Astronet forum

Jag läste en diskussion på stark-labs yahoo-grupp som handlade om hur många exponeringar man bör ta för bäst resultat.
Det verkade som om folk inte var helt överrens om vad som gällde angående detta.

Här säger man t.ex att längden på varje enskild exponering inte spelar så stor roll, dock att man får mer utläsningsbrus med kortade exponeringar då man antagligen har fler av dessa. Det låter ju rimligt tycker jag.

Counting photons is mathematically the same thing as counting drops of water
from a leaky faucet. If you fill a bucket and then weigh it, you will get one
answer. If you fill many teacups and then dump them into the bucket, you will
get the same answer. Viewed in this oversimplified way, it doesn't really
matter whether you take long exposures or short exposures.

BUT (there always is a "BUT"), this ignores the fact that each time you read a
CCD camera, a certain amount of noise is added. It's as if a little extra water
spattered out of the faucet every time you moved a teacup near it. In that
case, using a bigger bucket would mean fewer opportunities to capture spatters,
and therefore a more accurate answer.

Men sedan påstås detta, att om man kör med kortade exponeringar så kommer kanske inte alla innehålla den signal man är ute efter och vid stackning så kommer denna oregelbundna signal tolkas som brus. Det låter ju också rimligt, men stämmer det verkligen?

Again, this is my understanding so please correct me if I'm wrong. I think the point is that say a photon from one particular region of of faint nebula only hits the sensor once every six minutes. If you do eight minute subs, you are likely to capture photons from that part of the nebula in each sub. Deepskystacker will stack the subs and will build up the SNR for this region of the nebula. However, if you take only two minute subs, your chances of capturing photons from that region in every sub is small. As I stated below, given signal from these photons won't be captured in each sub, deepskystacker will think it's noise in the combined photo.

Här är man inne på samma linje.

For example, to image a very dim galaxy around 11th or 12th magnitude, 1
minute sub exposure may not be enough even if you stack 1000 x 1 minute
sub. How can a non-existent signal of each sub ever show up after
stacking? The solution is to raise the sub-exposure. What's the maximum
sub-exposure? That depends on amount of light pollution in your area.
The worse the light pollution the shorter the sub-exposure.

Men sedan kommer detta svar att även om du inte fångar signal i alla exponeringar så kommer den att framträda tillslut ändå.

The answer to your comment is "statistics". It's true that when your exposure
times are short, most of your subs won't receive any photons. But every now and
then a sub will get an extra dose of photons. On the average, these subs will
all add up to the right number of photons. It's just like my teacup analogy.
If the faucet drips slowly, some teacups will be empty. But the faucet does
keep dripping, and as long as you keep the teacups at the ready, they will catch
all the drops.

Då påstår man att liknelsen inte stämmer efter som datat inte summeras utan beräknas via medelvärde (stämmer den tolkningen?)

The fallacy in the teacup example is that the data is averaged not summed.

Men här säger man dock att metoderna gör samma sak i princip, och att det i slutändan är nivån på utläsningsbruset som avgör hur långa/många exponeringar man kan ta.

An average and a sum are mathematically the same thing except for the minor
inconvenience of dividing one by a constant to get the other. The only time this
doesn't work is if the faucet is leaking so fast that the bucket overflows.
Then you have to use the teacup approach. But as long as you are photographing
a dim astronomical target with a decent camera, this isn't an issue. Then it
comes down to how much readout noise you are willing to tolerate.

Jag blir lite förvirrad för jag tycker båda argumenten verkar rimliga.
Hur blir det egentligen när man stackar exponeringar, om man har signal i säg varannan exponering, kommer man få samma resultat om man tar 20 sådana bilder som om man skulle tagit 10 bilder där signalen är med i varje exponering, eller kommer signalen tolkas som brus och tas bort?

Sen undrar jag lite om brus och SNR (Signal to Noise Ratio)
Följande påstående fick mig att undra lite.

The random noise is reduced in proportion to the inverse of the square root of the number of frames. So, four frames yields 1/2 the random noise; nine frames, 1/3; sixteen frames, 1/4; 25 frames, 1/5; and so forth. Usually the reduction beyond about 25 is not worth the trouble

Det betyder alltså att ju fler exponeringar man stackar desto minde effekt får varje enskild bild för slutresultatet, och att man måste ta hiskeligt många bilder tillslut för att minska ned bruset ytterligare. Stämmer den tolkningen?
Stackning minskar ju bruset och ökar SNR, men vilken påverkan har exponeringstiden? Ökar man tiden så får man ju mer signal, men också mer brus från bakgrunden vilket borde betyda att SNR förblir densamma, eller? Kan man genom att ändra exponeringstid ändra SNR för enstaka exponeringar?

Lite luddigt är detta tycker jag, och hoppas att någon kan reda ut vad det är som stämmer.

Mvh
Daniel

Jag skulle säga att den första killen har rätt, citat 1, 4, 6 och 7. Finns det fotoner i en viss region som inte är brus kommer den fram så småningom med tillräckligt lång exponeringstid oavsett hur man delar upp exponeringarna, men med den reservationen att utläsningsbruset blir högre med flera korta exponeringar. Bruset ska minska med kvadratroten ur tiden, så det har egentligen inte något med antalet delbilder att göra utan mer med den sammanlagda exponeringstiden. Sen är det ju andra saker som begränsar att man inte kan ta hur långa exponeringar som helst, som guidningen eller att andra delar av bilden blir för mättad.

Håller med TomasK här. Det enda undantaget är de exponeringar eller delar av bilder där man har större signalbrus (s.k. fotonbrus) än det kombinerade mörkströmsignalbruset + utläsningsbruset. Även här hjälper stackning men man kan ändå aldrig hamna på rätt sida av signal/brusförhållandet om man börjar på fel sida. Dock så händer det bara om man klantar sig med hur man lägger upp exponeringarna eller ev i områden med extremt låg signal.

Hur blir det egentligen när man stackar exponeringar, om man har signal i säg varannan exponering, kommer man få samma resultat om man tar 20 sådana bilder som om man skulle tagit 10 bilder där signalen är med i varje exponering, eller kommer signalen tolkas som brus och tas bort?

Det beror på vilken metod du använder för att stacka, om du använder aritmetisk (ren addition), sigma-clipping eller min-max rejection och så vidare. För ren addition så kommer signalen att komma fram men om du använder sigma-clipping så kan den försvinna, beroende på hur du ställer in villkoren för clipping.

Signal-brusförhållandet ges av CCD-ekvationen:

Där N* är antalet detekterade fotoner som kommer från objektet, n_pix är antalet pixlar man ska kolla S/N för, N_S är antalet fotoner från himmelsbakgrunden, N_D är antalet elektroner från dark current och N_R är utläsningsbruset i elektroner.

Alltså borde det vara bäst att ta så långa exponeringar som möjligt för att slippa utläsningsbruset. Dock förutsatt att dark current är linjär i tiden och att kameran har tillräckligt stort dynamisk omfång så att bilden inte mättas.

Tack för svaren. Tror jag känner mig lite klokare.
Så även fast man kan få ungefär samma resultat med kortare exponeringar så är det mer fördelaktigt att köra på längre för att man då får mindre utläsningsbrus.
Men hur mycket påverkar utläsningsbruset egentligen? Det mesta bruset kommer väl ändå från bakgrunden?

Ett ytterligare inlägg i debatten: Kan nog tänka mig att det finns en undre tröskel (pga offsetter mm) som man måste över som säkert är specifik för en visst chip/kamera och kanske också varierar mellan pixlarna. Tror inte det är bra att ligga och jobba i denna region, dvs jag tror man kan förlora på att ha en helt svart bakgrund på enskilda bilder innan man stackar. Men det är bara tankar, har inte provat..

/Magnus

Edit: Men det kanske man kan se som utläsningsbrus som sas tidigare..

Det finns igentligen inget som heter bakgrundsbrus, det är bara att de delar av bilden som har lite signal är känsligare både för signalbrus och annat brus då det viktiga är signal/brusförhållandet (vilket i princip är per pixel). De relativt "brusfria" ljusa delarna i en bild har faktisk alltid mer brus än de mörka delarna. De flesta bruskällor i astronomin är poissonfördelade statistiska processer så om signalen ökar med en faktor N så ökar bruset med roten ur N. Resultatet blir då att de signalrika delarna har bättre S/B förhållande.

Man kan se det som om man i grunden så bara har signalbrus och utläsningsbrus men om man kalibrerar med bias, darks och/eller flats så introducerar varje sådan subtraktion eller division (i.f. flats) nya bruskällor. Bland det dummaste man kan göra är att sabba allt arbete som ligger bakom en brusfri bild med för brusiga bias, darks och flats. Med det menar jag inte att det är dåligt att kalibrera bilderna utan att man måste se till att kalibreringsbilderna är lika brusfria som grunddatat.

Utläsningsbrus kan definitivt sabba en bild, som ett extremt exempel så testa t.ex att ta 3600 ensekundare på en galax mot att ta en timme med 5-20 minuters exponeringar.

glappkaeft wrote:Det finns igentligen inget som heter bakgrundsbrus, det är bara att de delar av bilden som har lite signal är känsligare både för signalbrus och annat brus då det viktiga är signal/brusförhållandet (vilket i princip är per pixel). De relativt "brusfria" ljusa delarna i en bild har faktisk alltid mer brus än de mörka delarna. De flesta bruskällor i astronomin är poissonfördelade statistiska processer så om signalen ökar med en faktor N så ökar bruset med roten ur N. Resultatet blir då att de signalrika delarna har bättre S/B förhållande.

Man kan se det som om man i grunden så bara har signalbrus och utläsningsbrus men om man kalibrerar med bias, darks och/eller flats så introducerar varje sådan subtraktion eller division (i.f. flats) nya bruskällor. Bland det dummaste man kan göra är att sabba allt arbete som ligger bakom en brusfri bild med för brusiga bias, darks och flats. Med det menar jag inte att det är dåligt att kalibrera bilderna utan att man måste se till att kalibreringsbilderna är lika brusfria som grunddatat.

Utläsningsbrus kan definitivt sabba en bild, som ett extremt exempel så testa t.ex att ta 3600 ensekundare på en galax mot att ta en timme med 5-20 minuters exponeringar.

Ok, jag tror jag hänger med.
Det kommer väl alltid vara en viss mängd brus i de kalibreringsbilder man tar antar jag, men t.ex hur många darks bör man minst ta för att det skall vara värt att kalibrera med dem? Om jag bara tar säg 4 darks så kommer kanske mer brus tillföras mina bilder än vad de tar bort, eller?
Och utläsningsbrus, hur stor skillnad gör det om man som jag nu senast tar 3 minutersexponeringar istället för 5 minuter?
I mitt fall hade jag 39 bilder att stacka, men om jag hade tagit samma totala tid fast med 5 minuter då hade jag fått ihop 23 exponeringar.
Så genom att stacka 39 bilder får jag bättre SNR men tillför mer utläsningsbrus. Skulle det extra utläsningsbruset märkas i det här fallet tro?

Frazze wrote:Det kommer väl alltid vara en viss mängd brus i de kalibreringsbilder man tar antar jag, men t.ex hur många darks bör man minst ta för att det skall vara värt att kalibrera med dem? Om jag bara tar säg 4 darks så kommer kanske mer brus tillföras mina bilder än vad de tar bort, eller

Jag kommer att vara jättepetig i detta inlägg med vad jag kallar signal och brus. Anledningen är att är att signaler och brus beter sig väldigt olika och det slarvas nästan jämt med detta (undertecknad inkluderad). Den stora skillnaden är att man kan bli av med störande signaler genom att subtrahera(darks/bias)/dividera(flats) kalibreringsbilder medans brus bara kan reduceras med hjälp av stackning/exponeringstid. På samma sätt kommer jag skilja på brus (mängden/amplituden brus) och signal/brus-förhållande (vad som ser "brusigt ut").

Kalibreringsbilder tar aldrig bort något brus (tvärtom de ökar bruset - se nedan) utan de tar bara bort den signal som kalibreringsbilden modellerar. Du mäter en signal i kameran som består av fotonsignal, mörkströmsignal samt utläsningsignal (här struntar vi i flats eftersom de inte har något med kameran att göra men i praktiken fungerar flats likadant). Varje delsignal har sitt eget oberoende brus, d.v.s. fotonbrus, mörkströmsbrus och utläsningsbrus som adderas ihop (detta minskar det totala bruset något precis som att stacka). Bruset i den totala signalen/bilden kan vi aldrig bli av med men vi är bara igentligen intresserade av fotonsignalen så vi skulle vilja ta bort mörkströmssignalen och i mindre mån utläsningssignalen (eftersom den är konstant med tid så är den inte alls lika bökig på långa exponeringar).

För att göra detta modellerar vi mörkströmssignalen och utläsningsignalen genom att ta darks och bias/offsetbilder eller så tar vi darks med samma exponeringstid som signalexponeringarna ("lights") vilket klarar av båda på en gång. Den resulterade "master dark"-bilden är då en signal som består av mörkströms-/utläsningssignal samt ett nytt oberoende mörkströms-/utläsningsbrus. När vi då subtraherar våra darks/bias från bilden så subtraherar vi inte bara bort mörkströmsignalen/utläsningssignalen utan också deras brus. Att subtrahera brus är i praktiken samma sak som addera det. Mängden brus ökar alltså alltid av kalibrering men förhoppningsvis så vinner vi något ändå om eftersom mängden mörkströmssignal och utläsningssignal varierar per pixel och stör bilden.

Och utläsningsbrus, hur stor skillnad gör det om man som jag nu senast tar 3 minutersexponeringar istället för 5 minuter?
I mitt fall hade jag 39 bilder att stacka, men om jag hade tagit samma totala tid fast med 5 minuter då hade jag fått ihop 23 exponeringar. Så genom att stacka 39 bilder får jag bättre SNR men tillför mer utläsningsbrus. Skulle det extra utläsningsbruset märkas i det här fallet tro?

Du hade fått 3/5 så mycket utläsningsbrus, samma foton-/mörkströmssignal (och resp. -brus) samt en något sämre möjlighet att stacka bort kosmiska strålar, sateliter och andra störningar. Hur mycket skillnad det gör beror på hur mycket mörkström- och utläsningssignal din utrustning har vid det aktuella tillfället (kamerans temperatur etc) och det varierar dessutom över bilden beroende av hur mycket signal du har i de olika delarna. Bristen på signal är det som gör att bakgrunden och svaga detaljer alltid ser relativt "brusiga ut" och det är där man vinner mest med längre delexponeringar. Det är ju svårt att få ett bra S/B förhållande om man har dålig signal. I princip måste man mäta upp alla faktorer för att se vad skillnaden blir och på en DSLR kan man inte i normalfallet inte få ut en ren signal (oavsett typ av bild), t.o.m. RAW bilden har passerat genom en massa odokumenterade algoritmer, vilket gör det svårare och nog är huvudanledningen att DSLR bilder ofta har en "flammig" bakgrund.

Angående frågan om hur många kalibreringsbilder man ska ta:
* Bias/Flats - Korta exponeringar så det finns ingen anledning att inte "go nuts" och ta massor.
* Darks - beror på hur mycket mörkströmssignal man har i förhållande till fotonsignal vilket varierar beroende på utrustning, omständigheter och vad man fotar. Att ta mer darks än signal är oftast onödigt men 1/3 eller 1/2 är inte en allt för tokig tumregel.

Generellt så är det lättare att ta darks med temperaturkontrollerade kameror då det är lätt att samla på sig darks (det ändras inte så mycket på kortare tid). I UAA så tar Mats ofta darks/bias på balkongen hemma när det behövs fler/nya så att vi slipper sitta och fota darks när det är klart väder. Om man gör på det viset så kan man ju även här kräma på med antalet darks.