CCD et CMOS binning

[chonum 976]

Alors pour avoir le bon vocabulaire, le "binning" des CMOS (addition et division, donc augmentation du SNR), c'est du subsampling.

Le binning, c'est l'addition direct des charges (e-) des photosites d'un CCD, ou d'un CMOS qui le supporte.

 

[Lucien 11 292]

Oui Fred,

 

La confusion vient souvent du fait que certains logiciels, articles, IHM... n'utilisent pas les termes appropriés.

 

Une autre notion qui mériterait à être expliquée : la notion de sensibilité qu'évoquait Polo.

Sensibilité et niveau de signal ne sont pas automatiquement la même notion.

Ce sera pour une autre fois.

 

Je testerai ce week-end si mes ASI se comportent comme la 178 de Polo : en mode 16 bits å tester.

Il se peut que l'on fasse du subsampling en 8 bits et du vrai binning en mode 16 bits.

En tout cas ça peut se justifier...

 

Tiens je vais faire du LRGB avec binning 2x sur les RGB ?

Mince le ciel est "pourri'.

 

Lucien

 

[polo0258 38 337]

merci pour l'explication lucien !  à tester en 16bits il est vrai !

polo

[Lucien 11 292]

Polo, 

 

J'entendais par 'vrai binning' un binning additif, logiciel ou pas.

 

L'inconvénient du binning par rapport á la moyenne est que l'on saturera rapidement les astres brillants.

Son avantage est d'augmenter le niveau du signal ( sauf saturation donc ).

 

Lucien

 

[Yves BACHELET 59]

Très intéressant comme explication. J'en apprends énormément avec vos remarques.

Apparemment, ça commence à bouger du côté des CMOS.

[Lucien 11 292]

Et pour finir á troubler un peu plus :

- CCD ne rime pas systematiquement avec binning hardware.

Pour faire ça, il faut une électronique-capteur adaptée.

 

Lucien

[cbuil 3 426]

Les CMOS actuellement accessibles aux amateurs n'offrent que la possibilité d'un "binning" logiciel. Le gain de l'opération peut se mesurer en terme de rapport signal sur bruit s'il est question de détectabilité. Par exemple un binning 2x2 de ce type fait croitre le RSB dans le pixel aggloméré d'un facteur 2 par rapport au RSB observé pour un pixel élémentaire.

 

Dans un binning hardware fait dans les règles avec un CCD, le bruit de lecture ne compte qu'une fois, et dans ce cas le RSB dans l'exemple est multiplié par 4.

 

Il ne faut cependant pas oublier que dans les deux cas, on dégrade l'échantillonnage de l'image, et parfois la résolution spatiale de celle-ci. Dans une certaine mesure, le gain en résolution radiométrique (2 ou 4 dans les exemples) est en partie brisé par la perte de résolution spatiale. C'est une question de quantité d'information et de jeu de vase communiquant : on ne peut gagner sur tous les tableaux à la fois, ce serait trop simple. Vraiment, le binning n'est pas toujours la panacée, et même peu être un faux amis (il y a d'autres types de bruits qui apparaissent lorsque l'image frise le sous-échantillonnage et à vrai dire, on y perd parfois de l'information précieuse).

 

En spectro, faire un binning asymétrique, genre 1x2 peut venir à l'esprit, mais je n'ai jamais senti le besoin de faire cela car c'est en fait dangereux : une erreur affectant le petit nombres de pixels restant (genre impact cosmique) peut avoir de facheuses  conséquences. Je ne connais aucun pros dans les observatoires qui s'amuse à ce genre de chose.

 

En CMOS, si on tient à vraiment faire du binning (il faut bien y réfléchir) et si on a assez de place sur le disque, j'aurais tendance à recommander d'acquérir en binning 1x1, puis d'agglomérer (pseudo binning 2x2, 3X3, ...) au moment du traitement seulement, car l'opération est réversible, ce qui n'est bien sur pas le cas si on fait cela au moment même de l'observation.

 

Christian

Modifié 29 janvier 2018 par cbuil

[patry 1 970]

J'avoue que je ne comprend pas comment on pourrait faire un binning "à la CCD" avec un CMOS !

Dans le premier cas, le puits de charge est décalé de proche en proche pour finir dans un puits de lecture pour être échantillonné. L’électronique peut parfaitement "verser" plusieurs puits dans un seul et lire le résultat.

 

Dans un CMOS, chaque photosite dispose de son propre échantillonneur et la matrice n'est vue que comme une mémoire adressable en ligne/colonne. Du coup il est trop tard pour regrouper les photosites car la lecture est faite in-situ ! C'est pour cela qu'on a pas de différence avec un moyennage sur 4 pixels (ou une somme a un facteur 4 près) avec un binning "caméra".

 

Pour permettre un vrai binning, il faudrait ajouter aux N échantillonneurs de la dalle (1 par photosite), N/4 échantillonneurs et N/4 puis de charges 4 fois plus gros (pour faire du binning 2x2) et cela rend la chose complexe à produire. Avec un bruit de lecture faible, est-ce vraiment toujours utile ?

 

Marc

 

[Masmich 557]

Il y a 8 heures, cbuil a dit :

En CMOS, si on tient à vraiment faire du binning (il faut bien y réfléchir)

 

Entièrement d'accord avec ce qu'à dit Christian.

Un des cas où le binning en "live" peut être utile avec un CMOS c'est en autoguidage, pour faciliter la recherche d'une étoile-guide. L'utilisateur se fiche si son 2x2 ou 3x3 est matériel ou logiciel, les étoiles sont bien 4 ou 9 fois plus lumineuses à l'écran, la "fonctionnalité" du binning est bien là (je crois que c'était la question d'origine...), avec image plus petite et résolution plus faible, of course.... 

 

Et oui, il y a parfois confusion entre le "vrai" binning (addition des valeurs) et le "faux" (moyenne des valeurs).

 

MM

[Christophe Pellier 8 854]

En ce qui me concerne, quand je fais un binning avec mon ASI290MM, j'ai bien une différence avec une image quatre fois plus lumineuse... Sinon elle aurait été impossible à utiliser sur mon Gregory à F/32

[Roch 1 898]

Il y a 3 heures, Masmich a dit :

 

Et oui, il y a parfois confusion entre le "vrai" binning (addition des valeurs) et le "faux" (moyenne des valeurs).

Alors certes c'est techniquement différent, mais j'avoue ne pas bien comprendre l'importance de cette différence puisque après une normalisation, cela ne change pas grand chose au final. En vérité, cela change simplement les valeurs d'incrémentation et de saturation, mais puisque sur les CMOS on peut régler le gain, on peut donc compenser facilement ces choses.
Sur les CCD par contre, en effet, ça peut avoir une influence. Mais c'est moins mon rayon
 

Il y a 2 heures, Christophe Pellier a dit :

En ce qui me concerne, quand je fais un binning avec mon ASI290MM, j'ai bien une différence avec une image quatre fois plus lumineuse... Sinon elle aurait été impossible à utiliser sur mon Gregory à F/32

Je suis à peu près persuadé que c'est bien du binning software. C'est juste une excellente caméra...
Vu que je l'ai aussi, je ferai le test à l'occasion.
 

Il y a 12 heures, cbuil a dit :

l ne faut cependant pas oublier que dans les deux cas, on dégrade l'échantillonnage de l'image, et parfois la résolution spatiale de celle-ci. Dans une certaine mesure, le gain en résolution radiométrique (2 ou 4 dans les exemples) est en partie brisé par la perte de résolution spatiale. C'est une question de quantité d'information et de jeu de vase communiquant : on ne peut gagner sur tous les tableaux à la fois, ce serait trop simple. Vraiment, le binning n'est pas toujours la panacée, et même peu être un faux amis (il y a d'autres types de bruits qui apparaissent lorsque l'image frise le sous-échantillonnage et à vrai dire, on y perd parfois de l'information précieuse).

Là ou je vois un intérêt, c'est que si la tendance suit son cours, dans 20 ans la majorité des capteurs disponibles auront des pixels de taille ridicule. C'est même déjà trop souvent le cas. ( l'imx183 est limite par exemple... ) 
L'ajout d'un binning hardware permettrait de rendre ces capteurs utilisables pour nos applications. ( on utiliserait alors le capteur en mode binning uniquement )
 

Il y a 4 heures, patry a dit :

J'avoue que je ne comprend pas comment on pourrait faire un binning "à la CCD" avec un CMOS !

Dans le premier cas, le puits de charge est décalé de proche en proche pour finir dans un puits de lecture pour être échantillonné. L’électronique peut parfaitement "verser" plusieurs puits dans un seul et lire le résultat.

 

Dans un CMOS, chaque photosite dispose de son propre échantillonneur et la matrice n'est vue que comme une mémoire adressable en ligne/colonne. Du coup il est trop tard pour regrouper les photosites car la lecture est faite in-situ ! C'est pour cela qu'on a pas de différence avec un moyennage sur 4 pixels (ou une somme a un facteur 4 près) avec un binning "caméra".

 

Pour permettre un vrai binning, il faudrait ajouter aux N échantillonneurs de la dalle (1 par photosite), N/4 échantillonneurs et N/4 puis de charges 4 fois plus gros (pour faire du binning 2x2) et cela rend la chose complexe à produire. Avec un bruit de lecture faible, est-ce vraiment toujours utile ?

 

Marc

Alors j'avoue ne pas trop comprendre le fonctionnement du système non plus, mais pourtant...
Il semble que l'imx324 en soit pourvu, comme on peut le voir sur ce lien :
https://www.prnewswire.com/news-releases/sony-releases-the-industrys-highest-resolution1-742-effective-megapixel-stacked-cmos-image-sensor-for-automotive-cameras-300540977.html

Je cite : 
"The sensor is equipped with a pixel binning mode for increasing the sensitivity in low-light environments. The pixel binning mode on this sensor adds data from a total of four pixels and processes it as a single pixel to enhance the sensitivity when reading image data. The pixel binning mode and RCCC filter*2 together achieve the high sensitivity of 2666 mV, making it possible to capture images of distant objects, obstacles and people even in low-light environments down to 0.1 lux, equivalent to moonlight."

La sensibilité est bien multipliée par quatre, et on a peu de détails techniques comme d'habitude chez sony ; mais j'ai bien l'impression que c'est ça.

Un autre capteur l'utilisant de façon native est l'imx294 ; le capteur compte en réalité 4 fois plus de photosites que l'image n'a de pixels, et utilise le binning afin d'avoir un mode HDR disponible de façon native. C'est donc probablement du hardware binning également. 

Un post explicatif : https://www.cloudynights.com/topic/591441-asi-new-camera-294-pro-beta-testing/?p=8178630

Romain

Modifié 30 janvier 2018 par Roch

[Invité]

Vivement les caméras 80Mpix avec des pixels de 1µm à 90% de QE ; on fera du bin 8 et hop 10Mpix / 8µm !

[cbuil 3 426]

Roch, la situation du IMX324 n'est pas claire car Sony ne fait pas d'effort dans sa communication, on est d'accord. On ne peux pas comprendre s'il s'agit d'un binning analogique (c'est-à-dire une sommation du signal avant amplification/numérisation), ou s'il s'agit d'une sommation digitale réalisée au coeur du capteur (ce qui est identique à faire une sommation 2x2 avec votre logiciel favori hors du capteur, à la vitesse de lecture près du détecteur cependant). Je penche pour la seconde option (même s'il est possible de faire du binning analogique en CMOS mais en faisant notamment appel a des techniques d'hybridation - une disposition complexe).

 

Sony vente son binning en disant en gros que le signal est multiplié par 4, mais un tel résultat s'obtient aussi bien en addition analogique qu'en addition numérique. Donc on ne peux pas trancher. Il faudrait qu'il parle du bruit pour cela, c'est ce qui descrimine, et là pas d'informations pour le moment. Donc grande prudence (mais  avec Sony qui avance vite on peut s'attendre à plein de choses, même si c'est délicat je trouve car on touche a une architecture circuit qui ne permet pas tout).

 

Il  faut malgré tout admettre que le point fort du CMOS se situe du coté du bruit de lecture, qui est vraiment bas, de l'ordre de 1 électron. C'est si bas que même un binning digital apporte un gain significatif pour nombre d'applications, plus que cela serait noté avec un CCD lui même est exploité en binning digital. De fait, l'apparition de petits pixels en CMOS n'est pas obligatoirement un défaut - cela offre une souplesse potentielle, même si pour une application qui le demande, de gros pixels se sera toujours mieux.

 

Au passage, dans une image, faire une sommation numérique 4x4 ou faire une moyenne numérique 4x4, c'est quasiment strictement la même chose. Il ne faut par se faire leurré par la sur-intensité du premier cas. C'est en fait une question de visualisation de l'image. Ce qui compte c'est le rapport signal sur bruit, et dans les deux cas il est identique (un écart apparait si on a un problème de bruit de quantification, mais c'est en général assez rare).

 

Christian B

 

 

 

Modifié 30 janvier 2018 par cbuil

[astroluma 176]

Il y a 22 heures, Lucien a dit :

Je testerai ce week-end si mes ASI se comportent comme la 178 de Polo : en mode 16 bits å tester.

Il se peut que l'on fasse du subsampling en 8 bits et du vrai binning en mode 16 bits.

En tout cas ça peut se justifier...

 

J'ai testé mon ASI178mm et mon ASI385.

 

Pour l'ASI 385 c'est du binning logiciel uniquement et c'est de l'addition.

 

Pour l'ASI 178 en binning logiciel c'est addition en 8bits et moyenne en 16 bits (bin 2, 3 et 4).

 

Pour l'ASI 178 en binning hard 16 bits c'est moyenne (bin 2, 3 et 4).

 

Pour l'ASI 178 en binning hard 8 bits ça dépend. En bin 2 c'est moyenne, en bin 3 c'est addition. En bin 4 les niveaux sont multipliés par 4 comme si c'était du bin2 avec addition.

 

Lionel

[Lucien 11 292]

Christian,

 

La surintesité de signal qu'apporte un binning sommatif peut grandement faciliter un disposif d'autoguidage en lui proposant des signaux de niveau suffisant.

Experience 

Il y a d'autres exemples où le sommatif peut être plus efficace que la simple moyenne.

Ce sont des cas assez particuliers certes.

 

Si l'on prend le cas d'un capteur avec convertisseur numerique ne dépassant les 14 bits, il est plus judicieux de faire du binning sommatif (2x2), car on ne depassera pas la barriere des 16 bits en sortie.

Et on gratte un peu sur le bruit de quantification dans des cas extremes de signaux très faibles il est vrai : ce que tu indiquais.

 

Cependant á la prise de vue on a le choix d'un mode seul mode de binning ou rien, rarement les deux.

 

 

Lionel,

tes informations sont interessantes. Je me doutais d'un pareil 'bazar' !

Je serai chez moi ce week-end pour analyzer tout ceci.

 

 

Lucien

[patry 1 970]

Roch> en effet, il semble que Sony ait ajouté un puits de potentiel supplémentaire (à 2600mV) en plus de celui, nominal, du photosite (à 780mV). Il doit donc y avoir ce que j'avais décrit ; un déversement des 4 puits dans un seul, et un nouvel échantillonneur. A confirmer, comme l'a mentionné christian, avec la valeur de bruit de lecture qui devrait rester identique malgré le mode binning.

 

C'est beaucoup de silicium consommé, mais il doit y avoir un marché autour des machines de vision grand public (ex. automobile) qui doivent s’accommoder d'énormes variations d'éclairage. Et la densité de gravure doit permettre de caser tout cela sur une surface relativement faible qui plus est.

 

J'imagine d'un coup un a7S IV disposant d'un capteur en binning 2x2 !!! Ce serait une tuerie en ciel profond !

 

Marc

 

 

 

[Invité]

Bah ce sera pas dans l'IMX183 :

 

Citation

The ASI183 camera supports hardware bin2 and software bin2, bin3 and bin4 mode. Hardware binning is supported by sensor but is done in digital domain like software binning and use 10bit ADC. The only advantage of hardware binning is faster fps. We recommend customer to use software binning if you don’t care speed.

 

[patry 1 970]

Ca c'est du hardware binning logiciel du coup !

 

[Lucien 11 292]

 

Le capteur du Sony A7s n'est exceptionnel que par un seul paramètre : la grande taille de ses pixels par rapport aux autres productions Sony actuelles (astro ou pas ).

C'est sa force et sa faiblesse : la résolution est en chute libre.

Ce dernier point est rarement évoqué par les astronomes amateurs.

La différence de resolution entre un Sony A7s et le nouveau Canon 6d mk2 est la même qu'entre un T140 et un T200 !

Si l'on fait du binning 2x avec l'A7s,

on tombe á un T65mm dans la comparaison ci-dessus.

On peut tout sacrifier pour la résolution mais en astronomie 'non uniquement carte-postale', on ne peut occulter ce paramètre.

 

Pour mettre la honte au Sony A7s, prenez une 224mc en binning 2.5x...

 

Lucien

[fljb67 6 454]

Bonsoir..

 

Pour ajouter ( ou pas ) de l'eau au moulin " Binning 1 vs Binning 2", voici des résultats obtenus avec une ZWO ASI 294 MC Pro ( refroidie à -10°C ) ... sur un ciel virtuel et dans tous les cas avec un gain de 500 :

 

Logiciel de capture  : ASICAP ( par ZWO ).

 

 

I°) Raw 8.

 

-  Binning 1  ; 100 s :

 

 

 

-  Binning 2  ;  30 s :

 

 

 

- Binning 2  ;  25 s :

 

 

 

La luminosité en "binning 2 - Raw8 " est multipliée entre 3 et 4 par rapport au "binning 1 - Raw8 ".

 

 

 

 

II°) Raw 16 ( 14 bits effectifs )  :

 

 

- Binning 1  ;  100 s :

 

 

 

- Binning 2   ;  100 s :

 

 

 

Aucune différence niveau luminosité notable entre "binning 1 " et "binning 2 " pour le même temps de pose.

 

 

Bref : étonnant que ZWO ait pris la décision de faire une différence de traitement entre et "Raw8 / Raw16" niveau binning.

 

Modifié 26 octobre 2019 par fljb67

[JML 1 104]

Le 26/01/2018 à 20:19, polo0258 a dit :

j'ai constaté avec la 178mm  sur la lune que les réglages en binning et sans binnig  sont identiques ! gain et temps de pose pour un même niveau d'histogramme!

Bonsoir polo,

Selon moi, si entre binning et sans binning ton niveau d'histogramme ne change pas c'est que tu es en 16 bit. Mets-toi en 8 bit, et tu verras si ton histo ne change pas entre binning 1 et 2 !!

Jean Marc

[JML 1 104]

Le 26/01/2018 à 20:19, polo0258 a dit :

j'ai constaté avec la 178mm  sur la lune que les réglages en binning et sans binnig  sont identiques ! gain et temps de pose pour un même niveau d'histogramme!

Bonsoir polo,

Selon moi, si entre binning et sans binning ton niveau d'histogramme ne change pas c'est que tu es en 16 bit. Mets-toi en 8 bit, et tu verras si ton histo ne change pas entre binning 1 et 2 !!

Jean Marc

[LaurentLab 473]

Je suis intéressé par ce sujet :

J'ai testé ma ZWO ASI 385 MC sur une cible terrestre peu lumineuse (avec notre temps pourri)

Je suis en Raw8.

A bin1 j'ai réglé mon histo à 50% (gain 300 , poses de 3.9 ms)

A bin2 ,pour retrouver mon histo à 50 % j'ai du réduire mes poses à 0.99 ms (gain inchangé de 300)

J'ai donc un rapport 4 au niveau luminosité .

Je testerai sur le ciel dès que possible en visuel assisté (live stacking Sharp Cap) pour confirmer ce gain.

Laurent

 

[fljb67 6 454]

il y a 37 minutes, LaurentLab a dit :

Je testerai sur le ciel dès que possible en visuel assisté (live stacking Sharp Cap) pour confirmer ce gain.

 

Au plaisir de voir les images et de lire ta conclusion.

[LaurentLab 473]

Le 11/11/2019 à 19:57, fljb67 a dit :

Au plaisir de voir les images et de lire ta conclusion.

Pour l'instant pas d'images mais ça va venir !

Par contre j'ai trouvé ça :

https://raniobservatoryphoto.files.wordpress.com/2019/11/the-unofficial-guide-to-using-sharpcap-v0.5.pdf

 

A lire les pages 20 et 21

Donc à tester et on verra les résultats

Laurent