Salut,
Aujourd'hui je fais mon petit rapporteur. Sur Astrosurf, un comparatif entre deux caméras a tourné en débat sur le fonctionnement des capteurs CMOS, leur bruits, l’intérêt du gain, etc … Et ce qu’on constate c’est que même les pointures du domaine ne sont pas forcément à l’unisson. Preuve quelque part, que le sujet est loin d’être facile et arrêté.
Le post initial est ici :
http://www.astrosurf.com/topic/160298-t ... mm/?page=1
Je vais essayer de vous rapporter ici la substantifique moelle de ces échanges.
Cbuil ouvre le bal le 6 mars :
Attention aux histoires de gain, de niveau de signal apparent. Mon opinion est que le réglage de gain chez Sony et autres, est une commodité pour répondre à des besoins de télésurveillance (automatisme jours/nuits), par exemple, pas vraiment pour les besoins de l'astro (marché bien marginal pour une boite comme Sony). Au dessus du seuil de bascule en régime de bas bruit, l'impact est marginal, et ne devrait pas être choisi élevé. Utiliser une forte valeur de gain est un faux ami. Cela ruine la dynamique et n'améliore que très modestement le rapport signal sur bruit, le paramètre qui compte, bien plus que le niveau de signal apparent. Le RSB est moins intuitif, pourtant avec la linéarité où des trucs fonctionnels, comme la taille des pixels et la taille du capteur, c'est le paramètre à surveiller.
Cbuil nous rappelle ici qu’a part le gain unitaire, les autres seuils ont peut d’intérêt. Ben zut alors.
xs_man rebondi alors :
Le problème est que ce raisonnement est celui de l'imagerie du ciel profond en poses longue ou la spectro à faible flux.
En planétaire il est très différent. Pour figer la turbu, il faut multiplier les brutes et le gain est un besoin absolument prioritaire. On sacrifie certes de la dynamique (de toute façon on travaille en 8 bits en planétaire pour réduire le volume de données) mais vu la très médiocre qualité des sites de plaine, il n'y a pas d'autre choix.
Ensuite vient le cas un peu intermédiaires du CP en poses courtes. Contrairement au CP en poses longues on sait déjà que l'aura de toute façon une faible dynamique sur les cibles. Et si on arrive à poser moins de 1 seconde, on a la possibilité de descendre en résolution, qui sera meilleure qu'en CP poses longues. Sachant que de toute façon la dynamique sera sacrifiée, on a tout intérêt à pousser le gain. D'une part pour pouvoir afficher le mieux possible le champ choisi et si possible ce que l'on image. Mais surtout, très important, pour bien faire ressortir un maximum d'étoiles suffisamment brillantes pour optimiser la registration des images brutes.
De plus toujours en CP poses courtes, on a tout intérêt à faire une mise en station approximative pour créer un peu de rotation de champ. Ca permet de lisser les restes éventuels de trame du capteur. A condition d'avoir suffisamment d'étoiles exploitables.pour la registration. Et donc, là encore, avoir du gain à disposition.
Donc le gain n'est pas réservé à la télésurveillance, il est indispensable si on considère toutes les manières de faire de l'imagerie astronomique.
Bon du coup, bannir les gains élevés c’est peut être aller un peu vite en besogne. Surtout en VA a pose pas forcement très longue. Je note également l’argument en faveur du gain pour l’amélioration de la détectabilité des étoiles. Effectivement, plus elles sont visibles et nombreuses et plus l’alignement et l'empilement ( en live comme sous siril ) se fait bien. C'est pas négligeable.
Cbuil double alors la mise :
Albéric, je ne suis pas d'accord sur l'histoire du gain. Je pense que l'on confond toujours performance brute et facilité d'affichage (c'est pour cela que j'évoque la télésurveillance, je sais, c'est péjoratif). Avec un fort gain, on voit mieux ce que l'on fait, il est plus simple de choisir son contraste et seuil de visualisation avec certains logiciels, l'image brute apparaît plus attrayante, avoir plus de pèche. Ça, c'est vrai.
Mais supposons qu'avec un gain de 1, le signal soit de 100 et le bruit de 2. Imaginons que l'on monte le gain à 10, le signal est alors de 1000 et le bruit est de 20 (car le gain impacte peu le bruit, surtout en régime de bruit de photons, que l'on rencontre en imagerie planétaire, même en pose courte, et on suppose que l'on sort du bruit de quantification - voir plus loin). Certes, on a l'impression que le signal est plus fort dans le second cas (et c'est vrai en fait), mais la qualité effective de l'image est la même au final (rapport signal sur bruit, et ce n'est pas que des maths). Tout est une question d'affichage. Et dans le second cas, on perd éventuellement en dynamique si le temps de pose conduit proche de la saturation. […]
Pour tout dire, je n'ai vraiment rencontré qu'une seule fois un vrai plus à faire croître le gain en CMOS (jusqu'à un certain seuil, outre le gain HCG, qu'il faut essayer de respecter en général). C'est un peu particulier, mais cela vaut peut-être le coup de citer la chose. C'est dans un contexte ciel profond à très faible flux (style bande très étroite, très court temps de pose, spectro) et lorsque le sur-échantillonnage est suffisamment fort pour ce permettre de filtrer optimalement et numériquement le bruit (surtout le bruit non-linaire, dit télégraphe, les sortes de points dans l'image qui apparaissent çà et là) sans détruire la résolution angulaire de l'image. Dans ce cas, on arrive à un bruit inférieur à 1 électron (typiquement 0,5). Dans cette situation, si le gain n'est pas assez fort, ce bruit est inférieur au nombre d'électrons qui fait passer d'un niveau numérique au niveau numérique juste en dessous ou en dessous. C'est la situation du bruit de quantification. Pour ces prises d'images, bien particulières, il faut faire croître le gain pour sortir du bruit de quantification, et que le bruit électronique commence à devenir perceptible (c'est bon signe). Par exemple, avec une ASI533MM Pro, pour bien travailler dans ces conditions (dit de bruit de détection, ou encore condition BLIP, pour "Background Limited" ), il faut emmener le gain à environ 120. J'ai tendance à pousser à 150 par sécurité, car j'aime bien voir le bruit sans troncature (disons à 6 à 9 sigma pour les spécialistes). Notez bien qu'il n'y a quasi aucun photon qui illumine le détecteur (quasi). En revanche, Il ne sert strictement à rien de monter au-dessus de 150, pour la raison dite plus haut (signal et bruit montent alors de concert).
Test simple : cacher l'ouverture du télescope, et faite des mesures du bruit (bruit RMS) avec votre gain habituel. Si vous voyez de la fluctuation, ben vous n'allez rien gagner en augmentant le gain. Mais bon, pas grave, une fois de plus, je ne vais pas lutter - et vous faites de très bonnes images par ailleurs (car vous avez un très bon réglage optique, car vous exposez suffisamment court pour figer le turbulence, car vous faites une bonne sélection d'images, car votre échantillonnage est optimal, car vous choisissez bien votre couleur d'observation, car vous accumulez un grand nombre d'images et que le rapport signal sur bruit augmente comme la racine carré de ce nombre d'images, mais pas grâce au gain dans la plupart des situations, qui a un effet neutre
.
Finalement un petit gain à 150 pourquoi pas histoire de ne pas arrondir un bruit à 0.7 en 1. Ce serait dommage ^^.
Alx intervient en synthèse :
Un changement de gain de la caméra est juste un changement de l'échelle numérique, signal et bruits vont varier en proportion. Il ne va rien changer à la statistique du signal optique, sauf dans le cas particulier décrit par C.Buil, pour diminuer éventuellement l'effet d'arrondi aux valeurs entières. Cela suppose néanmoins que la réponse de la caméra soit linéaire (sortie proportionnelle à l'entrée), ce qui est en général le cas pour les CMOS.
Des tests en vraie grandeur sont utiles pour s'en convaincre
Le gain ne sauvera pas mon rapport signal/bruit anémique.
Cependant si c'est proportionnel, il ne va pas le détériorer non plus ...
Cyg entre alors en scène pour apporter l’argument que l’on retrouve placardé dans toutes les bonnes boucheries qui vendent des capteurs CMOS. La diminution du bruit de lecture quand le gain augmente. Important ca ! C’est quand même de la que vient le débat gain unitaire vs gain élevé.
Mais le bruit de lecture lui, il diminue avec l'augmentation du gain, dans une certaine limite certes. Dans le cas de la QHY200M, est-ce qu'il est intéressant de passer de 1e- au gain 110 à 0.47e- au gain 350 (sans saturer => poses très courtes, signaux discrets du coup sur ciel profond dans le but de limiter la turbu) ? Si on me dit bof ça ne change pas grand chose, alors pourquoi se battre pour des caméra qui grapillent qqs dixièmes d'e- en bruit de lecture et restons aux CCD ou à des cam à 2 voir 3 e- ?
Réponse magistale de cbuil (
):
Cyg, je vais essayer de répondre à propos de l'importance du bruit de lecture, en m'appuyant sur un exemple reprenant les valeurs de la caméra ASI220MM mini que j'ai donné dans mon tableau du début de post :
J'ai un gain de 120, donc un bruit de lecture de 1 e-.. J'observe Jupiter et je fait des poses assez brèves. Supposons que vers le centre du disque j'ai un signal de disons 400 ADU apparent (un signal de 400 en comptes numériques). C'est une caméra 12 bits, et pour faire bonne figure, le fabriquant (ici ZWO) multiplie en fait le signal vrai par 16 pour faire croîre à une saturation à 65535 (16 bits). Ils font tous cela.
Donc le vrai signal en pas codeurs est de 400/16 = 25 ADU (un tout petit niveau d'intensité, je rappelle : exposition brève pour geler la turbulence). Comte tenu du gain électronique de la caméra (0,536 e-/DU), ce signal de 25 ADU correspond à 0,536 x 25 = 13,4 e- (au passage si le rendement quantique est de 75%, cela équivaut à l'arrivée de 13,4 / 0,75 - 18 photons durant la pose - pas grand chose).
Il y a un bruit associé à notre signal, qui vaut la racine carré de ce signal (c'est le bruit de photons ou de signal), soit un bruit de racine(13,4) = 3,7 e-. Le bruit total est égal à la somme quadratique du bruit de signal et du bruit lecture : racine(3,7^2 + 1^2) = 3,8 e-
Supposons que j'augmente à présent fortement le gain de la caméra et que par hypothèse le bruit de lecture passe à 0,5 e-. Reprenons le calcul du bruit total observé : racine(3,7^2 + 0,5^2) = 3,7 e-
Comparer 3,8 e- à 3,7 e-, c'est quasi lamême chose (vous ne verrez jamais cette différence sur les images). Moralité, le passage du gain de 120 à 350 (pas exemple), n'apporte aucun bénéfice. Dans les deux cas le rapport signal sur bruit est de 13,4 / 3,8 = 3,5.
On commence à bien percevoir l'impact du bruit de lecture si le signal dans la planète n'est disons que de 20 ADU (soit 20/16= 1.25 ADU), c'est-à-dire presque rien (le bruit du détecteur concurrence le bruit de signal). Mais je crois qu'il est bien rare de travailler avec des signaux aussi faibles sur un disque planétaire.
Bien sur, si on veut appercevooir un très faible satellite juste à coté du disque de Jupiter, le signal venant du ciel (et de l'objet)- est automatiquement très faible, et cette fois le bruit de lecture devient un paramètre important (avec le rendement quantique). Mais on est alors dans le régime BLIP, de bruit de fond. On est aussi dans la situation de la spectro par exemple, sur des objets très faibles, où on reçoit disons 1 photon toutes les 10 secondes (!), par exemple (il faut aussi une caméra bien refroidie pour que le petit bruit de lecture soit bien valorisé).
En Ciel Profond, c'est la plupart du temps la lumière du fond de ciel qui génère un bruit de photons tel que là encore le faible bruit de lecture n'est pas exploité (en fait si, à l'époque du CCD le bruit de lecture (du détecteur) pouvait monter à 10 e-, et il était alors plus facilement gênant). La force principale des caméras CMOS actuelle réside donc dans la détection de très faibles signaux (et un bon QE).
Donc en gros, bruit de lecture à 1,5 ou 0,5 => différence négligeable. On s'en tape même franchement le coquillard tant il y a fort à parier que pour nombre d'entre nous la misère soit noyée dans le bruit de photons de la pollution lumineuse. On versera notre larme sur le bruit de lecture un autre jour.
Xs_man prend la balle:
Avec le recul de cette démonstration, ça permet de fortement relativiser l'influence du bruit de lecture et du gain, y compris en poses courtes. Reste quand même que l'augmentation du gain va (très faiblement, OK) dans le bon sens, donc la réduction du bruit total. Ajouté au fait que le gain est très utile voir incontournable pour la visualisation des captures en imagerie planétaire / CP poses courtes / "Visuel Assisté", ce serait donc dommageable de s'en priver..
Ben oui, du coup, le gain c'est pratique.
Le mot de la fin pour cbuil :
Abéric, il y a du bon sens dans ce que tu indique : quelque part l'ergonomie d'usage participe à la performance, et donc si l'accroissement du gain facilite l'observation, c'est très bien je trouve (mais cela veux dire qu'il y a aussi peut être des choses à faire coté des softs et/ou la manière de les utiliser, mais cela est une autre histoire). Le problème est que parfois on confond cette facilité ergonomique avec la performance brute de la caméra (et du détecteur)
Je retiens de ces échanges que la monté en gain n'apporte rien au rapport signal/bruit, donc à la qualité des brutes. Mais mais mais ! Car il y a des mais :
- aide à la détection des étoiles ( donc à l'alignement, à l'empilement et au platesolv )
- Réduit d'un pouillème de poil de cul de grenouille le bruit de lecture. On le prend quand même.
- Règle le problème de bruit de quantification
- Améliore la visualisation de l'observateur ( En Visuel Assisté c'est quand même pas un détail )
- N'est à priori pas un soucis en pose courte, car la dynamique comme les signaux seront de toutes façon faible et non limitant.
Chacun se fera son idée mais pour ma part, ca relativise franchement la supériorité du gain unitaire.
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