Test : images planétaires, j'en empile combien ?

[Lucien 11 321]

Bonjour,

les nuages étant toujours présents, on continue de s'amuser en peu, bien au chaud.
Il s'agit cette fois de quantifier un peu mieux le gain en rapport signal-bruit, apporté par l'addition d'un nombre variable de poses unitaires.
Dans un contexte de prise de vues à haute résolution planétaire ou lunaire, c'est encore la bonne DMK21 qui est à la tâche.

Voici comment nous avons procédé :

- éclairage d'une feuille blanche par une source artificielle à tension contrôlée,
- caméra DMK21AU618.AS avec filtre anti-IR sur une mini-lunette 50mm F7,
- mise au point largement défocalisée afin de ne pas confondre bruit électronique et texture de la feuille,
- exposition constante au quart des 256 ADU possibles; 64ADU donc,
- capture de films AVI au codage Y800, 8 bits sans compression par IC CAPTURE 2.1,
- addition par REGISTAX 5, par sigma stacking
- sortie de fichiers 16 bits dont on relève le niveau RMS du bruit superposé au signal,
- comparaisons finale en fonction du gain/temps de pose et du nombre d'images additionnées.

Précisons bien que l'exposition était constante dans tous les cas.

Quelques remarques à chaud sur le résultat obtenu :

- les gains les plus faibles avec donc les plus longs temps de pose, sont les meilleurs bien sûr; la qualité croît plus vite et plus haut,

- pour les gains les plus élevés, dans la pratique, on ne pourra pas atteindre la meilleure qualité, et ce même par une forte augmentation du nombre de poses individuelles.

- dans le passé, j'imaginais, avant d'avoir étudié la question, qu'avec une prise de vues en 8 bits de sortie, on ne gagnait rien à empiler plus de 256 images. Ce n'est pas vrai, on voit que le rapport signal/bruit peut dépasser allègrement les 300 ou 350 pour les gains 1X et 2X. Ceci est possible si les calculs sont faits en 16 bits comme ici.

Dans l'idéal, il faudrait poser le moins longtemps possible et donc aussi à cadence élevée et avec un gain faible aussi; sauf que...tu as beaucoup de lumière toi ?

A suivre pour un prochain épisode...
Et bon ciel enfin ?

Lucien

[christian viladrich 7 846]

Oui, le rapport S/N croit avec la racine carré du nombre d'images. Pas de surprise de ce côté là ;-)

Le nombre d'images à empiler est d'abord fixé par la durée max d'acquisition qui dépend elle de la vitesse de rotation de l'objet, ou de la vitesse d'évolution des détails (par exemple la lune).
Depuis peu, grâce à WinJupos, on peut utiliser des durées d'acquisition sur Jupiter et Saturne qui dépassent les limites utilisées auparavant.

Pour la lune, il n'y a pas de limite sur la durée d'acquisition (enfin presque), on peut faire des acquisitions de 10 mn sans problème.

Ensuite, le % d'images que l'on additionne dépend bien sûr du niveau de turbu. Là il n'y a pas de règle, il faut faire des essais.

Par exemple, sur le soleil en lumière blanche, on va garder 5 à 10% des images, sur les planètes de 40 à 60%, sur la lune 10 à 20%.

[Ce message a été modifié par christian viladrich (Édité le 14-01-2012).]

[aries51 0]

Tous tes essais seraient valables dans l'idéal (sur la lune )...sans turbulence, on y revient toujours ! Tout est question de compromis, ce que tu présentes, c'est la théorie, mais c'est intéressant tout de même.
Merci pour le travail et merci aussi à christian pour tes infos !
aries51

[Ce message a été modifié par aries51 (Édité le 14-01-2012).]

[patry 1 994]

Très interessante cette corrélation entre le gain en valeur (460,630,800, ...) et en réel (x1, x2, ...).

Nota, il me semble que Registax (y compris en v5) fait ses calculs interne en 32 bits, mais c'est une impression (rendu d'une addition de moins et de plus de 256 images 8 bits voire de 12 bits avec la PLA-Mx).

En tout cas tu a raison de gamberger sur la technique, cela permet de ne pas déprimer quand on met le nez dehors !

Marc

[Lucien 11 321]

Merci Marc,

Nous faisons tous des images et y passons parfois beaucoup de temps.
J'en arrive plus à aimer la compréhension d'un résultat obtenu que le résultat lui même. Mais c'est peut être une déformation professionnelle.

Bon, attendons un peu de bon ciel tout de même.

Lucien

[CASTOR78 12 063]

Interessant travail !

on voit qu'entre 500 et 1000 images, le gaine en rapport S/B n'est pas très important.

Avec ma DMK21-618, je vais faire des comparaisons d'images qui différent par leur nombre de bruts additionnés, avec le mème niveau de traitement par ondelettes.

Ce serait interessant de faire la comparaison entre la DMK21-618 et la précedente version, beaucoup se demandent si ça vaut le coup de faire le remplacement.

[Lucien 11 321]

Un début de réponse,
http://www.astrosurf.com/ubb/Forum2/HTML/036855.html

Le gain est surtout sensible dans le rouge et plus encore dans l'infra-rouge.

Néanmoins, il ne faut pas faire de fixation là dessus.
On peut continuer longtemps à se faire plaisir avec une DMK21AU04; elle reste nettement plus performante qu'une banale webcam.

Lucien

[christian viladrich 7 846]

Entre 500 et 1000 images, il y a une amélioration de 1.4X dans le rapport S/N ... et ça fait une différence assez significative ;-)

Le rapport coût / avantage est un critère très personnel, certains vont trouver que c'est très intéressant ... d'autres pas ;-)

[Lucien 11 321]

Doubler le nombre d'images augmente la rapport signal sur bruit (RSB) d'un facteur théorique de Racine(2) = 1.414 soit 41% de mieux.

C'est le cas pour des signaux affectés d'un bruit aléatoire sur plusieurs des premiers bits (de poids le plus faible).

Et c'est exact pour un nombre d'images additionnées pas trop important et fonction de la précision de prise de signal (nombre de bits).

Mais du moment que le signal (bruité) est restitué par exemple ici, sur 8 bits (256 valeurs), on ne pourra guère dépasser un rapport signal sur bruit de 256, dans les cas les plus favorables; RSB assez bon pour chaque image individuelle.

On le voit sur les graphiques plus haut.
Dans le cas du GAIN 4X, passer de 500 à 1000 images fait passer le RSB de 205 à 235, ce qui fait seulement 15% de mieux. Si l'on doublait encore le nombre d'images, l'augmentation serait encore moins sensible.

[christian viladrich 7 846]

Lucien, quand on additionne des images dans un logiciel astro, heureusement que le résultat n'est pas sur 8 bits, sinon on en pourrait pas en faire grand chose ;-)
Selon les soft, on travaille en 15 bits, en 16 bits, en 32 bits, voire en floating.
On n'est donc pas limité à des rapports S/N de 8 bits :-)

L'image finale traitée (avec ondelette, masque flou, etc) peut être ensuite stockée sur 8 bits, mais ça c'est une autre histoire.

D'autre part, puisque tu t'intéresse à ces sujets, tu aurais intérêt à faire des vraies mesures de S/N (voir à ce sujet le site de C. Buil).
Autant faire les choses avec le bon protocole, ce n'est pas beaucoup plus long.

[Lucien 11 321]

Christian,

ravi de ces échanges, ils permettent de bien comprendre certains phénomènes.

Additionner statistiquement des images (ou bien les valeurs d'un signal, ce qui revient au même) améliore le RSB (rapport signal sur bruit) de façon proportionnelle à la racine carrée du nombre d'images; bruit gaussien.

Passer de 4 à 16 images double donc ce RSB. Bien.
Cependant cette amélioration dans la pratique, ne peut pas se poursuivre indéfiniment. Mince alors !

Il existe en effet un bruit dont on parle peu ici, c'est le bruit de quantification.
Il provient tout simplement de la numérisation du signal analogique de départ. Ce n'est pas un bruit blanc gaussien.

En codage de sortie 8 bits, en gros le bruit de quantification (de codage) est de l'ordre de 1 bit (en codage linéaire). Malheureusement, ce bruit n'est pas réductible avec le nombre d'images additionnées.

Autrement dit :
si l'on présente un signal analogique de valeur 93,3 à convertir en 8 bits (de 0 à 255), le convertisseur va arrondir disons à 93 (numérique).
Cet écart sera toujours le même quel que soit le nombre de fois que l'on proposera le même signal (additions au final).

Bien sur cet écart n'est pas constant lorsque le signal est variable; pour 93,1 ce sera 0,1 d'arrondi...

C'est la variation de cet écart lorsque le signal varie, qui constitue le bruit de quantification. Et c'est lui au final qui limitera le RSB d'un 'grand' nombre d'images empilées.

Si les logiciels recevant par exemple des images 8 bits, travaillent en interne avec une précision diabolique c'est pour de pas dégrader d'avantage la situation, pas pour l'améliorer.

Car le calcul avec des valeurs numériques de précision finie, introduit lui aussi un bruit de quantification (de calcul).

Avec une caméra sortant des fichiers en 10 ou 12 bits (vrais bits !!!), on pourra additionner plus d'image encore, pour un RSB bien meilleur au final.

Dans la pratique, il faudrait compléter ces essais afin d'aboutir à un nombre maximal raisonnable d'images à additionner; nombre au delà duquel on ne gagne quasiment plus rien; fonction du gain et du signal d'entrée.

Tiens vivement une caméra 10 ou 12 bits !
Je pourrai en empiler plus des images. La DMK21AU618 est toute neuve. Misère !

Bon ciel à toi Christian.

Lucien

[christian viladrich 7 846]

Le bruit de quantification ne change pas grand chose à l'affaire. Il se rajoute en valeur quadratique aux autres bruits.

La valeur de son écart type en nombre d'électrons est égale à P / racine de 12. P étant le nombre d'électrons par pas codeur.

Au bilan, on a toujours un rapport S/N qui croit avec la racine carrée du nombre d'images.

On peut fixer quelques ordres de grandeurs avec par exemple l'ICX285 :
- le S/N est de 7.1 bits sur une image individuelle (pour un signal proche de la saturation).
- la dynamique est de l'ordre de 11.2 bits.

Pour profiter de cette dynamique sur une image individuelle, on aura bien évidemment intérêt à avoir une camera avec un convertisseur 12 bits.
Pour profiter du S/N maximal, toujours sur une image, on aura intérêt à avoir un peu plus que 8 bits (9 bits ou plus).

Cependant, même si l'on écrête à 8 bits les images individuelles, il n'en demeure pas moins que le S/N augmentera comme la racine carrée du nombre d'images.

Mais ce qui est vrai, c'est que si l'on part d'une série d'images codée sur 12 bits, on partira d'images qui auront individuellement une S/N (légèrement)plus élevé que si le convertisseur était sur 8 bits. on aura donc après addition un S/N plus élevé. Mais le coeff sera toujours racine (N) par rapport aux images individuelles.

Pour la partie logiciel : il n'y a aucun bruit de quantification pour autant que la somme des images ne dépasse pas la valeur max du codage interne (16 bits, 32 bits, etc). Avec Registax, on peut travailler sur 32 bits, ce qui laisse une marge énorme. Avec Prism, c'est no limit car le calcul est fait en floating ;-)

Si les logiciels travaillent sur un grand nombre de bits (> 8 bits), c'est justement pour pouvoir permettre l'addition des images sans risque overflow (ou du moins repousser l'overflow à des valeurs qui ne posent aucun problème) et par conséquent améliorer le rapport S/N par rapport aux images individuelles.

En résumé ... on a bien le S/N qui augmente avec la racine carré du nombre d'images ... et il n'y a pas de limite ... si ce n'est que le nombre d'images qu'il faut accumuler devient astronomique ... et puis il faut la turbu qui va bien ...

En planétaire par exmple, je suis assez facilement à 2000 - 3000 images.

PS : Les Skynyx et les Basler sont en 12 bits.

Le 12 bits n'est vraiment intéressant que lorsque le gain est faible....

[Lucien 11 321]

Bonjour Christian,

Dans le bruit de fond ici, j'y inclus l'erreur de restitution du signal due à sa numérisation.
Un exemple sans trop d'aspirine :

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Deux pixels 'délivrent' un signal analogique, l'un équivalant à 63,3 ADU et l'autre à 63,6 ADU.

Sans perturbation aucune, ce signal sera converti aux valeurs numériques respectives de 63 et 64ADU; conversion en 8 bits linéaires ici.
Une autre façon d'arrondir ne change rien à la conclusion.

Malheureusement, il s'ajoute à ce signal un bruit de fond aléatoire gaussien. Au bout d'un nombre infini d'additions de ces signaux numériques, on retrouvera effectivement, dans le meilleur des cas, les valeurs de 63 et 64ADU et non pas 63,3 et 63,6 du signal de départ.

C'est vraiment dommage, sinon il y aurait une petite révolution en astronomie et pas seulement !

L'écart des intensités restituées est de 1 ADU, (64-63), et ne correspond pas à la réalité qui est de 0,3 ADU = 63,6-63,3.

Si l'on fait ce raisonnement sur d'autres pixels et d'autres valeurs d'arrondi (discrétisations), il y aura l'apparition d'un signal d'erreur qui s'ajoute au signal exact et ce quelque soit le nombre d'images empilées.

Ce signal d'erreur pourra malheureusement faire apparaitre de faux détails ou structures qui n'existent donc pas en réalité.

J'utilise sans l'avoir inventé, le terme "bruit de quantification".
C'est peut être l'emploi de ce terme qui fait que nous ne nous comprenons pas tout à fait.

L'addition d'un nombre même infini d'images, n'empêchera pas l'apparition d'informations 'parasites' inexistantes au départ.

Pour le reste je suis d'accord.