Długie ekspozycje z webkamery bez przeróbek

mario2005 · 2 Lutego 2006

astroccd mówisz że można w kamerce przyporządkować 1 foton=1bit ??? :wow:

dlatego filmując z czasem ekspozycji 1 sek. obiekt który wysyła jeden foton na minutę można zestackować i uzyskać mocny dobrej jakości obraz.

Tu się nie zgadzam to nie takie proste.

astroccd · 2 Lutego 2006

astroccd mówisz że można w kamerce przyporządkować 1 foton=1bit ???

Tak jest kamera Starlight Xpress ma przetwornik 16 bitowy czyli ma 65536 odcieni, pojemność piksela wynosi też około 60000 elektronów. Skąd to wiem, pierwsza rzecz to dane producenta, ale nie tylko bo samemu można to sprawdzić, przykładowo jeśli obiekt wysyła 1 foton na sekundę to ten foton nie pada równo co sekundę tylko losowo, a więc nie daje równomiernego oświetlenia powierzchni i powstaje szum. Jaki jest ten szum? Napisałem program komputerowy który losowo puszcza fotony i co się okazuje, szum to jest pierwiastek z liczby fotonów jakie padły na piksel, przykładowo warstwa grubości 4 fotonów daje szum 2, a wiec mamy stosunek sygnał szum 1:2. Warstwa 16 fotonów daje szum 4, a więc mamy stosunek sygnał szum 1:4. Jak widać zaszumiony obraz obiektu powstaje nie tylko od szumów kamery, ale od samych fotonów. Prawda jest taka że aby polepszyć jakość obrazu 2 krotnie nie wystarczy wydłużenie ekspozycji 2 krotne ale trzeba wydłużenia cztero krotnego, i tak samo jest podczas sumowania klatek.

Oczywiście jest jedno ale, kamera generuje własny szum ok. 25 elektronów, a więc jeśli mamy obiekt naświetlony do 4 elektronów którego własny szum wynosi 2 i zwiększymy czas ekspozycji 2 krotnie to obiekt zostanie naświetlony do 8 elektronów i jego szum wyniesie 2,8 a więc nadal jest dużo mniejszy od szumu kamery który wynosi 25. Tym samym dwu krotne wydłużenie czasu ekspozycji powoduje 2 krotne poprawienie stosunku sygnał szum. Ale tak jest do czasu kiedy naświetlimy obiekt do poziomu 625 elektronów, potem już szumy generowane przez obiekt są porównywalne z szumami kamery i dalsze wydłużanie czasu ekspozycji daje przyrost stosunku sygnał szum o pierwiastek z wydłużania czasu, co jest równoznaczne z przyrostem sygnału w stackowaniu.

Jak widać stackowanie jest kompatybilne z samymi fotonami i same fotony padając na detektor się stackują.

Nie wiem czemu mi nie wierzysz, jeśli na co 10 klatkę z kamery pada foton gwiazdy, a szum na każdej klatce ma 25 fotonów to podczas sumowania 10 klatek szum przyrośnie do poziomu pierwiastek(10)*25=79, a więc jest 79 razy większy od gwiazdy która dała jeden foton, czyli musimy uśrednić 79*79 partii klatek po 10 w każdej aby gwiazda miała jasność porównywalną do szumu, czyli 79*79*10=62410. Jak widać zawsze można wydobyć gwiazdę choćby dawała jeden foton na wiele klatek. Bowiem jasność gwiazdy przyrasta liniowo a szum przyrasta po pierwiastku. 4 zsumowane klatki dają wzrost szumów o czynnik 2. Zawsze ten proces będzie wolniejszy od przyrostu jasności gwiazd.

mario2005 · 3 Lutego 2006

Widzę że rozważasz problem od strony teoretycznej zwracając uwagę na oprogramowanie kamery. Nad tymi liczbami które podajesz muszę się zastanowić bo nigdy nad tym specjalnie nie myślałem. Narazie zakładam jednak że są prawidłowe bo widzę że nad tym siedziałeś nie jedną noc.

Pisząc że osiągnięcie rozdzielczości 1fotonu nie jest takie proste w zwykłych kamerkach astro miałem na myśli obserwacje doświadczalne. Swego czasu na uczelni miałem okazję przestudiować materiały dotyczące półprzewodnikowych detektorów cząstek i wiem że panowie musieli się wiele napracować aby takie urządzenia miały odpowiednią czułość. Zobacz ile się biedzili konstruktorzy detektorów dla Hubbla. Gdyby stakowanie było takim prostym rozwiązaniem napewno nie wykładali by dodatkowych milionów.

Lampka · 3 Lutego 2006

...Jak widać zawsze można wydobyć gwiazdę choćby dawała jeden foton na wiele klatek. Bowiem jasność gwiazdy przyrasta liniowo a szum przyrasta po pierwiastku. 4 zsumowane klatki dają wzrost szumów o czynnik 2. Zawsze ten proces będzie wolniejszy od przyrostu jasności gwiazd.

Czyżby to była odpowiedź twierdząca na postawione przeze mnie pytanie na początku wątku? Oczywiście cytowana wypowiedź dotyczy kamery Starlight Xpress, a nie popularnych kamerek internetowych. Ale idąc dalej tym tropem. Czy można zatem, zgodnie z cytowanym fragmentem, taką kamerą stackować dziesiątki-setki tysięcy klatek i otrzymać efekt podobny do długiej ekspozycji? Nie tak oczywiście długiej jak suma ekspozycji poszczególnych klatek.

To oczywiście problem teoretyczny, bo posiadając wspomnianą kamerę, jak mniemam, nie ma takiej potrzeby, żeby kręcić tak długie sekwencje filmów z krótkimi czasami. Poza tym takie 60000 klatek przy 30kl/s to już koło 33 minut prowadzenia. Trzeba by te wszystkie klatki jakoś wyrównać, żeby zniwelować niedoskonałości montażu.

Edytowane 3 Lutego 2006 przez Lampka

adamsz12 · 3 Lutego 2006

Poza tym takie 60000 klatek przy 30kl/s to już koło 33 minut prowadzenia. Trzeba by te wszystkie klatki jakoś wyrównać, żeby zniwelować niedoskonałości montażu.

60000 klatek to avik o rozmiarze ok 30 GB. Wyrównanie przeprowadziłby automatycznie registax pod warunkiem dobrze ustawionego montażu, tylko wątpię czy przełknie plik o takim rozmiarze.

A tak na marginesie 30 sekundowa ekspozycja na kliszy iso800 daje więcej informacji niż 6-minutowa webkamerką (1800 x 1/5 sek) dlatego sądzę że wiele krótkich ekspozycji nie wygra z jedną dlugą.

Edytowane 3 Lutego 2006 przez adamsz12

tomekL · 3 Lutego 2006

Myślę, że warto sobie przeczytać Czy 10x12 sekund to to samo co 1x120?

astroccd · 3 Lutego 2006

Czyżby to była odpowiedź twierdząca na postawione przeze mnie pytanie na początku wątku? Oczywiście cytowana wypowiedź dotyczy kamery Starlight Xpress, a nie popularnych kamerek internetowych. Ale idąc dalej tym tropem. Czy można zatem, zgodnie z cytowanym fragmentem, taką kamerą stackować dziesiątki-setki tysięcy klatek i otrzymać efekt podobny do długiej ekspozycji? Nie tak oczywiście długiej jak suma ekspozycji poszczególnych klatek.

Oczywiście podane wzory dotyczą warunków idealnych gdyby kamera generowała czysty szum biały tak jak generator szumów Astroarta, napisałem wcześniej że ograniczenia na kamerki nakłada BIAS http://www.piotrkow.net.pl/~astroccd/Dark.gif i prąd ciemny http://www.piotrkow.net.pl/~astroccd/Dark2.gif dlatego najlepiej by było odejmować czarne ramki i naświetlać gwiazdę za każdym razem na innym pikselu, problem w tym że pikseli nam zabraknie i na pewno gdzieś jest granica stackowania, bowiem BIAS i gorące piksele tworzą stały wzorek, który nie jest szumem białym, a jak wiadomo jasność stałego wzorku przyrasta liniowo tak jak liniowo przyrasta jasność gwiazdy.

Oczywiście robiąc pojedynczą długą ekspozycję nie przeszkadza nam BIAS, za to gorące piksele dużo bardziej, bo nie możemy już eliminować ich poprzez naświetlanie gwiazdy za każdym razem na innym pikselu, zatem teoretycznie możliwe że dalej byśmy zaszli stackując niemniej potrzeba na to nieporównywalnie więcej czasu, bowiem zasięg przy wydłużaniu czasu ekspozycji przyrasta liniowo, natomiast podczas stacowania przyrasta po pierwiastku. Przykładowo kamerka internetowa daje czas 1/5 sek, jeśli wydłużymy ten czas ekspozycji 100x do 20sek to do uzyskania tego samego efektu za pomocą stackowania musimy zużyć o kwadrat więcej czasu czyli 100*100*1/5sek=33 minuty.

Jeśli chcemy 1000x wydłużyć czas do 200sek to do uzyskania tego samego efektu za pomocą stackowania potrzeba 1000*1000*1/5sek=55 godzin.

Jak mówię mój poprzedni tekst dotyczył raczej tego żeby wam udowodnić że fotony same się stackują, ich niewielka liczba daje zaszumiony obraz, ale wiele takich partii fotonów pozwala uzyskać wysokiej jakości obraz. Podobny proces odbywa się w stackowaniu, ale o wiele wolniej.

adamsz12 · 3 Lutego 2006

Przykładowo kamerka internetowa daje czas 1/5 sek, jeśli wydłużymy ten czas ekspozycji 100x do 20sek to do uzyskania tego samego efektu za pomocą stackowania musimy zużyć o kwadrat więcej czasu czyli 100*100*1/5sek=33 minuty.

Poniższe jądro m42 zrobiłem przy użyciu 1800 klatek po 1/5 sek. czyli powinienem nagrać 7200 klatek aby poprawa była 2-krotna (tylko co to znaczy 2-krotna poprawa ?), W sumie jest to do zrobienia jeśli tylko registax poradzi sobie z tak dużym plikiem. Zrobię sobie taki test jak pogoda i czas pozwolą.

http://astro-forum.org/Forum/index.php?showtopic=11027

astroccd · 3 Lutego 2006

Poniższe jądro m42 zrobiłem przy użyciu 1800 klatek po 1/5 sek. czyli powinienem nagrać 7200 klatek aby poprawa była 2-krotna (tylko co to znaczy 2-krotna poprawa ?),

2x mniejszy szum. Będzie to odpowiednik 2 krotnego wydłużenia czasu ekspozycji.

astroccd · 3 Lutego 2006

Zobacz ile się biedzili konstruktorzy detektorów dla Hubbla. Gdyby stakowanie było takim prostym rozwiązaniem napewno nie wykładali by dodatkowych milionów.

Widzisz Hubble to zupełnie inna sprawa, w kosmosie tło nieba jest idealnie czarne, natomiast na Ziemi świeci, często już po kilku minutach ekspozycji naświetla się do poziomu takiego że szumy tła nieba są większe od szumów kamery, zatem stackowanie takich kilkuminutowych ekspozycji daje taki sam wzrost zasięgu jak wydłużanie czasów ekspozycji, a dodatkowo pozwala na korygowanie błędów prowadzenia czy lepsze usuwanie gorących pikseli, jak i uniknięcie prześwietlenia detektora, które nastąpi gdzieś po kilku godzinach naświetlania pojedynczej klatki.

Na ziemi nie są ważne szumy kamery tylko efektywność kwantowa. Kamery CCD mają wysoką efektywność kwantową blisko 100%, ale duże szumy ok. 25 elektronów. Natomiast dziwie się że w kosmosie używa się CCD, bowiem urządzenie o nazwie noktowizor jest w stanie łapać pojedyncze fotony. Noktowizory stosuje się na Ziemi do poprawiania czułości kamer pracujących w czasie rzeczywistym 50 klatek na sekundę, bowiem sam detektor CCD ze swoim szumem 25 elektronów ma sprawność 4%.

Oczywiście kamery z noktowizorem są przeznaczone dla wojska, bowiem trudno spodziewać się dobrej jakości obrazu złożonego z niewielkiej liczby fotonów. Wszędzie tam gdzie są potrzebne ładne obrazki stosuje się samo CCD, bowiem dopiero usypanie 65000 fotonów daje stosunek sygnał szum 1:256 co gwarantuje dobrej jakości obraz. Szumy 65000 fotonów wynoszą 256 i są większe od szumów kamery równych 25, dlatego niema sensu robić CCD rejestrujących pojedyncze fotony, przynajmniej dla fotografów, a niestety astronomowie muszą korzystać ze sprzętu wymyślonego dla fotografów.

Edytowane 3 Lutego 2006 przez astroccd