Mikä on binning (1x1, 2x2, 3x3, 4x4) ja miten sitä hyödynnetään?

Aloittaja mals77, 17.08.2012, 12:28:58

« edellinen - seuraava »

naavis

Lainaus käyttäjältä: Timpe - 25.09.2012, 09:49:14
Tämä on yksi syy miksi kuvaan binnattuja värikanavia 1500mm polttovälillä ja KAF-8300 kennolla (pikselireso on näillä jotain 0,75"/px eli selvästi ylisamplattu suhteessa seeingin sallimaan 1"...2" maksimierotteluun). Toinen syy on ajan säästö, koska hyviä kuvauskelejä ei tosiaankaan ole Suomessa kovin paljon.

Lisään tähän alle esimerkkikuvan punaisen kanavan 1x1 ja 2x2 binnatuista kuvista. Valitettavasti 2x2 binnatussa kuvassa on 8min valotus ja 1x1 binnatussa 5min valotus, joten suoraa vertailua ei pääse tekemään. 2x2 binnatussa kuvassa on kuitenkin selvästi enemmän kertyneitä fotoneita kuin tuossa 1x1 binnatussa kuvassa (vaikka valotusaikaa lyhentäisikin siinä vertailun vuoksi viiteen minuuttiin). Tässä toteutuu siis naaviksen "Taivasta kuvatessa pyritään siihen, että osavalotuksissa taustataivaan kohina dominoisi kameran lukukohinaa, jotta saadaan pinoamisesta mahdollisimman paljon hyötyä irti. Kuvaamalla binnattuna päästään tähän tavoitteeseen lyhyemmällä valotusajalla kuin binnaamattomana kuvaamalla, mutta spatiaalisen resoluution kustannuksella. " -lause tuosta yltä.

Oletko näistä valotuksista tarkistanut, miten taustataivaan kohina suhteutuu lukukohinaan? Jos taustataivaan kohina on binnaamattomassakin valotuksessa merkittävästi suurempi kuin lukukohina, et ole saavuttanut binnaamalla oikeastaan mitään. Jos näin on, olisit päässyt jotakuinkin samaan tulokseen ottamalla kuvan binnaamattomana ja binnaamalla sen jälkikäsittelyssä. Binnaamisesta on varsinaista hyötyä vain jos taustataivas on niin pimeä, että binnaamattomat valotukset jäävät lukukohinarajoitteisiksi hyvin pitkilläkin valotusajoilla.

Timpe

Lainaus käyttäjältä: naavis - 25.09.2012, 10:19:57
Oletko näistä valotuksista tarkistanut, miten taustataivaan kohina suhteutuu lukukohinaan?

Kuinka tuo tehdään???
- Timo Inkinen

naavis

Lainaus käyttäjältä: Timpe - 25.09.2012, 10:53:14
Kuinka tuo tehdään???

Lukukohinaa voi arvioida tutkailemalla kameran biasruutuja. MaximDL:llä voi tarkastella kursorin alla olevan alueen keskihajontaa. Se antaa aika hyvän kuvan lukukohinan määrästä. Taustataivaan kohinan voit arvioida mistä tahansa taivaskuvasta. Kuvasta täytyy ensin vähentää biastaso. Tämän jälkeen voit mitata taustataivaan kirkkauden ADUina. Koska taustataivaan kohina on poisson-jakautunutta, hyvän approksimaation taivaan kirkkauden keskihajonnasta saat ottamalla neliöjuuren taivaan kirkkaudesta. Suoraan sitä ei voi mitata niin kuin bias-kuvassa, koska taivaskuvassa on myös lukukohinaa ja lämpökohinaa mukana. Alan kirjallisuudessa suositellaan ottamaan osavalotuksia, joissa taustataivaan kohina on ainakin kolminkertainen lukukohinaan nähden.

Esimerkiksi oman kamerani bias-taso on 270 ADUa ja keskihajonta noin 12 ADUa. Bias-korjatun taustataivaan neliöjuuren tulisi olla siis vähintään 3*12 = 36 ADUa, eli taustataivaan kirkkauden tulisi olla vähintään 362 = 1296 ADUa. Tällöin taustataivaan kohina dominoi lukukohinaa.

mickut

Lainaus käyttäjältä: naavis - 25.09.2012, 13:11:43
Esimerkiksi oman kamerani bias-taso on 270 ADUa ja keskihajonta noin 12 ADUa. Bias-korjatun taustataivaan neliöjuuren tulisi olla siis vähintään 3*12 = 36 ADUa, eli taustataivaan kirkkauden tulisi olla vähintään 362 = 1296 ADUa. Tällöin taustataivaan kohina dominoi lukukohinaa.

Käytännön esimerkkinä valotusajoista tästä omalle kamerallani (SXVR-H18) olen laskenut Komakallion yössä (WO FLT-110 + 0.8x redu) uudenkuun aikaan taivaskohinan rajoittamien valotusten alarajoiksi seuraavia arvoja: L-suotimelle 124 sekuntia, R 184s, G 205s, B 394s ja Ha 1171s.
Täydenkuun aikaan skyglow-suotimellakin raja tulee vastaan jo ajassa 73 sekuntia.

-Antti

Timpe

Lainaus käyttäjältä: naavis - 25.09.2012, 10:19:57
Oletko näistä valotuksista tarkistanut, miten taustataivaan kohina suhteutuu lukukohinaan? Jos taustataivaan kohina on binnaamattomassakin valotuksessa merkittävästi suurempi kuin lukukohina, et ole saavuttanut binnaamalla oikeastaan mitään. Jos näin on, olisit päässyt jotakuinkin samaan tulokseen ottamalla kuvan binnaamattomana ja binnaamalla sen jälkikäsittelyssä. Binnaamisesta on varsinaista hyötyä vain jos taustataivas on niin pimeä, että binnaamattomat valotukset jäävät lukukohinarajoitteisiksi hyvin pitkilläkin valotusajoilla.

Mittasin kohinoita noista ruuduista ja tulokset ovat tässä:
Lukukohina:
Bias 1x1 241 ADU (std dev 20 ADU)
Bias 2x2 360 ADU (std dev 27 ADU)

Taustataivaan kohina: (otin nuo eri öiltä kuvatut raaka-FITS:t tutkittavaksi ja tein niille BIAS-kalibroinnin)
L 1x1 (600s) bckg 12960 ADU (std dev 140 ADU)
sqrt 12960 = 114 ADU

L 1x1 (900s) bckg 11900 ADU (std dev 140 ADU)
sqrt 11900 = 109 ADU

R 1x1 (300s) bckg 5800 ADU (std dev 39 ADU)
sqrt 5800 = 76 ADU

R 2x2 (480s) bckg 6140 ADU (std dev 52 ADU)
sqrt 6140 = 78 ADU

Saako noista mitään tulkintaa aikaan?
Olen yleensä pyrkinyt valottamaan vain niin pitkään kuin jalusta ja taustataivaan tummuus sallii. Talvella tulee raja vastaan nopeammin, kun lumi valaisee taustataivaan vaaleaksi. Nyt syksyllä pyrin ottamaan kaiken irti pimeästä taivaasta eli käytän noita 8...15min valotuksia, jos jalustan asento vain sallii sen (kookas Newton on kehno kuorma mille tahansa jalustalle ja sen asento/tasapainotus tuntuu vaikuttavan herkästi seurannan tarkkuuteen, mikä rajoittaa valotusaikojen pituutta).
- Timo Inkinen

naavis

Lainaus käyttäjältä: Timpe - 25.09.2012, 15:30:32
Saako noista mitään tulkintaa aikaan?

Näyttäisi siltä, että kaikki nuo mittaamasi valotukset ovat taivaskohinarajoitteisia, joten kameran sisäisestä binnauksesta ei näissä tapauksissa ole mitään varsinaista hyötyä verrattuna binnaamiseen jälkikäsittelyssä. Kameransisäisestä binnauksesta on hyötyä tosiaan vain, jos kuvia ei muuten saada taivaskohinarajoitteisiksi.

Esimerkiksi tuon ensimmäisen kuvan kohdalla taustataivas näyttää kerryttävän kennolle 21,6 ADUa sekunnissa, joten jo vajaan kolmen minuutin valotus riittää tekemään kuvan suurimmaksi rajoittajaksi taustataivaan kohinan lukukohinan sijaan. Vain jos jostain syystä valotusaikasi on rajoitettu huomattavasti tämän rajan alle, kannattaa harkita kameransisäistä binnaamista.

Timpe

Lainaus käyttäjältä: naavis - 25.09.2012, 16:30:59
Näyttäisi siltä, että kaikki nuo mittaamasi valotukset ovat taivaskohinarajoitteisia, joten kameran sisäisestä binnauksesta ei näissä tapauksissa ole mitään varsinaista hyötyä verrattuna binnaamiseen jälkikäsittelyssä. Kameransisäisestä binnauksesta on hyötyä tosiaan vain, jos kuvia ei muuten saada taivaskohinarajoitteisiksi.

Selitätkö vielä, miksi olisi parempi kuvata 1x1 binnattuja kuvia, joiden histogrammi asettuu esim. 0-20000 ADU:n väliin kuin kuvata 2x2 binnattuja kuvia, joissa histogrammi asettuu 500-35000 ADU:n välille? Kuvien resoluutioeron ja tuon esiinnousevan taustakohinan ymmärrän (jotenkin), mutten ymmärrä miksi "laajempi sävyala" kuvassa olisi huono juttu? Ajattelen tässä valokuvaajan aivoin, millä ei ole ilmeisesti mitään tekoa tähtikuvauksen kanssa. Valokuvauksessa pyritään valottamaan kuva siten, että sen histogrammi täyttäisi kennon dynamiikka-alueen, eikä menisi/leikkautuisi kummastakaan päästä ulos. Kiitos siis ratakiskosta, jota ilmeisesti tarvitaan tämän asian oivaltamiseen tässä päässä :tongue:
- Timo Inkinen

Lauri Kangas

Normaalissa valokuvauksessa valoa on tarjolla yllin kyllin, joten osa siitä voidaan heittää hukkaan joko kutistelemalla aukkoa, lyhentämällä valotusta tai käyttämällä kennolla pienempää vahvistusta (ISO-herkkyys). Ja sama toiseen suuntaan, jos tulikin valittua asetukset joilla valoa tulee kennolle asti liian vähän. Siksi näitä asetuksia vaihtelemalla yritetään passata kaikki tavara siihen yksittäisen kuvan histogrammin hyvälle alueelle.

Tähtikuvauksessa ongelma on nyt että fotoneja on kertakaikkiaan niin vähän, ettei vahvistuksen kasvattaminen auta: jos optiikka (aukko) pysyy samana, täytyy valotusaikaa kasvattaa. Tällä tavoitellaan siis sitä, että saapuneiden fotoneiden (N) suhde kohinaan (sqrt N) paranee.

Näitä fotoneita voidaan sitten ammentaa taivaalta niin paljon kuin pystytään. Nuo laskut taivasrajoitteisista valotusajoista (vaikka perustuvatkin mielivaltaiselle valinnalle lukukohinan osuudesta ja ovat siten vähän häilyviä) kertovat ajan, jota ennen valotusta ei kannata katkaista koska muuten kuvan lukukohina jää liian isolle osuudelle taivaskohinaan verrattuna.

Nyt jos onkin sitten valotettu riittävän pitkä aika ja lukukohina on painunut ennalta määrittämäämme osuuden alle, ei hyödytä enää mitään valottaa pidemään. Valotuksen voi katkaista ja alkaa kerätä uutta satsia fotoneita, jotka voi sitten laskea yhteen edelliseen lukemaan. Vaikka 2^16 asti ylettyvistä numeroista jäi osa käyttämättä, voi lohduttautua sillä että aloittamalla uuden valotuksen saattoi säästyä kaikenlaisilta muilta murheilta. Niihin lukeutuvat kertyvä pimeävirta, lentsikat, jalustoja potkivat hevoset yms. Lisäksi suurempi määrä ruutuja on eduksi tilastollisille pinoamismenetelmille.

mickut

Lainaus käyttäjältä: Timpe - 26.09.2012, 22:33:12
Selitätkö vielä, miksi olisi parempi kuvata 1x1 binnattuja kuvia, joiden histogrammi asettuu esim. 0-20000 ADU:n väliin kuin kuvata 2x2 binnattuja kuvia, joissa histogrammi asettuu 500-35000 ADU:n välille?

Lisäyksenä vostokin postaukseen:
Jos saat 1x1 binningillä kohteesta yhteen pikseliin 1000 fotonia, toiseen 100 ja taustataivaasta 200 fotonia valotuksen aikana, saman kestoisella valotuksella 2x2 binningillä saat kohteesta 4000 yhteen ja 400 toiseen pikseliin, sekä 800 fotonia taustataivaasta. 1x1 binning kuvassa on siis ADU-skaala 300-1200 ja 2x2 binning kuvassa 1200-4800. Skaala kasvoi, mutteivät arvojen väliset suhteet, eli SNR ei parantunut mikäli kumpikin valotus on taivasrajoittunut ja lukukohinan voi käytännössä unohtaa.

-A

Timpe

Lainaus käyttäjältä: Lauri Kangas - 26.09.2012, 22:43:54
Nyt jos onkin sitten valotettu riittävän pitkä aika ja lukukohina on painunut ennalta määrittämäämme osuuden alle, ei hyödytä enää mitään valottaa pidemään. Valotuksen voi katkaista ja alkaa kerätä uutta satsia fotoneita, jotka voi sitten laskea yhteen edelliseen lukemaan. Vaikka 2^16 asti ylettyvistä numeroista jäi osa käyttämättä, voi lohduttautua sillä että aloittamalla uuden valotuksen saattoi säästyä kaikenlaisilta muilta murheilta.

Kiitos, nielin puolikkaan ratakiskon... mutta eikö sinne kennon fotonikaivoihin tipahda pidemmässä valotuksessa useampi fotoni kuin tyytymällä noin lyhyisiin (3 min) valotuksiin? Tällöin himmeän kirkkauden alueetkin sisältäisivät kuvassa useamman fotonin kuin sen yhden ainokaisen, joka sinne ehtii 3 min aikana (kärjistäen). Auttaisikohan yön yli nukkuminen ymmärtämään tämän?

Edit: Mickut taisikin valaista tätä ongelmaa riittävästi... pitäisiköhän jo uskoa näitä herroja?  :grin:
- Timo Inkinen

mickut

Lainaus käyttäjältä: Timpe - 26.09.2012, 22:59:40
Kiitos, nielin puolikkaan ratakiskon... mutta eikö sinne kennon fotonikaivoihin tipahda pidemmässä valotuksessa useampi fotoni kuin tyytymällä noin lyhyisiin (3 min) valotuksiin?

Tuo taivaskohinan raja-arvo ei ole mikään absoluuttinen pakkolukema, kullakin on omat standardinsa siitä paljonko lukukohinan osuus taivaasta saa olla. Lisäksi halutun kohteen fotonivuo rajaa minimivalotusta toisesta suunnasta. Jos saat kohteesta fotonin pikselille per 10 minuuttia, et saa sigma-pinoilla kohdetta esiin millään numeroituvalla määrällä 3min valotuksia (fotoni alle joka kolmannessa ruudussa = yli kaksi sigmaa eroa keskiarvoon, jätetään pois tilastollisena virheenä). Ja Vostokilta tulee varmaan kohta matematiikkaa magnitudeista ja fotoneista  :grin:

-Antti

Lauri Kangas

Lainaus käyttäjältä: Timpe - 26.09.2012, 22:59:40
Kiitos, nielin puolikkaan ratakiskon... mutta eikö sinne kennon fotonikaivoihin tipahda pidemmässä valotuksessa useampi fotoni kuin tyytymällä noin lyhyisiin (3 min) valotuksiin?

Jos lukukohina ja muut inhottavat jutut unohdetaan, ei ole mitään väliä laskitko pikseliin tulevat fotonit yhdellä kertaa (pitkä valotus) vai kirjoititko välillä numeroita lapulle muistiin (monta valotusta ja summapino). Poissonin jakauman hienous on juuri tämä: jakaumasta otetun näytteen keskihajonta on sen odotusarvon neliöjuuri, vaikka olisit ottanut niitä monta ja summannut ensin.

Jos inhottavia juttuja ei unohdeta, niin homma on hieman mutkikkaampi. Perusajatus kuitenkin on, että sen osavalotuksen kannalta ei histogrammin täyttöasteella ole muuta väliä kuin että puhki palavat pikselit tietysti määräävät valotukselle ylärajan.

Lainaus käyttäjältä: mickut - 26.09.2012, 23:33:52
Ja Vostokilta tulee varmaan kohta matematiikkaa magnitudeista ja fotoneista  :grin:

Näin on, nyt lähtee:

Lainaus käyttäjältä: Timpe - 26.09.2012, 22:59:40
Tällöin himmeän kirkkauden alueetkin sisältäisivät kuvassa useamman fotonin kuin sen yhden ainokaisen, joka sinne ehtii 3 min aikana (kärjistäen).

Jotta kärjistykselle saadaan kasvot, niin laskeskellaanpa mitä tuo vastaa. Magnitudin 8.5 kohteesta (esim. Mustasilmägalaksi M64) tulee ihmissilmään (D=7mm) 270 fotonia sekunnissa V-kaistalla. (lähde). Jos erääseen hyvinkääläiseen f=1500mm Newtoniin asennetaan D=7mm himmennysmaski ja käytetään erästä 8300-sarjan kennoa 5.4µm pikseleillä ja vihreällä filtterillä, saadaan galaksin kuvaksi 800x400 pikselin ellipsi.

Tämän ellipsin pinta-alalle siroteltuna fotoneja riittää yhtä pikseliä kohti keskimäärin noin yksi kappale vartissa. Jotta päästään tuohon yksi fotoni kolmessa minuutissa -vauhtiin, on kasvatettava aukkoa viisinkertaiseksi eli halkaisijaltaan 16-milliseksi.

Jos 16mm reikämaski otetaan pois ja kuvataan 300mm aukolla, saadaankin fotoneita kaksi kappaletta sekunnissa eli yli 300 tuossa 3min valotuksen aikana.

Jos taas kuvataan edelleen 300mm aukolla ja valitaan kohteeksi näennäisesti saman kokoinen mag 14.9 galaksi, ei fotoneita tulekaan enää kuin tuo yksi/3min. Noin himmeät galaksit ovat kuitenkin tietysti tyypillisesti näennäiseltä läpimitaltaan huomattavasti pienempiä ja siten pintakirkkaudeltaan paljon kirkkaampia (tuhansia kertoja), eli niitäkin voi vielä ihan hyvin kuvata.

Yhteenvetona siis yksi fotoni kolmessa minuutissa on vauhti joka alittaa himmeydessään kaiken meikäläisten havaittavissa olevan töhnän. Kuitenkin, jos aikoo kuvata vähänkään himmeämpiä kohteita, on syytä hankkiutua paikkaan jossa taustataivaan pimeys mahdollistaa pitkät sky-limited valotukset, jolloin pääsee hyödyntämään sigma clippiä ja muita hienoja pinotyylejä (eli mitä Mickut kirjoitti ylhäällä). Teoriassahan mitään alinta mahdollista rajamagnitudia ei ole jos käyttää summa/keskiarvopinoa, mutta silloin tarvittavat kokonaisvalotusajat varmaan venyvät vuosien mittaisiksi.

Olisiko vielä kysyttävää?  :grin:

Jyrki


Todella mielenkiintoista ja hyvää analyysiä ...kiitoksia kirjoittajille. Auttaa taas ymmärtämään hieman enemmän näitä tähtikuvaukseen liittyviä mysteerejä.

Jos unohdetaan tarkat laskemat hetkeksi niin omat kokeilut kapeakaista puolelta tukevat kyllä tätä, sillä en ole huomannut juurikaan eroa lopputuloksessa jos pinoan 10x10 min tai 10x20 min otoksia samasta kohteesta (esim. jostain sumusta) Se mitä en vieläkään ihan tajua on, että miksi jotkut hyvät kuvaajat ottavat 20 min otoksia valovoimaisillakin vehkeillä samoista kohteista. Joku hyöty siitä pitää silloin olla ...vai onko kyseessä vain kuvauspaikkojen (pimeyden) ero ?   
Officina Stellare Veloce RH200 F/3.0, Canon FD 300mm F/2.8, ASA DDM60 PRO, SBIG STF-8300M.
http://www.flickr.com/photos/67018317@N07/

mickut

Lainaus käyttäjältä: Jyrki - 27.09.2012, 08:21:12
Jos unohdetaan tarkat laskemat hetkeksi niin omat kokeilut kapeakaista puolelta tukevat kyllä tätä, sillä en ole huomannut juurikaan eroa lopputuloksessa jos pinoan 10x10 min tai 10x20 min otoksia samasta kohteesta (esim. jostain sumusta) Se mitä en vieläkään ihan tajua on, että miksi jotkut hyvät kuvaajat ottavat 20 min otoksia valovoimaisillakin vehkeillä samoista kohteista. Joku hyöty siitä pitää silloin olla ...vai onko kyseessä vain kuvauspaikkojen (pimeyden) ero ?   

Jos tuplaat valotusajan ja pidät määrät samoina, pitäisi SNRn kasvaa 2½:lla (olettaen ettei taivaan kirkkaus muutu öiden välillä). Pari melko selkokielistä selitystä esimerkkikuvin löytyy intternetistä, esim Michael Richmondin luentomateriaali ja Dennis Isaacsin kuvalliset esimerkit.

Valotusta kasvatetaan juuri niiden himmeiden kohteiden lähettämien harvojen fotonien vuoksi. Pitkällä valotusajalla nuo harvat fotonit ovat jokaisessa ruudussa, lyhyellä valotuksella niitä taas on vain osassa ruutuja, joten menevät kohinan kanssa romukoppaan. Tilastollisilla pinoamismenetelmillä ja parilla kymmenellä alivalotuksella voidaan poistaa kaikenlaiset satellittit, kosmiset säteet ja muut häiriöt menettämättä virheen kohdan pinon SNRää merkittävästi. Jos esim kohteen yli kulkee satelliitti ja parissa ruudussa siihen samaan kohtaan osuu kosminen säde, ei 20 ruudun pinossa tapahdu vielä kovin pahaa jälkeä, mutta viiden ruudun pinossa meneekin jo huonosti, SNRt muuttuvat sqrt(20) => sqrt(17) ja sqrt(5) => sqrt(2). Tuosta samasta neliöjuuresta voi myös päätellä ettei ihan älyttömän suuria ruutumääriä kannata ottaa, sillä hyöty vähenee varsin voimakkaasti vakion lukukohinan vuoksi.

-A

Jyrki

Kiitos vastauksesta Antti...

edit:
Ja erinomaista lähdemateriaalia.
Officina Stellare Veloce RH200 F/3.0, Canon FD 300mm F/2.8, ASA DDM60 PRO, SBIG STF-8300M.
http://www.flickr.com/photos/67018317@N07/