S/N

[Albertus]

Saluti a tutti

Supponiamo di fotografare lo stesso oggetto celeste deep sky , con lo stesso set up , sotto lo stesso cielo e a parità di tempo totale:

A ) con tante esposizioni di breve durata
B) con poche esposizioni di lunga durata

nel secondo caso il rapporto segnale / rumore dovrebbe essere più alto

Supponendo che in entrambi i casi non ci sia mosso, ci sarebbero delle differenze significative tra le due immagini ?

[Nicobugi]

supponiamo di avere due ore a disposizione e di fare una sessione con 12 pose da 10min ed un'altra con 40 pose da 3min, in quest'ultimo caso avresti un'immagine più pulita appunto per maggior rapporto segnale/rumore, poiché il rumore diminuisce all'aumentare del numero pose mediate, quindi avrai un'immagine finale anche più dettagliata

[etruscastro]

ma oltre un certo limite non c'è un miglioramento sostanziale.
sposto in -Deep Sky-

[Marco Rapino]

A parità di tempo totale di esposizione, le pose lunghe vincono sempre, perché mentre il segnale cresce in maniera lineare, il rumore cresce in maniera inversamente quadratica \sqrt{T}.
Pertano 10 esposizioni da 10s avranno
S: 10*10 = 100 R: 10 * \sqrt{10} = 33 SNR = 3.33

Una esposizione da 100s
S = 100 R = \sqrt{100} = 10 SNR = 10

Come dice Etruscastro c'è un limite oltre il quale il rapporto SNR non migliora più, ma parliamo di molte ore di posa prima di raggiungerlo

[Marco Rapino]

supponiamo di avere due ore a disposizione e di fare una sessione con 12 pose da 10min ed un'altra con 40 pose da 3min, in quest'ultimo caso avresti un'immagine più pulita appunto per maggior rapporto segnale/rumore, poiché il rumore diminuisce all'aumentare del numero pose mediate, quindi avrai un'immagine finale anche più dettagliata

È il contrario, non conta il numero di pose totali, ma il tempo di ciascuna posa per il motivo di cui sopra :)

[Nicobugi]

È il contrario, non conta il numero di pose totali, ma il tempo di ciascuna posa per il motivo di cui sopra :)
e dibattito aperto sia :biggrin:

[altazastro]

La trattazione matematica in dettaglio del problema (ne potete trovare una qui (http://dslr-astrophotography.com/long-exposures-multiple-shorter-exposures/)) dimostra che le pose lunghe sono avvantaggiate, però il vantaggio è tanto minore quanto peggiore in termini di IL è il cielo e comunque anche con cieli molto buoni è meno di quanto magari si pensa.

Inoltre la differenza è tanto minore quanto il rumore di lettura è basso, ed in questo senso i CMOS stanno riducendo ulteriormente le distanze.

Altra interessante lettura (in italiano stavolta):

https://www.skypoint.it/img/cms/Blog/CMOSvsCCD/CMOSvsCCD%20-%20Skypoint%20-%20Narduzzi.pdf

particolarmente da pagina 14 in avanti su questo tema.

Sono essenzialmente le considerazioni (di entrambi gli articoli) che mi hanno portato a provare la strada dell'astrofotografia a pose corte in altazimutale.

[Marco Rapino]

Allora va fatta distinzione tra quale abbia un SNR maggiore e cosa sia meglio fare date le circostanze di acquisizione, perché sennò si fa solo confusione :)
È comprovato matematicamente e fisicamente che le lunghe pose hanno un rapporto SNR maggiore sempre per il motivo spiegato sopra del rapporto che c'è tra la crescita del segnale e del rumore, rispettivamente lineare e inversamente quadratico. È palese che mettendo queste due funzioni su un grafico si nota come al crescere del tempo T il rapporto tra le due funzioni si fa via via più grande a favore del segnale, ergo un SNR più alto.

Ora parliamo da un punto pratico:
I sensori CCD hanno un rumore di lettura superiore ai sensori CMOS, questo perché la natura fisica dei sensori che sono estremamente sensibili alla radiazione luminosa ha di contro il fatto che soffrano di tale problema. Difatti proprio per avere immagini pulite si consiglia ai possessori di CCD di fare pose lunghe e NON più pose! Sempre per il punto sopra.

I sensori CMOS soffrono molto meno tale rumore e con tempi più brevi riescono ad ottenere lo stesso SNR delle CCD, anche se va detto che per cogliere i dettagli più deboli di oggetti con magnitudine molto alta i tempi brevi saranno sempre un problema, perché va bene il rapporto segnale rumore, ma il sensore deve raccogliere abbastanza segnale per mostrare tali dettagli. La CCD in questi casi vince.

Parliamo anche di un altro aspetto FONDAMENTALE di questa discussione, la FWC dei sensori. Le CCD tendono ad avere una FWC di gran lunga superiore alle CMOS, la mia SBIG ha 70k vs i 20k della ASI 1600 GT..una differenza abissale. È chiaro che con una FWC così bassa l'inquinamento luminoso diventa un grosso problema, perché le pose lunghe non fanno altro che saturare il sensore con IL, data la piccola capacità dei bucket dei CMOS, cosa che invece non vale per le CCD, perché prima che si satura un pixel ci vuole più del triplo del tempo.

Quindi riassumendo, dal punto di vista scientifico lunghe exp > brevi exp, da un punto di vista pratico consiglio con le CCD di fare lunghe pose e con i CMOS di farle lunghe abbastanza prima di saturare il sensore, vuoi perché l'oggetto abbia una magnitudine bassa o vuoi per inquinamento luminoso e simili. Comunque consiglio le più lunghe possibili.

[cesarelia]

Anche secondo me ha ragione Marco, i tempi lunghi vincono sempre, a parità di condizioni. Poi se vincono di una spanna o due spanne a seconda delle condizioni non saprei, ma vincono.
Poi c'è un limite a tutto, ad esempio non farò una sola posa da 8 ore, ma certamente per motivi diversi dal rapporto S/N

[Albertus]

salute a tutti

sono contento che la mia domanda sembra aver suscitato un certo interesse
Io ho solo conoscenze teoriche , poca pratica e solo visuale, ma la sapevo come Marco e gli altri
ancora un paio di precisazioni :

1 )
le CMOS hanno "bucket " con un FWC più basso rispetto alle CCD ma anche , in generale,
pixel più piccoli
Non dovrebbe contare LWC per unità di superficie ?

2)
consideriamo due immagini ottenute entrambe con un sensore CMOS , con tempi di esposizione diversi ma stesso tempo di integrazione
L' immagine con SNR più alto dovrebbe essere più "pulita"
Cosa si intende esattamente ?
La risoluzione dovrebbe dipendere solo dal diametro del tele
Il contrasto credo solo dalla sensibilità del sensore (12 bit) oltre che dal tele (rifrattore o riflettore ) che sono gli stessi nei due casi
I dettagli dei componenti poco luminosi dovrebbero essere gli stessi in quanto il numero di fotoni "puliti" è lo stesso a parità di tempo totale
forse i fotoni o meglio gli elettroni "sporchi" alterano i colori ?
se è cosi, in che modo ?

[Marco Rapino]

Allora riguardo ai punti evidenziati:

1) La FWC (Full Well Capacity) esprime la capacità di carica che un singolo bucket può contenere prima di saturare. Nelle CCD non dotate di ABG (Anti Blooming Gate) questo si traduce in un vero e proprio fenomeno di traboccamento dei fotoni nei bucket circostanti seguendo la direzione della gravità. Quindi la FWC è direttamente subordinata al cielo da dove si fotografa perché l'inquinamento luminoso arriva come segnale prima di quello dello spazio profondo, per ovvi motivi di distanza ed intensità :D

2) IL rapporto segnale-rumore si traduce in sostanza da quanto segnale e rumore siano facilmente distinguibili l'uno dall'altro, soprattutto rispetto al valore mediano dell'immagine e del fondo cielo. Un'immagine con basso SNR risulterà rumorosa, con grana che va a distruggere i dettagli del soggetto soprattutto nelle zone di basso segnale, al contrario un alto SNR vuol dire un'immagine con fondo cielo ben distinto, grana poco presente se non inesistente e struttura del DSO ben definita e riconoscibile.

Vorrei fare una precisazione doverosa, si sta parlando di rumore di lettura e non rumore termico dovuto ai tempi di esposizione del sensore. Il primo, che viene eliminato con i bias, va a sommarsi con esposizioni multiple pertanto se fate pose brevi avrete bisogno di molti più light frames e non è proprio lineare il rapporto. Se ad esempio faccio 12 pose da 20m per un totale di 4h, il risultato non sarà equivalente a 24 pose da 10m e così via.
Sempre per il solito motivo già ribadito più e più volte :)

Riguardo il gain mi limiterei a dire che non aumenta assolutamente il rumore, così come l'ISO, quello su cui incide è i tempi di posa prima che il sensore saturi (maggiore, prima) e la compressione del range dinamico perché si hanno meno bit a disposizione per rappresentare l'informazione (effetto posterizzato). Tuttavia usato in combo con l'offset, che sostanzialmente definisce il black point del segnale, può essere fenomenale nell'ottenere immagini con altissimo SNR nei sensori CMOS a discapito di un minor range dinamico, anche se questo può essere recuperato fino a ben 3bit facendo molte pose. Se bilanciato bene mette praticamente alla pari CMOS e CCD nell'acquisizione di immagini a banda stretta, con la differenza che uno costa la metà dell'altro :D

[Spacetime]

Dal punto di vista astronomico bisogna vedere anche la tipologia di soggetti. Su un soggetto molto luminoso come alcune planetarie può avere senso tenersi su pose più brevi e più scatti. Un discreto segnale ci sarà sempre in ogni scatto, mentre il rumore viene più facilmente rigettato dall'alto numero di essi. Poi a livello pratico sono spesso soggetti piccoli dove è più importante avere il dettaglio scolpito, e allungare i tempi peggiora l'influenza del seeing, ma questo è un altro discorso.

Viceversa con un oggetto molto debole solo qualche fotone ogni tanto colpisce il sensore, per cui fare scatti relativamente brevi non ha senso, perchè molti di essi semplicemente non conterranno nessun segnale utile. E quei pochi scatti che conterranno dei pixel con un segnale "vero", non saranno trattati in modo ottimale dagli algoritmi di integrazione, perchè ci saranno appunto molti altri scatti senza quel segnale.

[Albertus]

saluti

vorrei ritornare sull'effetto del rapporto segnale /rumore per quanto riguarda la qualità dell'immagine
supponiamo di fotografare una sola stella con un CCD monocromatico senza anti blooming , supponendo che nessun pixel giunga alla saturazione

Se il CCD fosse ideale solo i pixel che ricevono i fotoni dalla stella dovrebbero accumulare elettroni
Il risultato dovrebbe quindi essere un cerchietto molto luminoso su uno sfondo molto scuro
invece a causa del componente del rumore non eliminabile tutti i pixel accumulano elettroni
Gli elettroni "termici" non sono distinguibili da quelli "fotonici" e quindi contribuiscono anche loro alla luminosità del pixel

Aumentando il tempo di esposizione la percentuale di elettroni "termici " presenti nei pixel della stella diminuisce rispetto ai pixel dello sfondo quindi aumenta il contrasto luminosità stelle vs luminosità sfondo
Lo stesso concetto naturalmente si applica naturalmente a tutti i pixel dell'immagine ad esempio di una galassia
Aumentando il rapporto S/N si dovrebbe migliora il contrasto
E' giusto ?
Im ogni caso che rapporto S/N si ritiene sufficiente per una fotografia estetica ?
Vale a dire il valore oltre al quale l'occhio umano non è in grado di apprezzare la differenza di contrasto