Comprendre et maîtriser son Rapport Signal sur Bruit

[Steph]

Une des composantes essentielles pour obtenir une image de qualité, est la compréhension et la maîtrise de son RSB.

Représenté par une simple division, le signal étant le dividende et le bruit le diviseur, le RSB reste simple à appréhender après quelques explications.

Capture.JPG (9.92 Kio) Consulté 6621 fois

Le compositage d’image permet d’augmenter le RSB afin d’obtenir une image compositée d’une qualité supérieure à chaque image brute qui la compose. Le Rapport signal/bruit d’une image est de 1, la formule permettant de calculer le gain du compositage est √x, soit :

Capture2.JPG (19.04 Kio) Consulté 6621 fois

A chaque signal correspond un bruit.

Le signal :
• Le signal astronomique de l’objet, le graal ! (se rajoute le signal de la pollution lumineuse / fond de ciel, signal parasite...une véritable plaie! (réduction de la dynamique) qui peut être en partie soustrait mais le bruit associé restera présent)
• Le signal d’offset du capteur
• Le signal thermique du capteur lié à la température de fonctionnement du capteur

Le bruit (associé aux différents signaux) :
• Le bruit photonique
• Le bruit de lecture
• Le bruit thermique

Comment optimiser son RSB ?

Optimisation du signal :
Le signal astronomique de l’objet
• Bien choisir sa caméra, plus les photosites d’un capteur sont gros, et plus celui-ci est sensible
• Optimiser les réglages expositions / gains en privilégiant la dynamique

Dans le cas d’un objet lumineux et/ou avec de grandes différences de luminosité, utiliser un gain faible pour éviter la saturation et de cramer par exemple le centre des galaxies.
Dans le cas d’un objet faiblement lumineux, utiliser un gain plus élevé mais toujours en privilégiant la dynamique

• Choisir le meilleur moment pour shooter l’objet (suffisamment haut dans le ciel)

La pollution lumineuse à une forte influence sur le signal, elle diminue rapidement le RSB à temps de pose égal. Pour compenser ce phénomène il faut poser plus longtemps (en temps total d’intégration) en privilégiant des temps de poses unitaires courts.

Le signal thermique
Le signal thermique dépend des temps de pose et de la température. Si l’on augmente le temps de pose par deux, le signal thermique sera également multiplié par deux. DE plus à chaque écart de température de + 10°, le signal thermique sera multiplié par deux.
Donc soit privilégier les capteurs refroidis, soit privilégier les poses courtes

Optimisation du bruit :
• Le bruit de lecture n’est pas lié au temps de pose, mais au gain avec un CMOS, et à une valeur fixe avec un CCD.
Dans le cas d’un CMOS, utiliser un gain associé à un bruit de lecture faible.

• Le bruit thermique
Les pixels chauds liés aux temps de poses importants /température du capteur élevé s’éliminent facilement grâce à l’utilisation de Darks

Voila pour la théorie, à chacun de l'adapter à son matériel et à ses attentes.

[Guimby]

Super @Steph , merci pour la fiche !

[bemo47]

Intéressant tout ça...
mais voilà, si je prends les caractéristiques de mon ASI1600MC qui sont je pense décrites ici dans ces graphes :

Capture.JPG (63 Kio) Consulté 6543 fois

pour appliquer la dernière reco, choisir un gain qui donne un bruit de lecture le plus faible, en regardant le dernier graphe, je pense que cela conduirait à choisir un gain de 300 ? qui doit être le gain max de cette caméra, alors que le "unity gain" qui est en général recommandé pour utilisation en CP et poses plutôt courtes est lui à 139 (cf deuxième graphe), mais avec un read noise plus élevé...
là je suis un peu "lost"....
ou alors je lis les graphes à l'envers, ce qui est tout à fait possible...

[Lambda]

Bonjour et encore merci, Steph, pour cette presentation! essentielle AMHA!

En ce qui concerne plus particulièrement le bruit de lecture des cameras CCD/CMOS, je suis tombé sur ces videos (anglais) fort instructives (La seconde orientée microscopie, mais dont l'enseignement est parfaitement applicable à nos domaines...)

https://www.youtube.com/watch?v=0uU8RuVJTKo

https://www.youtube.com/watch?v=hzhhGHxP-Jc
(à partir de 10 mn environ... avant aussi intéressant, parlant entre autre du binning, et de l'échantillonnage...)

à+,
Lambda

[Greenood]

@bemo47
Tout est question de compromis.

Avec un gain à fond, tu auras effectivement le bruit de lecture le plus faible, mais aussi la plage dynamique la plus faible
mais pas plus de signal qu'avec un gain plus faible (tout est amplifié, signal, PL, bruit photonique).
Si tu travailles en RAW et 16 bit (12 bit généralement coté capteur), tu pourras toujours booster le gain avec l'histogramme (directement avec sharpcap ou dans un logiciel photo)
Tu perdras évidemment de la dynamique (tout pareil que si tu avais poussé le gain à la prise de vue)
Par contre si tu pousses le gain à la prise de vue et que tu veux diminuer par logiciel, dans ce cas tu vas perdre du signal (qui à été écrasé à la prise de vue)

Dans la pratique pour ta cam pour limiter le bruit de lecture, tu peux commencer à partir de 150 (15 db) avant ça va générer bien trop de bruit.

Ce qui va limiter les temps de pose unitaire, c'est la qualité du suivi et la PL.

Les capteurs sony récent sont ISO invariant, ça veut dire que si tu travailles en RAW, peut importe l'ISO choisie, il n'aura de conséquence que dans le fichier jpg généré à partir du raw.
Ce qui peut être fait dans un logiciel photo classique plutôt que de le faire de façon destructive par le boitier photo ou la cam.

[bemo47]

merci beaucoup, et ça me confirme donc l'option de travailler à 139 ou près de 150.... pour avoir un compromis acceptable entre bruit et dynamique.... si j'ai bien compris

[Steph]

En complément, la différence entre le bruit thermique et le signal thermique est que le bruit est aléatoire alors que le signal lui est régulier.
Le nombre de dark que l’on doit combiner pour diminuer le bruit pour avoir un RSB le plus élevé possible est déterminant.

Si le master dark est constituer d’un seul dark, le signal thermique sera retiré, mais le bruit thermique du dark va se rajouter au bruit thermique déjà présent sur l’image. (autant ne rien faire…)
Dans le cas d’un master dark constituer de plusieurs darks, le bruit thermique sera moyenné par la sonne du nombre de dark réalisé, et ne se rajoutera pas ou peu au bruit thermique de l’image.

Ce qu’il faut retenir c’est que plus il y aura de dark constituant le master dark, plus le bruit sera moyenné et donc moins présent au final, en sachant qu’il y a une limite au process, cela ne servira à rien de faire des master de 100 dark.

[clouzot]

Merci Steph, et à partir de combien de darks moyennés peut-on s’arrêter ? Ça se calcule très bien dans mon domaine connaissant le niveau RMS du bruit, mais en imagerie je suis complètement incompétent. 20 ? 50 ?

[Steph]

Merci Steph, et à partir de combien de darks moyennés peut-on s’arrêter ? Ça se calcule très bien dans mon domaine connaissant le niveau RMS du bruit, mais en imagerie je suis complètement incompétent. 20 ? 50 ?

Comme je suis plus Saint Thomas que Cedric Vilani, j'ai fait des test en réalisant des master dark par tranche de 10 darks (de 10 à 70), je les ai comparé entre eux en prenant comme critère le bruit, je n'ai gardé que les deux meilleurs que j'ai appliqué à des brutes, c' est assez simple à faire. J'ai réalisé ces tests dans PixInsight, qui a des fonctionnalités très adaptées pour ce type de test.

Avec mon setup aucun intérêt à aller au delà de 50 dark, j'ai utilisé longtemps des masters de 20 dark...car c'était la valeur par défaut dans SC.

Je ne sais pas si il existe une formule pour une parfaite optimisation, si quelqu'un la connais je suis preneur.

[clouzot]

Il existe probablement une formule...mais je ne l'ai pas trouvée telle quelle. Ceci dit, y'a ça : http://gcx.sourceforge.net/html/node7.html

Dans le lien, on voit que le bruit de la master dark décroit comme la racine carrée du nombre de dark frames utilisées. On éjecte cette histoire de bias, vu que dans Sharpcap on utilise des darks de la même longueur de pose unitaire que les light frames. Le bruit thermique se lisse quand on empile, le bruit de lecture non (il n'est pas aléatoire).

J'ai juste pigé que comme on soustrait le master dark à chaque light frame, on veut que le bruit propre de la master dark soit le plus faible possible (parce qu'il va s'ajouter dans le stack final, forcément, c'est toujours le même master dark qu'on soustrait). Mais le nombre idéal...? Toujours pas...

[clouzot]

A propos de SNR, je relisais le super tuto Sharpcap d'Astrojedi (en anglais), pour me motiver à continuer celui commencé sur le wiki.

J'ai fait un bond au passage sur le binning des CMOS. Moi qui croyais...

Bref, ce qu'il explique s'applique au VA (et pas à l'AP), mais le fait de binner x2 un CMOS va quasiment doubler le rapport signal/bruit (par bruit, il entend bruit du capteur, malheureusement pas la pollution lumineuse). Bien sûr, binner x2 un CCD va quadrupler ce rapport signal/bruit, mais on parle de capteurs qui ont un bruit bien plus important qu'un CMOS, ce qui fait que pour des poses relativement courtes (comme ne VA) le SNR reste meilleur pour une CMOS, sauf à faire du binning x4 (et encore). Bref, trop de bruit de fond quand on pousse le curseur de gain un peu trop fort sur une CMOS ? Suffit de binner pour augmenter le SNR.

[dob250]

La discussion est ancienne mais très intéressante car je regardais la possibilité de faire du bining 2X2 (voir 4X4 ??) avec l'imx 178 C vu que l'échantillonnage est faible avec une taille de pixel de 2,4 micron. Alors dans mon cas c'est intéressant car avec un réducteur de focale 0,63 (cas aujourd'hui) je suis environ à 1,03" d'arc , pour du ciel profond cela me semble bien.
Dans l'absolu comme je n'ai pas encore la caméra chez moi je n'ai pas trouvé cette possibilité bining 2X2 ou plus.
Le SNR est meilleur donc si j'ai bien compris, après le revers de la médaille c'est la taille de l'image réduite de moitié en sortie (par 2 ou 4) et non le champ réel vu par la caméra (si j'ai bien compris)
https://docs.sharpcap.co.uk/2.9/11_Came ... #_Binning

[clouzot]

C’est ça. Le champ ne varie pas (ton capteur fait toujours la même taille dans la caméra !) mais les pixels sont plus gros

[Djibi]

Hello @dob250
J'ai exactement fait comme toi pour les même raisons à une époque: à 1500mm de focal avec la 533, j'échantillonais à 0,5" par pixel autant aller à 1" ce qui est largement suffisant pour le CP (c'est d'ailleurs une des raisons que j'ai eu de choisir un tube à 800mm de focale pour mon nouveau setup), j'ai testé le 2x2, 3x3, 4x4

En théorie le binning peut être implémenté de 2 manières:
- en moyenne, ce qui maintient un signal de même niveau et un SNR qui s'améliore
- en somme, ce qui maintient le SNR et augmente le signal

Perso, j'aurai aimé un binning additif pour pouvoir "aller chercher" le gain 100 avec un temps de pose limité mais ces andouilles de chez ZWO ne l'entende pas ainsi, le binning est implémenté de différentes manières suivant le format de sortie :
- en RAW 16 le binning est en moyenne
- en RAW 8 le binning est additif
Et sharpcap fait pareil (sans cocher sur la case "HW binning"), me demande pas pourquoi, j'ai pas tout suivi là dessus ^^

toujours est-il que le RAW8 est moyennement intéressant pour le ciel profond et pour améliorer le SNR, tu peux binner a posteriori ton image. J'ai progressivement arrété le binning, sauf cas particulier. D'autant que je suis désormais revenu à une focale plus courte.
En tout cas, pour du pur VA où tu ne feras que regarder sur ton écran de portable par exemple; souvent limité à 1920x1080, il ne faut pas hésiter si ta caméra à une résolution importante.

[dob250]

Hello @Djibi
En bref pas très probant..
Après avoir posté je me suis dit que si le boning était vraiment un plus beaucoup d'astram l'utiliserait mais ce n'est manifestement pas le cas. Je garde l'idée pour une présentation, donc je ferai quelques essais. Merci en tout cas pour ces infos.

[Steph]

Hello @Djibi
En bref pas très probant..
Après avoir posté je me suis dit que si le boning était vraiment un plus beaucoup d'astram l'utiliserait mais ce n'est manifestement pas le cas. Je garde l'idée pour une présentation, donc je ferai quelques essais. Merci en tout cas pour ces infos.

Une explication simple d'Atik et la comparaison CCD Vs CMOS
https://www.atik-cameras.com/news/binnn ... s-and-ccd/

[soulearth]

Bonsoir.
Il y a un truc qui m'échappe.
Je ne comprend pas pourquoi ( et comment ) le rapport Signal/bruit = 1 pour la première image.
Pour avoir une valeur de 1 il faut que signal = bruit sur la première image. Il faudrait donc qu'il y ai pile poil autant de signal utile que de bruit...

Il y a quelques chose que je rate. C'est certain... Vous pourriez me mettre sur la voie ?

En tout cas, merci pour ce tuto qui aborde une notion utile et intéressante.

[Djibi]

Je ne comprend pas pourquoi ( et comment ) le rapport Signal/bruit = 1 pour la première image.

salut @soulearth
quand j'ai parcouru ce post, mon interprétation était la suivante: la valeur du SNR de la première image importe peu, le sujet est de voir l'amélioration avec le stacking. j'en ai déduit que cette valeur de 1 était juste une référence pour la première image afin de quantifier l'amélioration relative provenant du stacking

[soulearth]

Ah oui. Bien vu. Une valeur initiale qui pourrait être n'importe quoi. L'important étant le coefficient appliqué lors des stack suivants.
Merci. Tout s'éclaire

[clouzot]

Je ne comprend pas pourquoi ( et comment ) le rapport Signal/bruit = 1 pour la première image.

salut @soulearth
quand j'ai parcouru ce post, mon interprétation était la suivante: la valeur du SNR de la première image importe peu, le sujet est de voir l'amélioration avec le stacking. j'en ai déduit que cette valeur de 1 était juste une référence pour la première image afin de quantifier l'amélioration relative provenant du stacking

Exact ! On cherche à savoir de combien on améliore le rapport signal/bruit par rapport à l'image sans empilement (tableau posté par Steph dans le premier post), ou par rapport à l'image non binnée (si on veut faire du binning).

Le lien sur le site d'Atik explique très bien les différences qu'a le binning sur une antique CCD par rapport à nos jouets actuels en CMOS. C'est moins intéressant sur une CMOS, mais on y gagne quand même.

Quant à...

je me suis dit que si le boning était vraiment un plus beaucoup d'astram l'utiliserait mais ce n'est manifestement pas le cas

Certains l'utilisent, mais
1- ceux qui viennent du monde des CCD y voient moins d'intérêt sur une CMOS (le gain en signal / bruit est moins important, mais il existe bel et bien). Question d'habitude aussi ?
2- l'utilsent vraiment ceux qui shootent avec une focale importante (comprendre : 1000, 1500mm de focale minimum, souvent plus). Dans ce cas, chaque pixel correspond à une portion de ciel minuscule et on a tout intérêt à binner sa caméra (pas de détails perdus, et un gain en signal). Et comme finalement peu nombreux sont ceux qui utilisent ces focales (une grande majorité semblent utiliser plutôt des lulus japonaises ou chinoises avec 500, 600mm de focale), ça explique que tu voies assez peu cette technique, car ils sont déjà au taquet niveau taille de pixels et ne peuvent binner sans perdre des détails.

Par exemple, si je dois shooter avec ma mini lunette de 50mm (250mm de focale), je ne binnerai que dans un seul cas : quand je fais du VA-punk et que je veux que ça aille vite, aux dépends des détails.
A contrario, avec mon C9 (1500mm de focale avec réducteur), là oui, je vais binner 2x2 si la turbulence est mauvaise (la taille des étoiles détectées va me le dire très rapidement).

[dob250]

l'utilsent vraiment ceux qui shootent avec une focale importante (comprendre : 1000, 1500mm de focale minimum, souvent plus). Dans ce cas, chaque pixel correspond à une portion de ciel minuscule et on a tout intérêt à binner sa caméra (pas de détails perdus, et un gain en signal). Et comme finalement peu nombreux sont ceux qui utilisent ces focales (une grande majorité semblent utiliser plutôt des lulus japonaises ou chinoises avec 500, 600mm de focale), ça explique que tu voies assez peu cette technique, car ils sont déjà au taquet niveau taille de pixels et ne peuvent binner sans perdre des détails.

Merci pour tes précisions, donc à essayer surtout en cas de turbu importante