opis parametrów matrycy

[Tayson]

Musze sobie pouk ładac kilka spraw w głowie.

 

Panowie bardzo proszę w łopatologoczny sposob o pomoc w zrozumieniu ponizszych parametrow.

Co one oznaczaja i jak przeklada sie na jakosc obrazu ich mniejszenie/zwiekszenie.

Dzieki za pomoc.

 

przyklad dla KAF-8300 z tabelek QSI

1. Saturation Signal (electrons) lub  Pixel Full Well Depth --> 25.500

2. Gain(e-/ADU) --> 0.5/1.1

3. Read Noise(RMS) --> 8eˉ

4. Intrinsic Read Noise --> 8 electrons RMS

5. Dynamic Range --> 70 db

6. Charge Transfer Efficiency -->   >0.999995

7. Dark Current Doubling --> 5.8° C

8. Pixel Dark Current  -->    <0.02 electrons per second at -10°C

9. ADU to analog-to-digital-units czy astronomical data unit

10. Czy ADU oznacza 1elektron na 1 pixel na 1 sekunde?

 

AD7

Czy dobrze rozumiem, ze przy zmianie temp o 5,8C podwaja sie wartosc ciemnego prądu (wyrasta podwojnie zaszumienie biasa)?

 

AD8

Czy dobrze rozumieme, ze przy temp -10C jeden pixel w ciagu sekundy wypelnia sie <0,02 elektronami.

Szybko liczac, ze po np 20min mamy w pixelu ok 20 elektronow szumu. To duzo, czy mało? 

 

Edytowane 9 Stycznia 2019 przez Tayson

[Krzychoo226]

7. Pewien nie jestem, ale tak by podpowiadała logika,

8. tak masz racje, natomiast czy to dużo czy mało? Póki prąd ciemny nie przekracza szumu odczytu to jest to niezauważalne dla kamery. Gdy przekracza to... Należy się zastanowić jak te 44ADU maja się do wartości tła

Rozumie, że resztę wiesz.

[Tayson]

22 minuty temu, Krzychoo226 napisał:

 44ADU maja się do wartości tła

Rozumie, że resztę wiesz.

dlaczego 44ADU? Jak to wyliczyles?

 

22 minuty temu, Krzychoo226 napisał:

Rozumie, że resztę wiesz.

Oczywiscie, ze nie wiem.

[Pav1007]

46 minut temu, Tayson napisał:

Jak to wyliczyles?

Ponieważ zgodnie z gainem - 0.5e- daje 1.1ADU czli przy 20e- masz 44ADU

 

 

AD9

ADU to Analog Digital Unit

 

AD1

Jest to pojemność piksela czyli ile e- jest w stanie zmagazynować

 

AD2

Jest to informacja ile e- zamienia się w ADU. Unity gain w CMOSach jest to 1e-/ADU. Jeśli masz wartość np 5e- na ADU to powstaje tzw błąd kwantyzacji czyli jeżeli masz piksele z wartością 2e-, 3e-, 1e-, 5e- to wszystkie będą miały tą samą wartość ADU (zanikają przejścia tonalne).

 

AD3

Szum odczytu jest to szum który dodawany jest w trakcie odczytu danych (przez przetwornik analogowy cyfrowy)

 

AD10

nie

 

nad resztą się nie doktoryzowałem :-)

[Sebo_b]

9. ADU to analog-to-digital-units czy astronomical data unit

10. Czy ADU oznacza 1elektron na 1 pixel na 1 sekunde?

 

ADU to jest zmiana o jeden bit z przetwornika analogowo cyfrowego. Czyli np przy przetworniku 16-bit będziesz miał 65 536 ADU

 

1. Saturation Signal (electrons) lub  Pixel Full Well Depth --> 25.500

 

To oznacza, że w jednym pikselu mieści się 25 500 elektronów. 

 

2. Gain(e-/ADU) --> 0.5/1.1

 

Wzmocnienie przed przetwornikiem analogowo-cyfrowym, tutaj 0.5e- / 1.1 ADU. I jak teraz popatrzysz na poprzednie odpowiedzi: masz 25.500 e- FW, jak wypełnisz studnię elektronami po brzegi to przy takim gainie dostaniesz 25.500 e- * 1.1 ADU / 0.5 e- = 56 100 ADU (czyli prawie 16 bitów, więc gain dobrany odpowiednio).

 

3. Read Noise(RMS) --> 8eˉ

 

RMS to w uproszczeniu średnia, a jest to szum odczytu. Przy każdym odczycie średnio dojdzie Ci 8e- szumu.

 

4. Intrinsic Read Noise --> 8 electrons RMS

 

Musiałbyś poczytać EMBA1288 żeby sprawdzić czym dokładnie różni się intrinsic or read noise.

 

5. Dynamic Range --> 70 db

 

Jest to stosunek sygnału do szumu, ale bez uwzględnienia szumu fotonowego i elektronowego (które zgodnie z rozkładem Poisona mają RMS=sqrt(sygnału)). Im lepszy DR tym lepiej.

 

Jest to parametr pochodny w stosunku do tych powyżej. Obliczmy: DR = 20*log( sygnał / szum) = 20*log( 25500 / 8) = 70dB

 

6. Charge Transfer Efficiency -->   >0.999995

 

W CCD energia jest przekazywana z piksela do pixela i na końcu przetwarzana przez jedno ADC (w CMOSie jest inaczej). Tutaj jest efektywność przekazywania energii pomiędzy komórkami.

 

Więc jeśli będziesz czytał pixel po przeciwnej stronie matrycy od przetwornika, to energia będzie musiała przebyć 3358+2536 = 5894 komórek. Efektywność wyniesie wtedy 0.999995^5894 = 0.97 = 97%. Więc przy pełnej studni stracisz 25500 * 0.03 = 765 elektronów sygnału.

 

7. Dark Current Doubling --> 5.8° C

Czy dobrze rozumiem, ze przy zmianie temp o 5,8C podwaja sie wartosc ciemnego prądu (wyrasta podwojnie zaszumienie biasa)?

 

Dark current to np. (głównie) szum termiczny, to nie bias który jest szumem elektroniki. Oprócz tego moim zdaniem dobrze rozumiesz, że szum ten podwaja się przy wzroście o  5.8° C.

 

8. Pixel Dark Current  -->    <0.02 electrons per second at -10°C

 

AD8

Czy dobrze rozumieme, ze przy temp -10C jeden pixel w ciagu sekundy wypelnia sie <0,02 elektronami.

Szybko liczac, ze po np 20min mamy w pixelu ok 20 elektronow szumu. To duzo, czy mało? 

 

A czy 50 tys. złotych to dużo czy mało? To zależy czy za pizze czy za mieszkanie w centrum Warszawy  A na poważnie, to zależy ile zbierzesz sygnału w tym czasie i należy porównać to do innych sensorów. Można tutaj policzyć stosunek sygnału do szumu, czyli (w uproszczeniu):

 

SNR = 20*log( sygnał / sqrt( sygnał + RN^2 + DN^2))

 

gdzie:

- sygnał - wpisz w e- ile zbierzesz, np 10% FW = 0.1 * 25500

- sygnał w mianowniku to szum fotonowy

- RN to read noise - tutaj 8e-

- DN to dark current, tutaj 20e-

 

Dla wspomnianych wyżej 10%, SNR = 33.34dB. 

 

[Sebo_b]

47 minutes ago, Tayson said:

1 hour ago, Krzychoo226 said:

 44ADU maja się do wartości tła

Rozumie, że resztę wiesz.

dlaczego 44ADU? Jak to wyliczyles?

 

20 e- * 1.1 ADU / 0.5 e- = 44 ADU

[Sebo_b]

1 hour ago, Tayson said:

jak przeklada sie na jakosc obrazu ich mniejszenie/zwiekszenie

1. Saturation Signal (electrons) lub  Pixel Full Well Depth --> 25.500

 

Im większa studnia tym ogólnie lepiej, bo zapisze się zarówno sygnał słaby jak i nie prześwietli (nie przeleje) sygnał mocny.

 

2. Gain(e-/ADU) --> 0.5/1.1

 

Gain to tylko wzmocnienie, jako sam parametr nie ma wpływu na jakość obrazu. W CCD przetwornik jest bardziej rozdzielczy niż studnia, więc zwykle nie ma sensu zmieniać gainu - dlatego jest na stałe. W CMOSie jest odwrotnie, przetwornik np 12-bit = 4096 a studnia 15 000 e-, dlatego zmiana gainu jest przydatna.

 

3. Read Noise(RMS) --> 8eˉ

 

Im mniej tym lepiej. Jednak parametr nie ma znaczenia w oderwaniu, trzeba go rozpatrywać w stosunku do sygnału (FW).

 

4. Intrinsic Read Noise --> 8 electrons RMS

 

j.w.

 

5. Dynamic Range --> 70 db

 

Im więcej tym lepiej. 

 

6. Charge Transfer Efficiency -->   >0.999995

 

Im więcej tym lepiej.

 

 

[Tayson]

29 minut temu, Sebo_b napisał:

 

20 e- * 1.1 ADU / 0.5 e- = 44 ADU

po polsku

po uderzeniu w matryce 20fotonow matryca odczytuje to jako 20 analogowych elektronow. Następnie matryca wprowadza wzmocnienie 1.1 co daje wynik 22 fotonow, ale dla tej matrycy 0,5elektrona=1ADU, wiec 22elektrony daja 44ADU.

tak?

 

biorac pod uwage ze BIASY mam na poziomie chyba 500ADU, to powyzsze 40kilka nie ma wielkiego znaczenia.

Edytowane 9 Stycznia 2019 przez Tayson

[Sebo_b]

Hmm... więc tak, szum można podzielić też na 2 grupy:

1. Szum zawsze losowy - czyli co klatka wygląda inaczej. Do takiego szumu należą np:

- szum fotonowy (sam strumień fotonów nie jest jednorodny)

- szum elektronów w studni (to samo co dla fotonów tylko dla elektronów)

- szum wzmacniacza (ten co robi gain),

- szum przetwornika analogowo-cyfrowego

 

2. Szum dość powtarzalny - czyli co klatka wygląda bardzo podobnie, np:

- szum samej elektroniki (bias)

- dark current - czyli dodatkowe elektrony pojawiające się w studni, na ten szum głównie wpływa temperatura otoczenia, elektroniki, etc

- "szum" optyki - czyli winieta, paprochy, refleksy - jeśli ogólnie potraktować je jako szum.

 

Jak nietrudno zauważyć, lepiej mieć szum z drugiej kategorii, a nie pierwszej. Szum z pierwszej kategorii usuwasz przez ilość subframów, bo skoro jest losowy to uśredniając (średnią, medianą, itd) klatki wzmacniasz to co stałe, a osłabiasz to co na tych klatkach się zmienia. Szum z drugiej kategorii usuwasz klatkami kalibracyjnymi (czyli biasy, darki i flaty).

 

No i teraz dlaczego o tym piszę, bo w zależności o którym szumie mówimy co innego znaczy czy to dużo czy mało. Jeśli masz pojedynczą klatkę ze średnim poziomem sygnału na piksel np 20 000 ADU a do tego łączny szum1 = 10ADU tzn że efektywnie masz tylko 20 000 / 10 = 2 000 ADU informacji (ktoś się kiedyś ze mną tutaj kłócił na forum, że tak nie jest - ale niestety tak jest). I analogicznie, jeśli miałbyś tylko szum2 = 10ADU to możesz powiedzieć w uproszczeniu, że masz aż 20 000 - 10 = 19 990 ADU informacji. Oczywiście szum2 też nie jest w 100% stały, tylko trochę pływa - więc jest to uproszczenie.

 

Jeśli darki mają 44 ADU a bias jest na poziomie 400ADU (na piksel), to rzeczywiście te 44 ADU są pomijalne, szczególnie, że to ta sama kategoria szumu.

 

Trochę pokręciłeś z tymi fotonami - zaraz napiszę krok po kroku jak to w uproszczeniu działa. 

Edytowane 9 Stycznia 2019 przez Sebo_b

[Sebo_b]

Spróbuję opisać "big picture", może @Tayson Ci się to wszystko sklei "do kupy". Niestety bez obrazków i nie gwarantuje, że hiper-poprawnie:

1. Wiązka fotonów pada na półprzewodnikowy element światłoczuły, zachodzi zjawosko fotoelektryczne, czyli fotony są zamieniane na elektrony. Efektywność tego procesu określa parametr QE (quantum efficiency / efektywność kwantowa). QE jest w procentach, czyli gdy QE=80% tzn że ze 100 fotonów otrzymamy 80 elektronów.
   1. CCD ma zwykle mniejsze QE niż CMOS.
   2. Fotony mają w sobie szum fotonowy (shot noise), to ich właściwość fizyczna, a nie ograniczenie techniczne. Szum ten ma rozkład Poisona, więc jego RMS = SQRT(sygnału).
       
2. Elektrony są magazynowane w kondensatorze, wielkość tego kondensatora to FW (full well, potocznie studnia). FW jest określane w możliwej do zmagazynowanie ilości elektronów (e-). Jeśli studnia się przepełni to po pierwsze przepalamy partie obrazu (ucięty histogram), po drugie elektrony rozlewają się na sąsiednie komórki (blooming).
   1. Temperatura (elektroniki, otoczenia) powoduje powstanie dodatkowych ładunków w studni (dark noise). Dark Noise podawany jest w e-, ilość takiego szumu w jednostce czasu to Dark Current, czyli DC = DN / s. W warunkach idealnych (niegrzejąca się elektronika) DN jest odpowiednikiem szumu fotonowego dla elektronów.
   2. Zwykle CCD mają większy FW niż CMOS.
   3. Im większe FW tym więcej sygnału możemy zmagazynować zanim się przeleje. Czyli np przez 20 min naświetlimy mgławicę, a gwiazdy wciąż nie będą białymi plackami.
       
3. CCD: w CCD występuje jeden wzmacniacz i jeden przetwornik analogowo-cyfrowy (dlatego jest zwykle lepszej jakości niż w CMOS). Elektrony są transportowane pomiędzy pikselami (np. najpierw do boku, później w dól) i trafiają do wzmacniacza. Efektywność przekazywania elektronów pomiędzy komórkami to  Charge Transfer Efficiency. Jeśli przy  przesyłaniu elektronów sumujemy sąsiednie komórki - jest to binning, zwiększamy dzięki temu ilość sygnału do szumu kosztem rozdzielczości.
   
   CMOS: w CMOS każdy z pikseli ma swój wzmacniacz i przetwornik (dlatego są one zwykle jakościowo gorsze, i wg. doświadczenia/wypowiedzi kolegi @wessel ich szum jest mniej jednorodny niż w CCD więc i brzydszy na fotografii). Sygnał w pikselu trafia bezpośrednio na wzmacniacz - w pikselu. Każdy piksel może być odczytywany równolegle, więc nie ma sprzętowego binningu, jest software'owy w driverze, ale taki nie ma zwykle sensu (lepiej zrobić downscale w programie graficznym).
    
4. Wzmocnienie określa się w e- / ADU (jest to pewien skrót, bo pokazuje już ile ADU zostanie wytworzone w ADC z ilu elektronów), albo w dB (w asi gain to 0.1 dB, czyli gain 100 = 10db, gain 200 = 20dB, etc).
   1. Wzmacniacz wprowadza swój szum (amplifier noise - zwykle nie podawany w specyfikacji).
   2. (mogę rozwinąć dlaczego jeśli ktoś jest zainteresowany) CCD mają zwykle gain ustawiony na stałe, w CMOS można go regulować.
       
5. Ze wzmacniacza sygnał trafia do przetwornika analogowo-cyfrowego. Głównym parametrem przetwornika jest ilość bitów, czyli ilość poziomów cyfrowych jakie taki przetwornik potrafi wyprodukować. 12-bit = 4096, 16 bit = 65 536.
   1. CCD ma jeden przetwornik, jest on zwykle lepszy niż w CMOS (np. 16 bitowy). CMOS ma tysiące przetworników (po jednym na piksel), więc zwykle są one gorsze niż w CCD (12 bit).
   2. Gdy wzmocnienie jest takie, że potrzeba kilku elektronów na jedno ADU, występuje błąd kwantyzacji. Np gdy mamy 4e- / ADU wartości 3,4,5,6 e- = 1 ADU.
   3. Sam przetwornik też wprowadza swój szum (zwykle nie podawany w specyfikacji).
   4. Im większa rozdzielczość przetwornika, tym lepiej (uzyskamy większą rozpiętość tonalną).
       
6. W CCD jest czytany piksel po pikselu, linia po linii. W CMOSie mogą być czytane nawet wszystkie na raz (global shutter). Odczyt sygnału powoduje rozładowanie wspomnianego kondensatora, więc mamy do czynienia z cyfrową migawką.
   1. W specyfikacji mamy zwykle podany łączny szum układu przy odczytywaniu wartości piksela (wzmacniacza, przetwornika, elektroniki) jako szum odczytu (Read Noise). Poszczególne szumy nie są często specyfikowane. CMOS ma zwykle dużo mniejszy łączny szum odczytu niż CCD.
   2. Stały szum elektroniki określany jest jako bias.
   3. Im mniejszy szum tym lepiej.

 

Tyle, ale jeśli ktoś jest zainteresowany jak technicznie wyglądają parametry "wtórne" jak SNR czy DR, dlaczego RN maleje wraz ze wzrostem gaina, co to jest unity gain, jak to wszystko policzyć - to proszę pisać. Wtedy (i tylko wtedy) postaram się rozwinąć te tematy. Jeśli napisałem jakieś bzdury - konstruktywna krytyka mile widziana.

Edytowane 9 Stycznia 2019 przez Sebo_b

[Sebo_b]

8 hours ago, Tayson said:

po polsku

po uderzeniu w matryce 20fotonow matryca odczytuje to jako 20 analogowych elektronow. Następnie matryca wprowadza wzmocnienie 1.1 co daje wynik 22 fotonow, ale dla tej matrycy 0,5elektrona=1ADU, wiec 22elektrony daja 44ADU.

tak?

 

8 hours ago, Sebo_b said:

Czy dobrze rozumieme, ze przy temp -10C jeden pixel w ciagu sekundy wypelnia sie <0,02 elektronami.

Szybko liczac, ze po np 20min mamy w pixelu ok 20 elektronow szumu. To duzo, czy mało? 

 

Załóżmy, że na matrycę nie trafiają żadne fotony (robisz darki). Przez 20 min w studni powstanie (od temperatury) 20 elektronów. Wzmocnienie to 0.5 e- / 1.1 ADU, czyli (przekształcając) z jednego elektrona zostanie wyprodukowane 1.1 ADU / 0.5 e- (<- to jest gain, odwrócony)  = 2.2 ADU/e-. Więc twoje termicznie wyprodukowane 20 elektronów zamieni się na 20 * 2.2 = 44 ADU.

 

Jeśli na piksel padnie 20 fotonów, to przy QE=85% powstanie 17 elektronów. Te 17 elektronów zostanie wzmocnione i wytworzy 17 * 2.2 = 37 ADU.

 

[Tayson]

Super dzięki!

 

Podobny tekst widziałem u Jolo. 

https://www.forumastronomiczne.pl/index.php?/topic/10816-zestaw-astrofoto-od-podszewki/&amp;do=findComment&amp;comment=144154 

Również cos kolo tego widziałem kiedyś w necie w wersji EN, ale nie miałem czasu się zgłębiać i 2lata temu nie byłem jeszcze na tyle tego wszystkiego świadomym. 

[Sebo_b]

2 minutes ago, Tayson said:

Podobny tekst widziałem u Jolo. 

O nie czytałem tego jeszcze (douczałem się z anglojęzycznych forów, polecam wypowiedzi Jona Risty), dzięki - na pewno przeczytam.

 

A jeśli coś jest jeszcze niejasne - to śmiało wal!

[kubaman]

8 godzin temu, Sebo_b napisał:

Tyle, ale jeśli ktoś jest zainteresowany jak technicznie wyglądają parametry "wtórne" jak SNR czy DR, dlaczego RN maleje wraz ze wzrostem gaina, co to jest unity gain, jak to wszystko policzyć - to proszę pisać. Wtedy (i tylko wtedy) postaram się rozwinąć te tematy. Jeśli napisałem jakieś bzdury - konstruktywna krytyka mile widziana.

No to ja proszę, opisz wszystkie tematu które tu podałes po kolei i jesli możesz równie szczegółowo jak powyżej opisałeś mechanizm odczytu i konwersji do zapisu. Wyjątkowo dobrze to tłumaczysz, łatwo się wizualizuje. Nie upraszczaj plz