Dudas varias sobre ruido en CCDs

neb_34
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Dudas varias sobre ruido en CCDs

Mensajepor neb_34 » 09 Sep 2009, 23:32

Hola:

Ando estudiándome seriamente lo de comprarme una CCD y me saltan de nuevo varias dudas (perdón por el tocho):

1. Os he leído varias veces que el ruido térmico se puede elimnar fácilmente, pero que el de lectura sólo promediando. ¿Alguien me puede explicar esto? Para mi son dos fuentes de ruido que se tratan más o menos igual, en relación al uso de un buen master-bias y un buen master-dark. Pero aparte del calibrado si tenemos mucho ruido térmico también tenemos que promediar muchas tomas ¿no? Al menos esa es mi experiencia con una Canon 400D, no se si con la refrigeración de una CCD me puedo olvidar del ruido térmico.

2. Leí hace tiempo un estupendo hilo del foro que explicaba como calcular el tiempo mínimo de una toma, pero enlace que guardé ya no me funciona y no recuerdo cómo se hacía.

3. En relación también con lo anterior me planteo el siguiente caso, quizás un tema recurrente, pero no me queda claro. Supongamos que hago 5 tomas de 1min y otra de 5 min. Al apilar las 5 primeras tengo la misma señal que en la de 5 min y el ruido de lectura en teoría sería el de una toma multiplicado por raiz de 5. Por lo tanto con la toma de 5 minutos he multiplicado (frente al apilado de las de 1 min) la relación señal ruido por raiz de 5. ¿Esto es así? ¿Lo único que limita el tiempo de exposición es la saturación?

4. Yo creía que cuando se apilan imágenes de 16bits con un programa de 32bits (creo que DSS lo es) no se satura al sumar. Sin embargo en el hilo http://www.asociacionhubble.org/portal/ ... 24&t=25680 cometas decía: "En resumen no es bueno pasarse de cuentas pues luego tras apilar muchas tomas todo sale quemado ,y pierdes los detalles de los objetos mas debiles." Me fío más de cometas que de mi mismo, pero me gustaría estar seguro.

5. Por último, no tiene nada que ver con el ruido, pero no he encontrado cuál es la ventaja de un obturador mecánico y de uno electrónico.

Todo esto es lo que me ha quedado en el tintero después de revisar un montón de hilos antiguos. Por cierto que el hilo
http://www.asociacionhubble.org/portal/ ... 24&t=25680 yo lo pondría como postit. Me parece genial la explicación de los cubos recogiendo agua de lluvia.

Saludos

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acafar
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Re: Dudas varias sobre ruido en CCDs

Mensajepor acafar » 10 Sep 2009, 00:28

No soy ningún experto, pero te digo lo que opino de alguna de las cosas a espera de palabras expertas que confirmen o desmientan.

neb_34 escribió:
1. Os he leído varias veces que el ruido térmico se puede elimnar fácilmente, pero que el de lectura sólo promediando. ¿Alguien me puede explicar esto? Para mi son dos fuentes de ruido que se tratan más o menos igual, en relación al uso de un buen master-bias y un buen master-dark. Pero aparte del calibrado si tenemos mucho ruido térmico también tenemos que promediar muchas tomas ¿no? Al menos esa es mi experiencia con una Canon 400D, no se si con la refrigeración de una CCD me puedo olvidar del ruido térmico.



En efecto, el límite principal para la calidad de una imagen CCD lo pone el ruido de lectura, el ruido térmico se elimina enfriando: así se consigue que el ruido térmico no aumente de forma proporcional al tiempo de exposición. Por eso el ruido térmico limita más la exposición de las cámaras no refrigeradas como las DSLR. Vamos que según entiendo yo en una CCD bien refrigerada básicamente te puedes olvidar del ruido térmico como factor importante para decidir el tiempo de exposición.

neb_34 escribió:
2. Leí hace tiempo un estupendo hilo del foro que explicaba como calcular el tiempo mínimo de una toma, pero enlace que guardé ya no me funciona y no recuerdo cómo se hacía.


Justamente está relacionado con lo anterior: la forma de que el ruido de lectura influya lo menos posibles es haciendo tomas suficientemente largas. El maestro cometas habla a menudo de tomas en las que la señal del ruido del fondo del cielo (que es la señal más débil de la imagen) debe superar en 3 veces el ruido de lectura de la CCD. El valor de "tres veces" creo que es empírico, pero es el recomendado para obtener el tiempo mínimo de toma.

neb_34 escribió:
3. En relación también con lo anterior me planteo el siguiente caso, quizás un tema recurrente, pero no me queda claro. Supongamos que hago 5 tomas de 1min y otra de 5 min. Al apilar las 5 primeras tengo la misma señal que en la de 5 min y el ruido de lectura en teoría sería el de una toma multiplicado por raiz de 5. Por lo tanto con la toma de 5 minutos he multiplicado (frente al apilado de las de 1 min) la relación señal ruido por raiz de 5. ¿Esto es así? ¿Lo único que limita el tiempo de exposición es la saturación?


Creo que no es así, o al menos al leerte interpreto que te sale al revés. Veamos:

- Supongamos que la señal en la toma de 5 minutos es S y el ruido R. Por tanto Relación Señal Ruido (SNR) = S/R.
- En un "mundo ideal" en la toma de 1 minuto tendremos S/5 y R/5.
- Al apilar 5 tomas de 1 minuto la señal será (también idealmente, en realidad un poco menos): S/5+S/5+S/5+S/5+S/5 = S, es decir la misma señal de la toma de 5 minutos.
- En cambio el ruido no se suma sino que se hace la raíz cuadrada antes: nos queda 5 √(R).
- Por tanto en la toma apilada de 5 minutos tenemos SNR = S/ (5√R)

Por tanto al apilar las 5 tomas de 1 minuto mejoramos la relación señal ruido con respecto a la toma de 5 minutos. Es decir en la toma de 5 minutos has dividido (frente al apilado de las de 1 min) la relación señal ruido por raiz de 5, no multiplicado como dices en el post. Supongo que quieres decir esto mismo, lo mismo me he liado al leerte. Claro que esto no quiero decir que las tomas cuanto más cortas mejor :) no hay que olvidarse de los puntos anteriores y hacer las tomas suficientemente largas como para disminuir la influencia del ruido de lectura, además de aprovechar el intervalo dinámico de la cámara -sin saturar- Por cierto que creo que aparte de la saturación otros factores como la calidad del guiado influyen y mucho en el tiempo máximo de exposición....

Un excelente texto sobre la SNR: http://www.astrosurf.com/afernandez/equ ... 00_web.htm

Como te digo no soy ningún experto y lo que te cuento es todo teoría que he leído.

Saludos,

Rafa

neb_34
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Re: Dudas varias sobre ruido en CCDs

Mensajepor neb_34 » 10 Sep 2009, 13:29

Muchas gracias Rafa por tu respuesta. Te contesto por partes:

acafar escribió:En efecto, el límite principal para la calidad de una imagen CCD lo pone el ruido de lectura, el ruido térmico se elimina enfriando: así se consigue que el ruido térmico no aumente de forma proporcional al tiempo de exposición. Por eso el ruido térmico limita más la exposición de las cámaras no refrigeradas como las DSLR. Vamos que según entiendo yo en una CCD bien refrigerada básicamente te puedes olvidar del ruido térmico como factor importante para decidir el tiempo de exposición.


Pues entoces el punto 1 está claro, me había liado pensando que había que seguir contando con mucho ruido térmico que eliminar a base de promediar tomas, pero claro, a -10ºC o incluso menos el ruido térmico se queda mucho más bajo que el de lectura.

acafar escribió:Justamente está relacionado con lo anterior: la forma de que el ruido de lectura influya lo menos posibles es haciendo tomas suficientemente largas. El maestro cometas habla a menudo de tomas en las que la señal del ruido del fondo del cielo (que es la señal más débil de la imagen) debe superar en 3 veces el ruido de lectura de la CCD. El valor de "tres veces" creo que es empírico, pero es el recomendado para obtener el tiempo mínimo de toma.


Eso de tres veces es una de las cosas que había olvidado. Lo que pasa que lo veo muy corto. Si la relación señal ruido (SNR) de una toma es 3 necesito promediar 100 tomas para tener una SNR=30, que me imagino que será casi lo mínimo para que el ruido no sea muy apreciable.

acafar escribió:Creo que no es así, o al menos al leerte interpreto que te sale al revés. Veamos:

- Supongamos que la señal en la toma de 5 minutos es S y el ruido R. Por tanto Relación Señal Ruido (SNR) = S/R.
- En un "mundo ideal" en la toma de 1 minuto tendremos S/5 y R/5.
- Al apilar 5 tomas de 1 minuto la señal será (también idealmente, en realidad un poco menos): S/5+S/5+S/5+S/5+S/5 = S, es decir la misma señal de la toma de 5 minutos.
- En cambio el ruido no se suma sino que se hace la raíz cuadrada antes: nos queda 5 √(R).
- Por tanto en la toma apilada de 5 minutos tenemos SNR = S/ (5√R)

Por tanto al apilar las 5 tomas de 1 minuto mejoramos la relación señal ruido con respecto a la toma de 5 minutos. Es decir en la toma de 5 minutos has dividido (frente al apilado de las de 1 min) la relación señal ruido por raiz de 5, no multiplicado como dices en el post.


Yo diría que en el ejemplo teórico la toma de 1 minuto tendría una señal = S/5, pero un ruido = R, porque el ruido de lectura es independiente de la exposición. En ese caso la SNR = S/5R, con lo que tenemos 5 veces menos que en la toma de 5 min. Lo que pasa es que al promediar 5 tomas tengo una señal S/5 y un ruido R/raiz(5), o si es sumar tendría una señal S y un ruido R*raiz(5). De cualquier forma SNR = raiz(5)*S/R y hemos empeorado la SNR en raiz(5).

Mi resultado es distinto porque hemos supuesto distintos valores de ruido para las tomas cortas. A ver si alguien nos saca de la duda.

acafar escribió:Un excelente texto sobre la SNR: http://www.astrosurf.com/afernandez/equ ... 00_web.htm

Conocía este artículo, pero todavía no lo he podido descifrar completamente :( .

Saludos

PD. Tienes razón, se me olvidó citar también como otro factor que influye en el tiempo máximo de exposición la calidad del guiado.

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Re: Dudas varias sobre ruido en CCDs

Mensajepor cometas » 10 Sep 2009, 16:38

Me gustaria comentar el punto 4º que hacia referencia a no pasarse de cuentas .

En cielos polucionados luminicamente es facil alcanzar un fondo de cielo de 25.000 , o incluso 40.000 cuentas en pocos minutos. lo que queria decir es que no nos conviene que nuestras tomas invididuales tengan un valor de fondo de mas del 50% por ciento del valor donde nuestra CCD pierde la linealidad. Por ello recomiendo rebajar el tiempo de exposicion cuando se superan las 20.000 cuentas o 25.000 cuentas de fondo de cielo , pues tras apilar muchas tomas todo ese fondo de cielo enmascara en demasia los objetos debiles que puedierammos captar. Por lo demas , respentando este limite , cuanto mas largas sean las exposiciones mejor que mejor , (ojo suponiendo que nuestro guiado es perfecto)

En cuanto al tiempo minimo , pues seguir el consejo de exponer el tiempo suficiente para que la contibucion del ruido de lectura sea despreciable , para ello es necesario que el ruido del fondo de cielo , sea como minimo tres veces mayor.

Segun algunos expertos astrofotografos , ese valor es algo conservador y no hace falta llegar a ese valor , pero sin embargo alguno de los mejores astrofotografos de este pais opinan que en algunos casos conviene pasarse de ese valor para sacar todo el detalle de los objetos nebulosos mas debiles.

Yo no hago astrofotografia artistica asi que mi opinion no cuenta , pero lo que si sé. es que en objetos poco nebulosos como son los asteroides y algunos cometas , con menos de tres veces , he podido pillar objetos de magnitud 19 - 20 pese a usar tiempos de 10 o 20 segundos de exposicion tan solo.

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Re: Dudas varias sobre ruido en CCDs

Mensajepor neb_34 » 10 Sep 2009, 23:07

Muchas gracias Ramón por tu respuesta. Lo del punto 4 ya veo que fue una confusión mía. Creí que te referías a 25000 cuentas de máximo y claro, no me encajaba. Si eso se corresponde con el fondo del cielo en una CCD de 16 bits todavía queda rango.

cometas escribió:
En cuanto al tiempo minimo , pues seguir el consejo de exponer el tiempo suficiente para que la contibucion del ruido de lectura sea despreciable , para ello es necesario que el ruido del fondo de cielo , sea como minimo tres veces mayor.

Segun algunos expertos astrofotografos , ese valor es algo conservador y no hace falta llegar a ese valor , pero sin embargo alguno de los mejores astrofotografos de este pais opinan que en algunos casos conviene pasarse de ese valor para sacar todo el detalle de los objetos nebulosos mas debiles.

Yo no hago astrofotografia artistica asi que mi opinion no cuenta , pero lo que si sé. es que en objetos poco nebulosos como son los asteroides y algunos cometas , con menos de tres veces , he podido pillar objetos de magnitud 19 - 20 pese a usar tiempos de 10 o 20 segundos de exposicion tan solo.


Llegar a una magnitud de 19 a mi me parece un sueño, así que tendré que probar lo de tres veces el ruido de lectura. Mientras que llega el momento me seguiré estudiando el artículo de Antonio Fernández, a ver si por fin lo entiendo todo. Por cierto Ramón, que tu opinión sí que cuenta, porque aunque por ahora no me he atrevido a hacer fotos de cometas, asteroides y exoplanetas cuando tenga la CCD me encantaría aprender a hacerlas, así que tu opinión será de las más apreciadas.

Saludos

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Re: Dudas varias sobre ruido en CCDs

Mensajepor acafar » 10 Sep 2009, 23:17

Hola,

Lo que comentas de la SNR me convence, creo que es lo correcto y que yo estaba equivocado, aunque estaría bien que alguien nos lo terminara de aclarar. Pongo lo que deduzco de todo esto para ver si me cuelo en algo -seguro que sí, aún no lo tengo claro-

Es mejor hacer tomas largas si la montura lo aguanta y las imágenes no quedan saturadas porque:
1 Aumenta la SNR con respecto a las tomas apiladas
2 Se aprovecha mejor el rango dinámico de la cámara
3 Se disminuye el efecto del ruido de lectura

¿es así?

Saludos,

Rafa

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Re: Dudas varias sobre ruido en CCDs

Mensajepor neb_34 » 10 Sep 2009, 23:37

Pues a la 1 y 3 creo que sí. De la 2 creo que no, porque al aumentar la exposición puedes llegar a saturar las estrellas más brillantes. A partir de ese momento si sigues aumentando el tiempo de exposción vas reduciendo el rango dinámico (el máximo ya no pasa de las 4095 en una cámara de 12 bits y de los 65000 y pico en las de 16, mientras que el mínimo crece y crece).

Saludos

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Re: Dudas varias sobre ruido en CCDs

Mensajepor acafar » 11 Sep 2009, 00:45

Sí, por eso había puesto antes lo de "si no quedan saturadas".... (o mejor aún que no te salgas de la zona de comportamiento lineal) y la montura lo aguante ....

Por cierto que aprovecho para preguntar ¿para conocer el ruido de lectura se puede medir el ruido sobre un bias?

Saludos,

Rafa

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Re: Dudas varias sobre ruido en CCDs

Mensajepor neb_34 » 11 Sep 2009, 08:27

Rafa, uno de los enlaces mejores que he encontrado sobre esto está en la web de QSI, fabricante de las CCDs QSI:

http://www.qsimaging.com/ccd_noise_measure.html

Como verás básicamente se trata de restarle el master bias a un bias concreto y lo que queda es el ruido de lectura. Lo que yo supongo es que el valor que nos suelen dar los fabricantes es la desviación estándar obtenida de todos los píxeles de ese bias reducido, pero de eso no estoy seguro.

Edito: Acabo de revisar esto último en el artículo de Antonio Fernández y él dice que efectívamente el valor que se le asigna al error es la desviación estándar.

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Re: Dudas varias sobre ruido en CCDs

Mensajepor acafar » 11 Sep 2009, 14:15

Gracias por la respuesta! En efecto lo explica perfectamente.

Ya sé un poco más....aunque nunca he hecho un bias :oops: (mi DSI Pro II tampoco es para muchas sutiliezas)

Saludos,

Rafa

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