резкости ставится камерой

Да не камерой, а программой.

думаю, что 1024 соответствует норме при макс. значении 4096

Это стоило бы уточнить у производителя программы. Мне показалось, что правильное значение - 512.

Но на фото интересен не абсолютный уровень шума (он может быть любой и зависит от освещенности), а относительный. Если шум в абсолюте одинаков и занимает 1-2 младших разряда, то его вес на выходе в 8/16 будет разный. В 16 бит, при одинаковом уровне шума, S/N получается больше, что и показывает картинка.

Какие-то не очень понятные рассуждения.
Давайте от физики плясать. Отношение сигнал/шум зависит от двух вещей - сигнала с сенсора и шума считывания. Т.е. на входе в усилитель (регулировка gain) у нас уже сформировалось отношение сигнал/шум, регулировкой усиления мы укладываем полезный сигнал на диапазон входного напряжения АЦП.  Оцифровка сигнала в 8 или 16 бит никак на отношение сигнал/шум не влияет. Если у Вас такое влияние наличествует, то это свидетельствует о некорректной работе программы, или о том, что авторами программы сделаны неведомые нам допущения о потребной логике работы программы. Ну или в цепочке преодразований где-то собака порылась.

[p.v.]

Если у Вас такое влияние наличествует, то это свидетельствует о некорректной работе программы, или о том, что авторами программы сделаны неведомые нам допущения о потребной логике работы программы. Ну или в цепочке преодразований где-то собака порылась.

No comments. Что вижу, то пою.

Да не камерой, а программой.

Понятно, что программой. Но программа регулирует чувствительность (усиление) камеры. Сама она сигнал не генерирует, только обрабатывает. При изменении движка резкости шум усиливается. Его камера выдает, а не программа. Программа только контролирует процесс.

Оцифровка сигнала в 8 или 16 бит никак на отношение сигнал/шум не влияет.

По меньшей мере странное заявление. Судя по радикально разным скоростям записи в 8 и 16 бит, АЦП явно переключается в режим оцифровки 8/16 бит, наряду с меньшим трафиком, иначе смысла в этой операции нет. И если вес младшего разряда в 8 бит = 1/256, то в 16 бит = 1/2^16, что даст на выходе принципиально разный шум. Что мы и видим. И модель камеры тут роли не играет.
Картинка показывает, что в 8 бит шум четче выражен, он контрастнее и перепады яркости в нем больше. Значит и вес его в сигнале больше. При масштабе 500% это хорошо видно.

[Дмитрий Маколкин]

При изменении движка резкости шум усиливается.

Верно, вместе с сигналом. Отношение сигнал/шум не меняется.

По меньшей мере странное заявление.

Да ничего странного. АЦП своих шумов не вносит, отношение сигнал/шум не меняет.

Судя по радикально разным скоростям записи в 8 и 16 бит, АЦП явно переключается в режим оцифровки 8/16 бит, наряду с меньшим трафиком, иначе смысла в этой операции нет.

Да, так и должно быть. Количество данных на 1 пиксель зависит от разрядности оцифровки, пропускная способность системы регистрации ограничена.

И если вес младшего разряда в 8 бит = 1/256, то в 16 бит = 1/2^16, что даст на выходе принципиально разный шум.

Ну верно, на то же напряжение приходится разное коричество бит.
Но и с сигналом то же самое.

В общем, Вы говорите о шуме как таковом, я же говорю об отношении сигнал/шум, а с точки зрения регистрации сигналов нас именно это и интересует.

Если говорить из первых принципов, то в работе камеры нас интересует фактически две вещи:
1. Сколько фотоэлектронов у нас рождается на один и тот же поток фотонов, это называется квантовый выход
2. Сколько шумов будет добавлено к образовавшимся фотоэлектронам, в нашем случае это шум считывания.

Разрядность АЦП нас интересует в меньшей степени, так как мы всё равно складываем много (сотни) кадров, и при наличии шума, амплитуда которого больше единицы младшего разряда АЦП, а значит мы восстановим значения яркости с достаточной точностью.

[p.v.]

Верно, вместе с сигналом. Отношение сигнал/шум не меняется...  Да ничего странного. АЦП своих шумов не вносит, отношение сигнал/шум не меняет...на то же напряжение приходится разное коричество бит. Но и с сигналом то же самое.

Т.е. Вы хотите сказать, изменение разрядности ацп/камеры на итоговый шум не влияет? Это не верно. Если мы рассматриваем фотоэлемент камеры как генератор электротока/напряжения, то для генератора справедливо понятие ЭДС. ЭДС генератора инвариантно к методу его измерения/оцифровки, оно абсолютно и конечно. И зависит только от уровня сигнала на матрице, в данном случае. Сигнал/поток фотонов один и тот же и не зависит от того, как мы его оцифруем. ЭДС измеряется в Вольтах, а не в битах. Примем снимаемый с матрицы сигнал (для ровного счета) в 256мВ, например.
Теперь, мы имеем собственный шум матрицы, к примеру в  0,5мв. Далее цифруем сигнал в 8 бит. Сколько разрядов займет шум? 1 разряд, т.е. 1/256 часть оцифрованного сигнала.
Теперь цифруем его в 16 бит. Следуя Вашим предположениям, что сигнал растет вместе с шумом, мы должны получить уровень шума в  2^16/512, т.е. 128 или 7 разрядов в hex. Как бы Вы посмотрели на производителя камеры, у которой шум считывания составляет 7-8 разрядов? Правильно, я бы в его сторону вообще не посмотрел.

На этом основании, я подозреваю, что реальный шум считывания камеры не превышает 1 разряда в 16 бит. Скорее и еще меньше. А если так, то отношение S/N возрастает, а относительный шум, вносимый самой камерой, падает  c 1/256 до 1/65536.
Именно это и подтверждают фото с +/- точностью, поскольку небо тоже шумит.
 

Разрядность АЦП нас интересует в меньшей степени, так как мы всё равно складываем много (сотни) кадров, и при наличии шума, амплитуда которого больше единицы младшего разряда АЦП, а значит мы восстановим значения яркости с достаточной точностью.

Именно разрядность меня/нас и интересует в 1-ю очередь, как первое средство уменьшения шумов и повышения S/N в итоге, наряду со сложением максимально возможного количества кадров, поскольку S/N пропорционально SQR(N).

А поскольку система телескоп/камера является аналоговой системой и тоже обладает своим собственным "шумом", зависящим в первую очередь от D, как следствие, имеем взаимную зависимость суммарного S/N системы от D телескопа и разрядности камеры. Иными словами, чем больше D телескопа, и чем меньше фокус (выше полезный сигнал), тем большую разницу результатов мы получим, повышая разрядность камеры. Поэтому на 100/150/200мм (условно) разницу уловить можно, но она может "гулять" в зависимости от той же атмосферы, которая вносит свои шумы и может быть малозаметна. С повышением D разница будет все более очевидна. А тогда малая разрядность камеры будет прямым тормозом в получении максимального результата, на который способен крупный телескоп.

[Павел Бахтинов]

я подозреваю, что реальный шум считывания камеры не превышает 1 разряда в 16 бит. Скорее и еще меньше. А если так, то отношение S/N возрастает, а относительный шум падает  c 1/256 до 1/65536.

Это неверно. Как цифры, так и логическая цепочка рассуждений.

Впрочем, следующее утверждение:

АЦП своих шумов не вносит, отношение сигнал/шум не меняет.

- это другая крайность.
АЦП вполне себе успешно шумит, как и любой элемент электронного тракта. Другое дело, что в хорошо спроектированной и правильно настроенной камере стремятся свести вклад этих шумов к минимуму, чтобы не ухудшать результат, потенциально достижимый на данной матрице (обусловленный физическими ограничениями). Если же "крутить" настройки камеры произвольно и бездумно, то вклад шумов АЦП в некоторых случаях может стать существенным.

[Дмитрий Маколкин]

Павел, у меня тогда просьба помочь разобраться.
Вот даташит на камеру которая у p.v.
Там дан динамический диапазон и отношение сигнал/шум. На что следует ориентироваться, определяя достаточную разрядность оцифровки, исходя из последующего сложения нескольких сотен кадров?
Я полагаю, что надо смотреть на сигнал/шум.
Ещё примем во внимание что усиление при съёмке (кстати, p.v., какое Вы ставите усиление?) обычно не минимальное, так как света по планетам обычно не хватает. Мне кажется, что 8бит достаточно, а ты как считаешь?

[p.v.]

p.v., какое Вы ставите усиление?

Разное ставил, в поисках оптимума. Зависит от fps. Последнее время с 30-60 fps усиление ставлю от 30 до 70%, в зависимости от яркости канала. Т.е. снижаю fps до уровня, когда при достаточной яркости сигнала, усиление находится в р-не середины или около того.

[Дмитрий Маколкин]

p.v., какое Вы ставите усиление?

Разное ставил, в поисках оптимума. Зависит от fps. Последнее время с 30-60 fps усиление ставлю от 30 до 70%, в зависимости от яркости канала. Т.е. снижаю fps до уровня, когда при достаточной яркости сигнала, усиление находится в р-не середины или около того.

Ну, исходя из даташита, у Вас шум считывания будет явно больше единицы младшего разряда даже в 8 бит режиме.

Да, Вы не могли бы представиться, а то неудобно по нику обращаться.

[Alex_O]

Как бы Вы посмотрели на производителя камеры, у которой шум считывания составляет 7-8 разрядов?

Необходимо выдержку учитывать. При недостатке света и коротких выдержках шум все 16 разрядов занять может.

[kryptonik]

Вот-вот! Как-то нельзя сказать, что именно шум считывания при астросъемке особенно напрягает. Понятно с этим напрямую связана чувствительность камеры, но что есть, то есть. Не хватает чутья, значит объект не для этой камеры, или фокусное уменьшать, или еще что. А если работать в области, где именно этот шум превалирует, толку будет немного. Как-то в реале больше заботят шумы атмосферы, с ними и бьемся. Работать на пределе, это значит, что в тенях изображение шумное, но в целом картинка информативная.

[p.v.]

Ну, исходя из даташита, у Вас шум считывания будет явно больше единицы младшего разряда даже в 8 бит режиме.

Трудно сказать. Надо измерять. Предлагаете провести тест по черному квадрату Малевича? На выходе будет 0х00000000. Зуб даю.

Да, Вы не могли бы представиться, а то неудобно по нику обращаться.

В личке

Необходимо выдержку учитывать. При недостатке света и коротких выдержках шум все 16 разрядов занять может.

Не может и это не шумы камеры. Будут оцифрованы шумы атмосферы, например, и рассеянный свет от пыли на зеркалах. Небо в любом случае светится. Компенсировать гейном отсутствие сигнала не наш метод. Нет сигнала - это тоже сигнал. Собственный шум камеры от этого не изменится.

Вот-вот! Как-то нельзя сказать, что именно шум считывания при астросъемке особенно напрягает. Понятно с этим напрямую связана чувствительность камеры, но что есть, то есть. Не хватает чутья, значит объект не для этой камеры, или фокусное уменьшать, или еще что. А если работать в области, где именно этот шум превалирует, толку будет немного. Как-то в реале больше заботят шумы атмосферы, с ними и бьемся. Работать на пределе, это значит, что в тенях изображение шумное, но в целом картинка информативная.

Я выше и сказал, что требуемая разрядность напрямую должна зависеть от апертуры и яркости объекта. В остальном согласен.

[bigol]

Трудно сказать. Надо измерять. Предлагаете провести тест по черному квадрату Малевича? На выходе будет 0х00000000. Зуб даю.

Т.е., по-вашему, в дарке (темновом кадре, тот же "квадрат") нет шума? Не разбрасывайтесь зубами на старости лет

[kryptonik]

Тест по Малевичу – мысль правильная. Тут надо корректно сравнивать. Для начала надо убрать влияние атмосферы и поснимать дома при разной освещенности и на разных режимах.

[Alex_O]

Не может и это не шумы камеры. Будут оцифрованы шумы атмосферы, например, и рассеянный свет от пыли на зеркалах. Небо в любом случае светится. Компенсировать гейном отсутствие сигнала не наш метод. Нет сигнала - это тоже сигнал. Собственный шум камеры от этого не изменится.

Параметры сенсоров в современных камерах для планетной съемки достаточно близкие. Разница может быть 20-30%, но никак не на порядки. Телескоп у меня такой-же как у Вас в подписи. При съемке Юпитера с выдержкой 1/60 c  и эквивалентном фокусе 5 м, при заполнении гистограммы (с соответствующим гейном!) на 2/3, шумы получаются 1-2 разряда из 8.
Понятно, что если бы камера DBK21-618  была 16 разрядная, то шумы занимали бы в этих условиях 8-9 младших разрядов.
Шумы в основном идут от сенсора, а не от усилителя.

[Alex_O]

Тест по Малевичу – мысль правильная. Тут надо корректно сравнивать.

А проще всего установить те-же параметры как при сьемке Юпитера и посмотреть, что даст камера при освещении рассеянным светом соответствующей яркости.

[p.v.]

Тест по Малевичу
в 16 бит RAW http://yadi.sk/d/L0WxqZB5Epk3q
в 16 бит PGM http://yadi.sk/d/hqiRclAjEpk9w
Там по 4 кадра в каждом архиве. 2 с белым шумом, 2 с квадратом Малевича (одета крышка). Можно оценить разброс и hot pixels, если они есть. Также сравнить pgm и raw. В 8 бит может позже сниму.
Режимы те же, что и при съемке Юпа. Raw, кадр 608х608, 16 бит, Gain 12dB(середина), 70 fps, 14ms.
И для ленивых результат, как его показывает PS при 700%. Форум жмет картинку красиво - шум исчез вообще 
На самом деле в черном квадрате он есть, но вряд ли больше 1-2 разрядов. А при белом шуме соответственно меньше и мягче.

[kryptonik]

Надо снимать с объективом, но в полумраке под столом. Предметы разные.