Read noise och korta exponeringstider

[Fredrik Karlsson]

Har funderingar angående kamerabrus och exponeringstidens längd:

Bakgrund: Någonstans för ett par år sedan när jag googlade runt på detta område presenterades någonstans att om läsbruset från sensorn var 1 elektron eller lägre, kan man i princip exponera bara ett par sekunders exponeringstid, och sedan stacka ett större antal sådana kortexponerade bilder till ungefär motsvarande resultat av ett färre antal djupare exponeringar med längre tider. Förutsatt att den totala exponeringstiden då är densamma. 

Just detta att read noiset låg på max en elektron var viktigt, då kommer man under en slags tröskel (i alla fall enligt teorin för signalomvandlingen) och utläsningsbruset får ingen påverkan på den färdiga bilden, ett stort antal korta exponeringar kan utan vidare stackas till en lång tid, och faktiskt (i teorin) med samma resultat som en enda lång motsvarande djupexponering.

Har sett en del praktiska bildexempel med detta, och det tycks fungera utmärkt (bla med den nu kanske något föråldrade ASI290-kameran från ZWO med 1 e read noise). 

Men nu mina funderingar: Har fått ögonen på Sonys A-serie kameror (A6300, 6400, 6500 och A6600), vilka har ett lågt "input-reffered read noise" (någon grej från Aptina som håller nere läsbruset lär sitta licensierad i signalomvandlingen på dessa, vilka klart skiljer sig från övriga Sony-kameror).

Denna serie kameror har enligt DXOMARK, som seriöst labbtestar de flesta kameror, i praktiken försumbar skillnad i SNR 18% ((Signal to Noise Ratio enligt någon slags referens, (18%)) mot andra/äldre sonykameror utan aptinagrejen).

MEN, det som väcker min uppmärksamhet är att, enligt siten "Photons to Photos" uppgifter/mätningar, ligger för denna serie kameror "input-reffered read noise" nere runt 1 elektron, eller tom lägre beroende på vilket ISO det gäller (högre ISO, lägre input read noise, tills brusreducering inträder, och då blir ju bilderna oanvändbara för detta syfte med stackning för att öka SNR).

Mina funderingar är därför:

1) Är Read Noise (som bla ZWO anger för sina ASI-serie kameror) detsamma som Input-Reffered Read Noise (som siten Photons to Photos anger för "vanliga" kameror)?

2) Skulle en sådan "vanlig" kamera, tex A6600, med "input-reffered read noise" 0,993 elektroner vid ISO 3200 (och då utan brusreducering inblandad), fungera för att stacka ett större antal kortexponerade bilder enligt ovan beskrivet?

Jag frågar, för det är ju inte bara läsbruset som påverkar den färdiga bilden, och enligt DXOMARK utmärker sig A6600 knappt från övriga motsvarande sonykameror utan aptinagrejen då det gäller SNR 18%. Men SNR förbättras ju samtidigt vid stackning, och då är ju läsbruset av största vikt vid kortare exponeringar. 

3) Den gamla sonykamera jag fotar med nu (NEX 5N), har enligt Photos to Photons "input-reffered read noise" på 2,445 elektroner vid ISO 1600 (utan brusreducering inblandad). Egentligen rätt bra, men klart över tröskeln 1 elektron. Har i praktiken märkt att kortare exponeringar är inget som gillas vid stackning med denna kamera, i princip desto längre, desto bättre, i alla fall minst upp till runt 5 minuter. Har någon koll på en formel för att beräkna läsbrusets inverkan på den färdiga bildens brusnivå vid olika exponeringstider vid stackning? 

Frågar, för en sådan kunde vara intressant för att försöka bilda sig en uppfattning om vad en A6600, eller annan kamera ur den serien, skulle kunna bidra med. Teori är en sak, detta skulle då på något vis bli en slags improviserad referens till praktiken.

4) Någon som rent av testat någon sonykamera ur denna serie för detta ändamål? Eller sett någon som har på nätet?

Länkar angående ovan:

https://www.photonstophotos.net/Charts/RN_e.htm

...Klicka i kameramodell i listan till höger dyker värdena upp i diagrammet.

https://www.dxomark.com/Cameras/Compare/Side-by-side/Sony-NEX-5N-ve...

...Klicka på rutan Measurements och sedan på SNR 18% dyker diagrammet med värdena upp.

[Fredrik Karlsson]

Ok, hittade ekvationen jag frågade efter i 3: http://www.threehillsobservatory.co.uk/astro/stacking_FAQ/noise/sta...

[Ulf Jonsson]

Intressant resonemang Fredrik. Min gamla tes (som jag läste mig fram till för länge sedan) var att vid för korta exponeringar (sekunder) skulle inte tillräckligt många fotoner träffa sensorn för att få ut en vettig bild. Vidare skulle SNR-tillväxten plana ut vid ca 20 stackade bilder. Detta talade för exponeringstider på minst 3 minuter för att få ihop en timme total tid.

Sedan dess har tekniken gått snabbt framåt i rask takt. Effektiviteten hos sensorerna har förbättrats så att detta "kanske" inte gäller. Det visas ju av bra bilder som består av hundratals korta exponeringar. Hur det är vet inte jag men jag tycker att det är en intressant diskussion. Fortsätt gärna :) Nu ska jag kolla på länkarna ;)

[Per Johansson]

Här är en till site som förklarar SNR bra. Den tar oxå med ljusförorening i ekvationerna:

Jon Rista's SNR förklaring

Kör man korta exponeringar under någotsånär mörk himmel faller alla brustermer bort utom utläsningsbrus. Då blir ekvationen för stackad SNR så här enkel: 

SNRstack = Ssub * sqrt(antal) / RN

där Ssub är signalen från en kort sub exponering

SNR är för en enda lång exponering är lika med summan av sub signalerna (om den är kort nog så vi fortfarande kan bortse från ljusförorening och värmebrus).

SNRenskild_lång = Ssub * antal

Exempel med enskild 64s exponering vs stackat 64 * 1s och typisk DSLR med utläsningsbrus 2e:

SNRstack = Ssub * 8 / 2 = 4 * Ssub

SNRenskild_lång = 64*Ssub

dvs en 64s lång exp är 8ggr bättre

Hur många subs behövs för att bli lika bra?

64 * Ssub = Ssub * sqrt(antal) / 2

=> antal = 128^2 = 16384s = 4.5h

Exempel med den bästa ASI kamera jag kunde hitta, ASI462 med utläsningsbrus 0.5e:

64 * Ssub = Ssub * sqrt(antal) / 0.5

=> antal = 32^2 = 1024s = 17minuter

Så man kan välja på att exponera 17minuter med 1s sub på ASI462 eller 1min på sin DSLR.

Lång exponering är fortfarande överlägsen när det gäller SNR, MEN det låga utläsningsbruset öppnar upp för Lucky imaging på starkare djuprymdsobjekt.

[Fredrik Karlsson]

Okej, tack för den infon Per!

Så, alltså utläsningsbruset är rätt avgörande för SNR. Om jag kör 2 minuters subbar med min gamla NEX 5N med 2,445 e utläsningsbrus och förutsatt allt annat lika, kan man korta subbarna  för en kamera med 1 e utl brus till knappt 50 sekunder för samma SNR (förutsatt en hyfsat mörk himmel, gissar på runt Bortle 4 eller mörkare). 

Det är ju klart påtagligt om det tex blåser, eller man missat i polinställningen. Alternativt om man ändå kör 2 minuterssubbar så når man lite drygt dubbelt så djupt i den färdiga bilden, eller man har fotat klart på knappt halva tiden för samma SNR som med NEX 5N.  

Möjlighet till lucky imaging gissar jag är något som också skulle följa med tex en Sony A6400 eller liknande ur Sonys program.

[Fredrik Karlsson]

...Lucky imaging på ljusstarkare delar av djuprymdsobjekt, eller planeter o månen då.