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A proposito del rumore nelle immagini digitali

La nuova frontiera. Parliamo di questi sofisticati strumenti e di come hanno cambiato il mondo dell'astrofotografia.

Messaggioda Pering » 6 apr 2012, 12:49

Riprendo la discussione OT dell'argomento:http://quasar.teoth.it/forums/viewtopic.php?f=13&t=2369, cercando di sintetizzarne il contenuto prima di andare avanti.
io presentai dei risultati sul rumore riscontrato su immagini bias di vari ccd espresso in ADU
st 8xME 4.85
st 8300 26.29
stl 11000 15.14
sxv h9 22.72
314L 22.48

Paolo precisò che detti valori dovevano essere moltiplicati per il guadagno per corrispondere a rumore espresso in elettroni, e quindi stravolgendo la graduatoria da me formata.
H9 10.1 e-
ST-8XME 11.1 e-
STL-11000 12.3 e-
ST 8300 abbiamo 9.7 e-
314L 6 e-.
Ora la domanda è questa: è giusto pensare che la stl 11000 ha il doppio del rumore di una 314L? o quando si parla di rumore è meglio riferirsi agli ADU?
Dal prof. ho ricevuto una risposta in questo senso:

"Supponi invece di avere una webcam che ha un rumore in elettroni di 9, ma un guadagno di 0.2, ti ritrovi che i valori dei tuoi pixel oscillano di 45"
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Messaggioda alexconte » 6 apr 2012, 14:23

Magari dico una scioccezza ma la dico lo stesso :)

Ho trovato questo piccolo lavoro, in rete:
http://www.astro.umd.edu/~veilleux/ASTR ... theory.pdf

Interessante il metodo usato per ricavare il read-out noise (paragrafo 1.1), però forse di difficile implementazione, nel nostro caso. Tramite il metodo sperimentale illustrato si ricava, alla fine, il read-out noise sia espresso in ADU che in elettroni.

Può essere di ausilio per la discussione ?

Un salutone,
A.
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Messaggioda gdicarlo » 6 apr 2012, 16:28

... e infatti nell'ultimo capoverso di dice che per confrontare
due ccd devi confrontare i numeri in elettroni... (non del tutto
corretto secondo me, ma sempre meglio che gli adu!!!)

ciao ciao g.
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Messaggioda alexconte » 6 apr 2012, 16:53

esatto ;)
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Messaggioda Pering » 6 apr 2012, 19:03

Non ci siamo capiti sulla definizione di rumore di una immagine digitale, io intendo rumore ciò che è aleatorio, quindi definisco rumore di una immagine digitale la deviazione standard della differenza tra due immagini diviso la radice quadrata di 2.

Ora senza sapere da che ccd o cmos sia uscita l'immagine, se il valore di luminanza è a 16 bit o a 8 bit, faccio la differenza calcolo la deviazione standard e divido per la radice quadrata di 2.

In sostanza assaggio il panino e dico se è buono, non vado in giro a chiedere di che tipo è la farina usata, il lievito, come si chiamava il maiale che è si è immolato per fare la mortadella e via discorrendo.

Lo so l'argomento è ostico, forse più per me che per voi, però vi chiedo solo di riflettere e poi comunicarmi il vostro parere senza farvi influenzare dalla letteratura consolidata, se no come potremmo andare avanti?
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Messaggioda gdicarlo » 7 apr 2012, 12:54

scusa, ma a me sembra che la confusione l'hai generata tu...
se parliamo di rumore nelle immagini poi non puoi farmi i
confronti tra i sensori...

i confronti fra i sensori si fanno in termini di elettroni

i confronti fra le immagini finali si fanno in termini di
(fluttuazioni delle) intensita' dei pixel (a parita' di
funzioni di stretching ecc...)

a parte come si misura, a me non e' chiaro cosa ti interessa,
ossia quale e' lo scopo finale dei confronti. forse se ripartiamo
da questo possiamo andare avanti capendoci...

ciao ciao g.

p.s. in ogni caso prima di fare operazioni matematiche tipo
"deviazione standard della differenza tra due immagini diviso la radice
quadrata di 2" bisogna assicurarsi che la funzione di distribuzione
della probabilita' della grandezza in esame sia effettivamente gaussiana
o perlomeno sia distribuita in modo da rendere calcolabile e sensata
la deviazione standard. potrei elencarti casi di distribuzioni apparentemente
ragionevoli (ad occhio) e con secondo momento divergente...
ed anche dopo essersi assicurato di cio': sei sicuro che nella tua deviazione
standard ci sia solo il contributo aleatorio?? ad es. un pattern di rumore
strutturato ha anche una componente sistematica, che aleatoria non e'...
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Messaggioda Paolo » 7 apr 2012, 13:18

Topic per soli "tafazziani", le persone normali si tengano alla larga... ;)

Edo, la ST-8 deve per forza abbassare le fluttuazioni sul frame (ADU) ai valori che hai rilevato perche' altrimenti non riesce a mettere in 65536 livelli (16 bit) quella tonnellata di elettroni che puo' contenere un pixel (FWC ~ 100000 e-). Ma questo non significa che ha un rumore di lettura piu' basso, anzi (un gain basso minimizza il rumore, nella ST-8 e' piuttosto alto ). Il rumore intrinseco della camera non e' quello che vedi sugli ADU. Altrimenti prendi i tuoi bias e dividi per 10 i valori di tutti i pixel, vedrai come abbassi drasticamente il rumore!

Spero di aver interpretato bene il titolo del topic, nel senso che possiamo parlare del rumore complessivo nelle immagini digitali. Parliamone ma eviterei di fossilizzarci sul rumore di lettura. Inoltre teniamo sempre conto che la previsione quantitativa esatta del rumore e' difficilissima. Una previsione approssimata o qualitativa invece e' fattibile e fornisce senz'altro utili informazioni per noi astrofili.

A camera tappata e tempo di esposizione zero c'e' solo il bias frame. Da questo si tirano fuori diverse informazioni tra cui la piu' interessante e' il rumore di lettura. Questo si misura con buona approssimazione in elettroni RMS (non in ADU a cui e' legato dal guadagno del preamplificatore) ed e' possibile fare una stima (anche del gain) sulla base di una serie di bias frames. In ogni caso gain e rumore di lettura sono caratteristiche note nelle specifiche della camera CCD.

Ad esempio, per le camere considerate nel topic i costruttori dichiarano il seguente rumore di lettura in e- RMS:

314L ~4e-
SXV-H9 < 7 e-
ST-8300 ~10e-
STL-11000 13e-
ST-8XME 15e-

Capisco che i costruttori possano un po' "giocare al ribasso" con il read noise dei loro prodotti, che ci puo' essere una certa differenza nelle prestazioni tra i vari modelli e capisco pure la curiosita' di chi ha acquistato una costosa camera digitale di voler stimare i dati reali. Quindi benvengano eventuali test affidandosi pero' ai giusti parametri (direi i meno sbagliati...) per evitare di incappare in stime errate. I numeri visti danno un'idea di come i risultati possano essere fuorvianti (la graduatoria su base ADU e' sbagliata).

Come incide nelle nostre immagini il rumore di lettura? Tutti i valori delle camere considerate sono relativamente bassi e il read noise non rappresenta il rumore dominante in esposizioni singole di una certa durata, specie in presenza di inquinamento luminoso (il rumore associato e' di solito molto maggiore). Operando da cieli poco inquinati oppure lavorando con filtri a banda stretta il fondo cielo si mantiene a livelli molto bassi e le sue fluttuazioni cominciano ad essere della stessa entita' (se non minore) del rumore di lettura se le singole esposizioni non sono sufficientemente lunghe. Sommandone un certo numero il contributo del rumore di lettura puo' essere sostanzioso e deteriorante della qualita' finale dell'immagine.

Da qui la capacita' di accorciare le subesposizioni. Una camera con basso read noise consente di lavorare con subpose piu' brevi rispetto ad una camera con read noise maggiore. Il tutto a parita' di risultati.

Parlando del rumore nelle nostre immagini, contribuiscono almeno:

1) rumore di lettura
2) rumore termico
3) rumore associato al fondo cielo
4) rumore di sorgente (fotonico, secondo distribuzione di Poisson)

Facendo una serie di considerazioni si puo' giungere ad una formula, sicuramente molto (ma molto) approssimata, ma interessante ed applicabile alle nostre riprese digitali:

SNR.gif
SNR.gif (3.38 KiB) Osservato 1636 volte

dove:

SNR e' il rapporto segnale/rumore per pixel
t e' il tempo in minuti
Sorg e' il flusso della sorgente espresso in elettroni/pixel/minuto
Cielo e' il flusso della luminescenza del cielo in e-/pixel/min
R e' il rumore di lettura in e- RMS
Notare che non compare il rumore termico [sqrt(corrente termica x t)]

Lo so, ho zompato tutto... parliamo tranquillamente di tutto cio' che e' nel mezzo, dalle specifiche sorgenti di rumore a come si possono combinare assieme. Non perdiamo pero' di vista l'obiettivo, ovvero i risvolti pratici di queste considerazioni.

Ciao ciao
Paolo
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Messaggioda umberto » 7 apr 2012, 19:54

Grazie della lezione Paolo -Umberto
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