Jemný úvod astrofotografa do šumu

Pro pochopení šumu v astronomických obrazech nepotřebujete PhD Zde je úvod do různých zdrojů hluku v astrofotografii a jak s nimi bojovat.

Můžete se odtud dostat!
Richard S. Wright Jr.

Hluk a signál jsou možná dva nejdůležitější pojmy, které je třeba pochopit, pokud jde o astrofotografii. Hluk je v podstatě nežádoucí haraburdí a signál je hezká věc, kterou se snažíte zachytit. Chceme hodně signálu a chceme co nejméně hluku. Mnoho technik, o kterých budu v tomto prostoru v budoucnu diskutovat, je o optimalizaci signálu a snížení hluku. Snažíme se optimalizovat poměr signálu k šumu nebo S / N (signál dělený šumem). . . a ano, mohou být reprezentovány čísly! Čím vyšší / větší / větší S / N, tím vyšší kvalita vašich dat.

Hlučný / zrnitý barevný obrázek.
Richard S. Wright Jr.

Existuje několik známých zdrojů hluku, na kterých nám záleží nejvíce, a máme různé techniky zpracování, abychom s nimi bojovali. Prozatím položím nadaci, než se budu zabývat těmito zdroji jeden po druhém v podrobnějších budoucích splátkách.

Shot Noise

Toto je náhodné kolísání příchodu fotonů, když je váš senzor zachytí. Pomysli na několik postřikovačů deště zasáhnout chodník. Tady je ikona a plop, takže skvrnitý pohled, dokud neklesne dostatek kapek deště, aby chodník byl rovnoměrně mokrý. Obrovská dešťová sprcha naopak na chodníku okamžitě provokuje. Světlo dopadající na váš obrazový senzor se chová téměř stejně. S trochou světla skončíš velmi nerovnoměrným, rozzářeným pohledem - V lidové vesnici bychom tento vzhled mohli nazvat zrnitým - dokud detektor pomalu nevytvoří dostatek signálu. Čím více světla máte, tím rychleji získáte pěkný, hladký a jednotný obraz. Naší primární zbraní pro tento druh hluku je pořizovat delší expozice a skládat obrázky.

Dark Current Noise

Nezchlazený (nahoře) má z tmavého proudu větší šum než ochlazený (spodní) obraz.

Richard S. Wright Jr.

Důvodem, proč chladíme naše kamery, je ovládání tohoto zdroje šumu. I když na to nesvítí žádné světlo, bude obrazový senzor akumulovat signál z tepelné energie (tj. Tepla) v samotném čipu. Tím se pro každou expozici přidá offset. Ale nejde o jednoduchý offset - tmavý proud má stejný druh náhodných výkyvů jako výstřel. Viděl jsem tento zdroj šumu, stejně jako hluk z tmavého záběru nebo tepelný hluk. Bez ohledu na to, čemu říkáte, je to hluk a my to nechceme. Na rozdíl od mnoha zdrojů na webu, odečtením tmavého snímku tento zdroj šumu není zcela odstraněn, pouze odstraní ofset. Chcete-li tento zdroj šumu snížit, musíte naskládat mnoho snímků a / nebo ochladit fotoaparát. Zůstaňte se mnou pro to, co tmavé snímky dělají…

Přečtěte si hluk

Tento šum nebo nejistota je způsobena elektronikou fotoaparátu. Jak se odečítá každá hodnota pixelu, několik dalších elektronů se náhodně ztratí nebo získá, což způsobí, že se hodnota odečtu trochu liší od skutečné zaznamenané rychlosti signálu. Hluk čtení má největší dopad na slabé signály. Na rozdíl od jiných zdrojů šumu je čtecí šum nezávislý na době expozice, což znamená, že za čtecí šum zaplatíte za každý snímek pevnou cenu, bez ohledu na to, zda se jedná o expozici 2 sekund nebo 20 minut. Kromě získání vylepšené elektroniky je nejlepším způsobem, jak porazit čtecí šum, zajistit, abyste během jediné expozice vystavili dostatečně dlouhou dobu, aby nejslabší funkce, kterou chcete zaznamenat, měla signál značně nad čtecím šumem.

Hluk s pevným vzorem

Tento druh šumu se vyskytuje ve dvou příchutích: nestejnoměrnost tmavého signálu (DSNU) a nestejnoměrnost fotocitlivosti (PRNU). Kalibrační rámečky Dark a Bias jsou nástroje, které používáme v boji proti DSNU, zatímco kalibrace plochých snímků se stará o PRNU. Zatímco někteří snímači přeskočí kalibraci plochých rámů, pokud nemají prachové zajíčky nebo výrazné vinětace, uvidíme, že PRNU nelze porazit samotným naskládáním a za určitých okolností to opravdu nechcete ignorovat.

Typický (byť poněkud zaneprázdněný) plochý kalibrační rámeček.

Hluková matematika

S výjimkou šumu při čtení se všechny tyto zdroje šumu spolu se signálem zvyšují. Čím déle vystavujete, tím více signálu máte, ale také čím více šumu se hromadí. Zdroje šumu s pevným vzorem rostou úměrně signálu a můžeme je odstranit pomocí kalibračních rámců.

Hluk výstřelu je obvykle (ale ne vždy) náš největší zdroj hluku. Trik se šumem výstřelu spočívá v tom, že stoupá mnohem pomaleji než signál, takže signál nakonec ve srovnání s tímto zdrojem šumu zaplaví. Můžeme je porovnat pomocí poměru signál-šum. Chcete-li být matematicky správná, nemusíte hluk skutečně snižovat; zvyšujete poměr signálu k šumu. Rozštěpení vlasů? Možná.

Signál dramaticky překonává šum rychlostí čtverce šumu.
Richard S. Wright Jr.

Existuje jednoduchý matematický vztah k tomu, jak rychle roste signál ve vztahu k šumu: Hluk se zvyšuje s druhou odmocninou signálu. To dělá pěkný graf, že? Můžete vidět, že jak signál roste lineárně (přímka), hluk rychle ustupuje. Bohužel, střílíme některé docela slabé cíle a často trvá nějakou dobu, než dostaneme tolik signálu, kolik potřebujeme, abychom překonali hluk. Proto je pro nás důležité porozumět všem zdrojům šumu v našich obrazech a jak nejlépe s nimi bojovat.

Pokračování příště…