Unity Gain, brus och dynamik

Digitala systemkameror (ej vanliga digitala med fast optik)
tortap
Inlägg: 148
Blev medlem: 2013-08-24 23:23:33
spamtest: JA

Unity Gain, brus och dynamik

Inläggav tortap » 2014-10-14 23:59:51

Jag tänker citera ett inlägg som kommer från tråden "Använda D7000 under natthimlen": http://www.astronet.se/phpBB3/viewtopic.php?f=8&t=9309

AstroFriend skrev:Med 24 minuter 100iso har du samlat in 8ggr fler fotoner än 3min vid 800iso. Så 100iso skall bli bättre med avseende på signal/brus, däremot brukar pixelns fullwell inte räcka till och man utnyttjar därmed inte hela potentialen i dynamik som 14 bit ger. 100iso är i regel inte ens bra vid vardagsfoto. För astro, varje steg i ADU kommer motsvara många fotoner och inget man kan få fram svaga detaljer med (realativt sett till det antal fotoner man samlat in).

Vid iso 6400 har man gått långt över gränsen för gain 1, men även denna skall du exponera i 24 minuter om du skall jämföra, men du får dela upp det på många delsubbar. Här får du bråkdelar av en foton per steg, överdrivet mycket.

Det går inte fortare för att man ökar iso talet, det är tiden som bestämmer antalet fotoner man fångar in. Och antalet fotoner/elektroner bestämmer signal och brusförhållandet. SN= N/sqrt(N) ideellt. Där N är antalet.

Det du skall söka är hur du skall få bästa dynamik och bästa signal och brusförhållande för en viss total exponeringstid.

Att vi krånglar så här med exponeringstider, subbar och isotal är för att ur astronomisk synpunkt en dslr kanske kan ses som sopig kamera men som vi har råd med. Icke att förglömma att vi dessutom får i astronomisammanhang en väldigt stor sensor.

Säg att vi exponerar så länge att maxima har samlat på sig 500000 fotoner om vi då vill kunna urskilja varje enstaka foton i nivå måste vi ha en AD omvandlare på 19 bit och dessutom utan utläsningsbrus och linjär. Det klara inte ens CCD i den mest avancerade formen. Och 500000 fotoner är inte mycket för en stark stjärna, det är en enorm dynamik på stjärnhimlen. Men med subbar ökar vi dynamiken. Fyra subbar ökar antalet steg från motsvarande 14 bit till 16 bit.

Lars


Gain 1 är vad jag förstår detsamma som konceptet Unity Gain som man kan läsa om här: http://www.clarkvision.com/articles/dig ... unity_gain
Eller är gain 1 inte någon strikt definition som Unity Gain som verkar vara definierat för 12-bitar? Nåja.

Det jag funderar kring är hur det ligger till med teorin om att låta en elektron motsvara en ADU. Man borde få en bra fördelning av värden i skuggor om man höjer ISO till Unity Gain men man bränner kanske lite högdagrar. Så långt är allt väl. Men sen om man har annat brus som läsbrus borde det alltså vara bättre att höja ISO så att man får analog gain över Unity Gain, upp till någon viss gräns. Det här borde gälla alla kameror som har mycket pattern noise. En kamera som har grymt lågt läsbrus borde klara sig bättre och kunna liggare närmare teorins Unity Gain.

Kokar man ner det till en fråga: kan man säga att man bör ha minst iso för Unity Gain men förmodligen något högre, begränsad av vad man behöver för dynamiskt omfång?
Användarvisningsbild
AstroFriend
Inlägg: 4070
Blev medlem: 2012-12-17 13:30:45
spamtest: JA
Ort: Stockholm
Kontakt:

Re: Unity Gain, brus och dynamik

Inläggav AstroFriend » 2014-10-15 00:54:48

Egentligen skall man ha minst gain 2, det är en analog signal man läser ut och då gäller Nyqvist teoremet att man samplar med minst 2 gånger det man vill få ut (i nivå). Precis som CD skivan är samplad med 44100Hz (i tid) för att man skall kunna lyssna på 20kHz. Höjer man förstärkningen ytterliggare får man upp signalen över delar av bruset. Tyvärr förlorar man som du säger i de starka delarna av signalen där den klipper. Allt detta för att kameran inte kan hantera hela dynamikomfånget i en utläsning. Det är då man får ta till HDR och göra två olika exponeringar eller fler med olika tider eller iso-tal för att få med både de låga signalerna och de höga utan att klippa. Dock är stjärnor väldigt ljusstarka och de får man räkna med att klippa i de övre nivåerna. Men ju mindre ju bättre får man fram stjärnornas färger så alla inte blir vita eller monokroma.

/Lars
Camera: Canon EOS 5D/6D
Mount: EQ6
Telescope: TS130 APO
Samt en massa tålamod!

Homepage: http://www.astrofriend.eu
Terje
Inlägg: 525
Blev medlem: 2005-12-08 18:38:52
Ort: Alingsås

Re: Unity Gain, brus och dynamik

Inläggav Terje » 2014-10-15 08:20:33

Först är det inte fotoner man lagrar på sig, det är elektroner kanske lite petigt men eftersom inget chip harr 100% effektivitet så kommer inte alla fotoner att fångas och generera en elektron. Eftersom vi talar om diskreta elektroner så skall du om vi antar att vi lever i en ideal kamera utan brus etc inte översampla alls då du inte kommer att vinna något på det dvs, om du läser ut 1 eller 2 från din ideala dac spelar ingen roll då allt bara är multiplicerat med en faktor två Nyqvist kräver väl för att ha någon mening även att du har mer än 1 dimension i vad du samplar, normalt tid (för ljud) eller sträcka / yta för detaljer i en bild. vad vi har här är ett fall med 1 dimension och vi gör en enda sampling varför vi fullkomligt bör kunna glömma bort Nyqvist.
Notera även att Nyqvist bara specificerar vad du måste ha minimalt för samplingshastighet för att fånga en signal, inte nödvändigtvis att du med en given samplerate kommer att återge signalenväl eller överhuvudtaget. Antag följande, signalen du har är en 1Hz sinuskurva. Samplar du med 1Hz kommer du aldrig att få någon information då du alltid kommer att få ut ett konstant värde vilket är vad vi förväntar oss. samplar du med 2Hz kommer din information att vara baserad på "slimpen" dvs när under en cykel du samplar, optimalt så samplar du vid peakvärdena och får då hela kurvans amplitud har du otur kommer du att sampla vid kurvans nollgenomgångar och du kommer inte att se någonting.
Användarvisningsbild
AstroFriend
Inlägg: 4070
Blev medlem: 2012-12-17 13:30:45
spamtest: JA
Ort: Stockholm
Kontakt:

Re: Unity Gain, brus och dynamik

Inläggav AstroFriend » 2014-10-15 09:51:34

Nivådelen:
Jo elektroner är diskreta naturligtvis, det vi mäter är en spänning som byggts upp av elektroner i en kondensator (I CMOS och CCD). Kunde vi utföra AD omvandlaren så exakt att det motsvarade ett steg för varje elektron som lagras och utan brus så vore det så man skall gå tillväga. Nu finns inte den tekniken och vi lever i en semianalogdigital värld. Därav vi översamplar (eller man kan säga överprecision i nivå) för att få ut det mesta ur svaga signaler. Kanske lite fel att blanda in Nyqvist men man brukar ofta relatera till detta i dessa sammanhang, men vi vill inte få avrundningsfel när elektronerna i vissa fall kanske hamnar på samma nivå, ta till ex AD nivå 5, motsvarar det, 4 eller 5 elektroner? Vilket skulle ske om vi mätte med gain=1 relativt den diskreta elektronen i gränsfallen. Men är AD omvandlaren kraftigt olinjär behövs en mer än 2 gånger, men då kanske man skall söka en bättre ADC. Till sist vill vi ju också förstärka signalen innan AD omvandlaren så vi hamnar över bruset, därav ännu mer överprecisionen (förstärkning) kan vara befogat. Man kan med olika knep ändå få till en fotonräknare som vi helst vill ha med lite annan teknik. Andor: http://www.andor.com/ har sådana till exempel som kommer nära men det är i en prisnivå som är långt över vad den normala amatören har råd med.

Spatiala delen:
När vi samplar sker det inte exakt synkront med någon inkommande signal utan alla frekvenser förekommer slumpmässigt. Med det byggs vår bild upp där upplösningsgränsen (i spatiala 2-dimensionella planet) upp till halva samplefrekvensen. Har vi högre frekvenser än vår halva samplefrekvens får vi med ett svenskt ord viknings distorsion, uppträder som morié mönster i den 2 dimensionella världen. Nu ligger inte alla signaler utefter rad och kolumnerna i sensorn, utan alla möjliga riktningar, de som ligger på 45 grader får sämre upplösning eftersom pixelavståndet är större där, sqrt(2) eller ca 1.4 gånger sämre (skall lägga till detta i mitt excelark astrovinklar). Hur många tar med det i beräkningarna? För att undvika denna distorsion sitter ett lågpassfilter framför sensorn som tyvärr också sätter ned upplösningen med kanske 30% mot det ideala.

Som vanligt är allt i praktiken mycket mer komplext än så här.

Ursäkta min slarvighet i den tidigare tråden och inte tala tydligt om att fotonerna registreras och lagras som elektroner i dagens sensorer, skall rätta till den texten där.

Överhuvudtaget blir det ju inte några exakta teorier man skriver ned här utan om jag skall hinna med så blir det som finns i huvudet direkt och där är det rörigt!

/Lars
Camera: Canon EOS 5D/6D
Mount: EQ6
Telescope: TS130 APO
Samt en massa tålamod!

Homepage: http://www.astrofriend.eu
tortap
Inlägg: 148
Blev medlem: 2013-08-24 23:23:33
spamtest: JA

Re: Unity Gain, brus och dynamik

Inläggav tortap » 2014-10-15 11:28:06

Jag tyckte inte det var oklart med elektronerna direkt.

Försöker läsa på och det finns ju motstridiga uppgifter minst sagt. Vissa säger tvärsäkert att man inte behöver gå över unity gain medan clarkvision säger annat. Praktisk erfarenhet säger mig att man nog bör gå över unity gain trots allt. Vill förstå ungefär varför och vad jag behöver göra rent praktiskt. Behöver inte vara så stringent här :D
Martin F
Inlägg: 1800
Blev medlem: 2013-11-06 12:16:53
spamtest: JA

Unity Gain, brus och dynamik

Inläggav Martin F » 2014-10-15 11:37:08

Hade varit fint med en tabell över unity gain för olika kameror. Var ligger det t.ex för 1100D?


Sent from my iPhone using Tapatalk
Användarvisningsbild
AstroFriend
Inlägg: 4070
Blev medlem: 2012-12-17 13:30:45
spamtest: JA
Ort: Stockholm
Kontakt:

Re: Unity Gain, brus och dynamik

Inläggav AstroFriend » 2014-10-15 12:14:26

Hur man skall göra teoretiskt är nog ganska klart, men...

Tyvärr så finns det ju som alltid begränsningar på det man vill göra praktiskt. En DSLR har ju en brusreducering som sätts in vid högre gain (isotal), antagligen i olika steg, även raw filer påverkas. Filtrerar man bort brus är det risk att de svaga stjärnorna eller de små nyanserna i en nebulosa också försvinner. Algoritmerna för denna brusreducering är inte optimerad för astronomifoto utan mer vardaglig foto, det som kamerorna är till för. Men upp till iso1600 med minimal påverkan verkar gå bra på moderna kameror.

Man kan se i de mätnigar man gjort att utläsningsbruset är väldigt lågt på vissa modeller, de pratar om 2e och däromkring, och dessutom är de lägre på högre isotal. Känns för mig som de inte mäter det "råa" utläsningsbruset utan det brus som återstår efter den interna brusreduceringen. Om det vore det råa utläsningsbruset så är det fantastiska kameror, bättre än de rena astrokameror som finns som kostar många hundratusen kronor. Hur troligt är det?

Unitgain i iso räknat är starkt kopplad till pixelstorlek, se denna hemsida där mycket data finns:
http://www.clarkvision.com/articles/dig ... unity_gain

Tabellen stämmer dock inte riktigt med andra beräkningar jag sett, så uppgifterna skall kanske tas med en nypa salt. Men o andra sidan imponerar fysik/tekniksnacket så de kanske gjort en bättre mätning. Jag har inte gett mig på att mäta detta själv utan tar informationen från nätet, kanske dumt.

Jag kan inte hitta Canons 1100D där men kanske snarlik 40D? Välj någon Canon med samma storlek på sensor och lika många Mpix så får du nog ett ganska bra värde. Sensorerna är ju många gånger lika, det är mer elektronik och andra saker som skiljer de enkla från premiummodeller. Tur för oss som gillar astrofoto.

På en CCD har man i regel bättre kontroll över vad som sker, där räknar man inte i iso utan talar direkt om gain. Med sådan kontroll har man stora möjligheter att plocka fram detaljer ur bruset som en DSLR skulle filtrerat bort.

Man kanske skall tillägga att det vi diskuterar är ju findetaljerna, är man bara ute efter vackra foton så kanske det blir helt andra inställningar beroende på kamera/optik. Fast är man teknik/astronörd gillar man ju att grotta ned sig i detaljerna, alla som tycker så räcker upp en hand!

/Lars
Camera: Canon EOS 5D/6D
Mount: EQ6
Telescope: TS130 APO
Samt en massa tålamod!

Homepage: http://www.astrofriend.eu
Terje
Inlägg: 525
Blev medlem: 2005-12-08 18:38:52
Ort: Alingsås

Re: Unity Gain, brus och dynamik

Inläggav Terje » 2014-10-15 18:56:50

En detalj att komma ihåg i dagens kameror med oftast löjligt små pixlar är att det antal elektroner som kan löagras i en pixel blir relativt litet, man kan mer eller mindre betrakta det som linjärt mot pixelns yta tex har ett kaf 8300 chip med 5,4 µm pixlar ungeför 25000 elektroner per pixel, dvs du har inte ens en teoretisk möjlighet att utnyttja alla bitarna i en 16 bitars AD omvandlare, den praktiska effekten av denna begränsning torde väl däremot vara ganska minimal då (enligt infon på QSIs hemsida) utläsningsbruset är 8 elektroner RMS. Hur det är med chippen i dagens systemkameror vet jag inte men jag kan tänka mig att det är likartade "problem" där
tortap
Inlägg: 148
Blev medlem: 2013-08-24 23:23:33
spamtest: JA

Re: Unity Gain, brus och dynamik

Inläggav tortap » 2014-10-16 19:16:45

Här har jag hittat en tråd som handlar om hur man kan ta reda på Unity Gain ISO, kanske kan vara intressant för någon. Står en himla massa och har inte läst klart allt men tyckte det var intressant.

http://www.luminous-landscape.com/forum ... ic=76446.0

Återgå till "DSLR-kameror"

Vilka är online

Användare som besöker denna kategori: 7 och 0 gäster