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Fred_76

Mesure du courant d'obscurité d'un appareil photo

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Bonjour

Je suis en train de tirer les vers du nez de mon APN. J'ai assez facilement calculé le gain et le bruit de lecture à divers ISO.

Par contre je bute sur la détermination du courant d'obscurité.

Pour cela, j'ai logiquement pris des darks de pose assez longue (5 minutes) dans des environnements glacial (congélateur réglé à -20°C), froid (frigo à +2°C), ambiant (à+20°C) et chaud (sous une couverture). J'ai ainsi une amplitude de température (Exif) de -24°C à +35°C.

Puis j'ai mesuré le niveau moyen des images RAW. Pas de chance, dès qu'on est sous 20°C environ, toutes les images sont à 1024 ADU. Je dirais même que le niveau moyen réduit quand on passe de -24°C à +18°C (de -0.04 ADU/°C). Ce n'est que lorsqu'on dépasse 20°C que le niveau moyen fini par augmenter.

Je pense donc que le processeur interne tartouille l'image avant de la sauver en RAW (soustraction d'un niveau mesuré sur les photosites masqués sur le pourtour du capteur).


J'ai donc mesuré le bruit sur une zone exempte de points chauds saturés (les points qui restent toujours blancs quelle que soit la température). Mais que représente ce bruit ? Il doit s'agir de l'agitation thermique, qui agit en bruit selon une distribution de Poisson (comme le bruit de lecture). Comment puis-je estimer le courant d'obscurité à partir de la connaissance de ce bruit ?

J'ai effectué ce protocole :
- soustraction d'un offset maitre à toutes les images
- sélection d'une zone exempte de pixels defectueux (WINDOW2 sous Iris)
- mesure du bruit (sigma avec commande STAT sous Iris)
- multiplication du bruit par le gain et division par la durée de la pose, pour avoir au final un bruit exprimé en e-/s
- affichage sur Excel de la courbe avec en X la T°C et en Y le bruit (en e-/s)

La courbe ainsi affichée montre clairement un bruit talon K en dessous duquel le bruit de descend pas, même à -24°C. S'ajoute à ce talon, une contribution de la forme A*2^(T°/B). Pour mon appareil photo j'ai ainsi obtenu :

sigma(T°) = 0.013 + 0.00068 x 2 ^(T°/5), en e-/s

On retrouve la règle du pouce qui dit que le courant d'obscurité double quand la température augmente d'environ 6°C (ici je trouve 5°C). Sauf que cette règle ne s'applique que lorsqu'on dépasse en gros 21°C. En dessous, on varie bien moins vite et par exemple, on se rend compte que sous 11°C, on ne gagne presque plus rien à refroidir l'appareil photo (gain de moins de 3 ADU).

Mais j'ai une question pour les spécialistes du traitement, je pense à Cyril Cavadore, Christian Buil ou d'autres : EST-CE QUE CE PROTOCOLE EST VALABLE ?????

A+

Fred

[Ce message a été modifié par Fred_76 (Édité le 20-11-2014).]

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sans etre une specialiste, tout laisse penser que les 1024 ADU correspondent a l'offset dans ton histoire.
et juste pour information, la temperature enregistree dans l'exif n'est pas la temperature du capteur, cela peut fausser les calculs que tu veux faire.

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Oui oui, bien sur les 1024 sont le niveau moyen d'offset. Là n'est pas le problème. En fait on trouve à peu près 1024 pour des températures inférieures à 18°C et ensuite ça augmente quand la température grimpe.

Mais à cause du traitement interne Canon qui réajuste le niveau avant de sauver les RAW en tenant compte du courant d'obscurité mesuré sur les pixels noirs qui entourent le capteur, on ne peut pas mesurer directement le courant d'obscurité.

J'ai donc proposé un protocole d'étude du bruit associé à l'agitation thermique. Mais n'etant pas un statisticien du signal, je demandais l'avis des spécialistes.

En ce qui concerne la température exif, là encore tu as raison. Mais on n'a rien d'autre donc il faut se contenter de ce qui est disponible... Peut être qu'un de ces 4, François Bernier trouvera où se planque la sonde de température des EOS et alors il nous concoctera une chtite modif pour intégrer directement la température vraie du capteur dans l'exif...

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Bon, après une petite recherche, le traitement effectué par Canon avant la sauvegarde du RAW pour atténuer le courant d'obscurité consiste à soustraire de l'image la moyenne des valeurs captées par les photosites occultés qui se trouvent en bordure du capteur. Ensuite le niveau est ramené au niveau d'offset (256, 512, 1024 ou 2048 selon les boitiers).

De ce fait, la mesure directe du courant d'obscurité ne peut pas se faire. Par contre ce traitement ne modifie pas l'écart type. Donc on peut se contenter de mesure l'écart type du bruit qui correspond à l'agitation thermique, proportionnel au temps de pose et fonction de la température.

Une fois les photos prises dans divers endroits (du congélateur à -20°C jusqu'au four à 35°C), j'ai pu estimer la courbe d'évolution du bruit d'agitation thermique en fonction de la température. Voir à ce titre le papier de Ralf Widenhorn & co. "Temperature dependence of dark current in a CCD". Il y explique que le courant d'obscurité peut se décomposer en deux parts, une qui a un effet à basse température, l'autre à haute température. La transition entre les deux, pour le silicium dont sont composés les capteurs, est de l'ordre de 15°C.

Partant de ce papier, il m'a été possible de reconstituer une courbe interpolée du courant d'obscurité. Au final, le bruit d'agitation thermique généré par celui ci va se cumuler de façon quadratique avec le bruit de lecture, ce qui va avoir un impact sur la dynamique du capteur.

J'ai comparé le 1000D et le 500D et voici le résultat :

Ce n'est pas un mystère, on ne profite ni des 12 bits du 1000D ni des 14 bits du 500D ! Au mieux, on a une dynamique un peu inférieure à 10 bits, et celle ci se dégrade rapidement dès que la température du capteur monte au dessus de 10°C.

On se rend compte que le 500D est meilleur de 0,3 stops à basse température, par rapport au 1000D. L'écart se creuse avec la température pour atteindre 1/2 stop à partir de 5°C et plafonne à 0.6 stops entre 15 et 30°C qui est la plage habituelle de température du capteur pour les prises de vue à température ambiante.

Conclusion : du point de vue de la dynamique, il n'est pas tellement avantageux de refroidir le capteur en dessous de 0°C pour le 1000D et 5°C pour le 500D, on ne gagne que 0.1 bits de dynamique.

[Ce message a été modifié par Fred_76 (Édité le 24-11-2014).]

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Le 7D II ayant été analysé en détail par R. Clarck, j'ai ajouté les valeurs sur le graphique, exprimé pour des poses de 5 minutes à 800 ISO :

Le 7D II gagne quasiment 1 bit de dynamique pour l'ensemble des températures par rapport au 500D et 1,5 bits par rapport au 1000D malgré ses photosites bien plus petits.

Mais là encore on se rend compte qu'il n'est pas très utile de refroidir le capteur en dessous de 5°C environ.

[Ce message a été modifié par Fred_76 (Édité le 02-12-2014).]

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"La courbe ainsi affichée montre clairement un bruit talon K en dessous duquel le bruit de descend pas, même à -24°C. S'ajoute à ce talon, une contribution de la forme A*2^(T°/B). Pour mon appareil photo j'ai ainsi obtenu"

le bruit de lecture va borner la valeur. Tu ne pourra pas descendre en dessous et comme tu le dis, les bruis s'ajoutent de façon quadratique.

5min de pose c'est pas beaucoup à base température. Sur les CCD refroidies on est obligé de poser plusieurs dizaines de minute et de remonter un peu la température pour pouvoir mesurer le courant de dark.

Vu qu'on ne peut pas travailler sur les niveaux si ils sont normalisés automatiquement, une idée : Une fois que tu connais le bruit de lecture (ta valeur talon) tu peux remonter au bruit thermique et de là tu peux remonter au signal de dark qui sera le carré du bruit thermique.

edit : il y a une fonction pour mesurer tout ça dans ISIS de Christian Buil aussi. Tu fais une paire de darks, une paire de flats et une paire d'offsets sur une zone sans pixels chaud et ISIS calcule tout automatiquement. Pour les CCD ça marche. L'APN je ne sais pas, mais Christian Buil doit savoir...

[Ce message a été modifié par olivdeso (Édité le 02-12-2014).]

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Salut Oliv !

En fait de bruit talon et de règle du A x 2^(T°/B), le papier ici (formules 20 et 21, p 198) montre qu'en fait il suit une loi telle que :

Dc = A x T°^3 x f(t,1) + B x T°^(3/2) x f(t,2)

Avec f(t,n)=exp(-Eg(t)/nt) et Eg(t)=1.17-4.73e-4*t²/8.617e-5(t+636), la température t étant exprimée en °K.

Le premier terme en T°^3 est prépondérant à haute température et l'autre terme en T°^(3/2) à basse température. Pour le silicium dont sont faits nos capteurs, la transition se fait à température ambiante.

... mais on s'en fout quand même un peu !

Le tout est de pouvoir comparer deux boitiers sur des bases fiables, cette formulation permet d'y arriver assez bien.

[Ce message a été modifié par Fred_76 (Édité le 03-12-2014).]

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