Migrando de DSLR para astrocameras dedicadas

[jsmoraes]

Este texto é baseado no documento de Alessio Beltrane , www.alessiobeltrame.com , abordando um review da câmera QHY163M.

É um texto amplo, com muita informação sobre diversas características da câmera. Mas possui algumas dicas interessantes para quem está saindo do ambiente DSLR e iniciando no mundo das astrocameras.

Fiz um resumo livre, com observações e notas pessoais, somente dos parágrafos e assuntos que fazem uma comparação entre as DSLRs e as câmeras astronômicas dedicadas. Pois considero que isto ajudaria na nova ambientalização.

UMA PERSPECTIVA DIFERENTE

Se você iniciou astrofotografia com um DSLR, você fica tentado a mover-se para uma câmera dedicada à astronomia para melhorar a sensibilidade nas bandas estreitas (Halfa, SII, OIII e etc). Mas quando você deixa sua DSLR para uma nova câmera dedicada, você também está deixando uma zona confortável.
 
Como você lidará com as proezas das coisas nomeadas como ganho e offset ? Como elas se relacionam com o que você usava como ISO, tempo de exposição ?

O ganho de uma câmera CMOS e ISO de uma DSLR são expressões para  a amplificação do sinal elétrico do sensor. Entretanto Ganho e ISO afetam a amplificação de forma diferente.

Quando você usa uma DSLR, você sabe que pode dobrar o tempo de exposição se reduzir a ISO pela metade e vice versa. Portanto 10 segundo em ISSO 800 é a mesma coisa do que 5 segundos em ISSO 1600. Modifica somente a quantidade final dos ruídos e a Dynamic Range, que descrevo mais abaixo.
Mas o ganho com uma câmera dedicada trabalha de forma diferente e para dobrar o tempo de exposição você tem que diminuir o ganho em 60.

TABELA COMPARATIVA ENTRE ISSO E GANHO PARA CAMERA QHY163M

ISO	Ganho
200	60
400	120
800	180
1600	240
3200	300
6400	360
etc	etc

Controles e ajustes básico de um astro-camera:

• GANHO:  amplifica o sinal elétrico do sensor, ou podemos dizer razão entre elétrons e ADUs (Analógico Digital Unit).
nota:  Uniidade Analógica Digtal se refere a conversão de um sinal analógico proveniente do sensor da câmera em informação binária digital. É a transformação da informação analógica em informação digital e pode ter a precisão de 8 bits, 10 bits, 12 bits, 16 bits e etc.
Assim quando a conversão é feita em 8 bits, o sinal analógico poderá corresponder em até 256 diferentes valores. Em 16 bits, a mesma conversão permite que o sinal analógico tenha 65.536 diferentes valores.

• Offset:  é um valor constante adicionado ao valor lido de cada pixel objetivando evitar o clipping (recorte) para o valor zero. Isto permite que ruídos não eliminem informações fracas por transforma-las em valor zero.
nota: ruídos são sinais aleatórios que podem se somar ou subtrair aos sinais verdadeiros. No caso de subtração, o sinal verdadeiro fraco, de pouca intensidade, poderia ser levado ao valor zero (preto absoluto).  
Por exemplo: se o sinal verdadeiro tem valor de 1 até 10, aplicando um offset de 6 teremos o sinal variando de 6 até 16. Havendo ruídos com valores de +2 e -2, com o offset aplicado nosso sinal estaria variando entre 8 até 18 ou entre 4 até 14.
Sem o offset: sinal real entre 1 e 10, o sinal estaria variando entre 3 até 13 e -1 até 8. Como -1 não é valor válido, o sinal estaria entre 0 e 8. Portanto o sinal verdadeiro com valor total de 9 (1 até 10) passaria a ter valor total de 8 (0 até 8), evidenciando perda de informações.

• USB traffic:  tráfico na interface USB. Ajuste da taxa de transmissão na interface USB. Permite que não haja congestionamento ou atropelamento de dados transferidos. Depende do hardware de cada computador e de como a performance dele está sendo afetada pelos processamentos internos.
nota: menor valor implica em uma redução no uso da interface e reduz a quantidade de dados transferidos, geralmente visto como redução de frames por segundo. Maior valor implica em aumento no uso da interface aumentando a quantidade de dados transferidos, geralmente visto com aumento de frames por segundo. Entretanto se estiver acima da capacidade de processamento do computador naquele momento, haverá perda de frames (dropped frames), ou sobreposição de dados de dois ou mais frames em um único frame, visto como imagem colcha de retalhos.

Dynamic Range : razão entre o máximo de sinal e ruído de fundo
DR é muito importante para que sinais fracos sejam vistos, e tanto em DSLR como em astrocameras têm maior valor quando em menor ganho ou ISO. Entretanto para que o sinal fraco seja evidenciado implica em maior tempo total de captura ou em tempo maior de exposição para que a informação (fótons) sensibilizem o sensor.
nota: Ruídos em câmeras são muito complexos e possuem várias origens: no ato da leitura do sensor, térmico, do amplificador e etc etc. Mas na prática é muito evidente que quanto maior ISO (ou ganho na astrocamera) maior será o nível de ruído geral. E este ruído acaba por aniquilar as áreas fracas de uma imagem, impedindo até uma boa recuperação com processamento gráfico.

Tabela ganho e DR para QHY163M

Ganho	Dynamic Range (stops)
0	12.5
120	11.6
174	11
300	9.1

Nota:  sugerem que a DR deve ter valor mínimo de 11 stops. Entretanto o autor do documento original diz que o valor 9 é muito bom DR.

Não há uma tabela confiável e eficiente para determinar qual o ganho e tempo de exposição ideal. Pois também depende da poluição luminosa, tipo de objeto, e condições atmosféricas.

Sobre Histogramas:

Tanto para DSLR quanto para astrocamera a melhor forma de sabermos se configuramos os melhores valores para ganho, offset e tempo de exposição está na análise do histograma.

O eixo de y representa a quantidade de pixeis com um determinado valor expresso pelo eixo de x.

O gráfico não corresponde ao que é visto na imagem, mas sim à informação técnica da quantidade e seus valores dos pixeis em geral.

Portanto, ajuste de offset serve para que o gráfico não fique colado na esquerda, onde os valores de intensidade é igual a 0. Sugerem que este início de gráfico esteja distante da margem esquerda por volta de 5% à 10% da total área do gráfico.

Ganho e exposição devem ser ajustados para que não haja muitos pixeis colado na margem direita do gráfico, onde o valor é referente ao máximo de intensidade. Certamente que sempre haverá pixeis com este valor, mas observe no eixo y a quantidade destes pixeis.

Em fotos de DSO o gráfico mostrará uma quantidade muito grande na parte esquerda, justamente referente à área negra da foto (fundo do céu). E a inclinação incial deve ser abrupta, indicando que na foto há pouco brilho de fundo.

Quanto menor ganho, melhor será o Dynamic Range.  Maior tempo de exposição também reduz alguns tipos de ruídos.

E o objetivo é preencher toda a área do gráfico da esquerda até a direita, atentando para não haver colagem na esquerda e na direita.

A conhecida saturação de áreas da imagem, sejam estrelas ou nebulosas, estarão representadas pela quantidade de pixeis quando valor maximo em eixo x. Sempre haverá alguns pixeis aqui, mas devem ser o menor possível.

Muitas vezes para realçar áreas muito tênues de uma nebulosa é impossível ter esta pequena quantidade de pixeis. A nebulosa de Orion M42 é um grande exemplo: para a vermos em toda sua extensão, seu centro sempre estará saturado.

Nota: quanto maior tempo total de exposição, melhor será a qualidade da foto após seu empilhamento. Quanto maior a quantidade de frames maior será a quantidade de alguns tipos de ruídos. Portanto para uma regra geral de intenção, mas não verdade absoluta,  podemos dizer que frames de longa exposição seriam melhor que muitos frames de pouca exposição para uma astrocamera com refrigeração.

Exemplo de Histogramas de área de superfície (não DSO):

Histograma com bom ganho e exposição e com pouco offset. Feito com ASI120MC e APT Tools.


Note que temos pouca quantidade de pixeis com valor 100% em eixo X. Há uma boa distribuição dos pixeis ao longo do eixo X. O que faz a imagem ter uma aparência equilibrada no seu brilho e contraste.Mas não há presença de offset, o que favorece ruídos de fundo e perda de detalhes com fraca informação.

Histograma com alto ganho e/ou exposição, excessivo ajuste de gama (escurecimento da imagem) e bom offset. Feito com câmera ASI120MC e Sharpcap 2.9


Note que temos muitos pixeis com valor 100% em eixo X, algumas áreas estariam saturadas. A maioria dos pixeis estão com niveis baixos em eixo X. Em geral a maioria dos pixeis estão com menos de 50% de intensidade. O que faz a imagem um pouco escura e perda de detalhes. O  offset está menor que 5%, mas eu diria que está satisfatório.

[PAULO FURLAN]

Boa tarde jorge,

Não entendo muito bem de ganho e offset, mas possuo uma camera ccd QHY-9 mono, que utilizo sempre o ganho em zero e offset em 120, que é o padrão dela. Não mudo esses valores, pois não sei se vai influenciar no resultado do processamento das fotos. Com a DSLR é mais fácil, pois como você disse, é só ajustar o ISO e o tempo de exposição.

Abs.
Paulo Furlan

[jsmoraes]

Paulo, eu ainda não recebi a câmera e portanto não testei. Venho lendo muito sobre ganho, offset e tempo de exposição. E não vejo muita razão para o chamado ganho ZERO. Explico abaixo:

1) ganho é um ajuste feito no amplificador analógico da câmera. E pelo que sei nenhum amplificador tem boa performance quando o ganho é muito pequeno. O ideal é se trabalhar na região linear do amplificador que em geral situa-se entre 20 e 80 porcento.
2) Em astrocâmeras quanto menor o ganho maior o Dynamic Range, que seria ressaltar as informações de baixa intensidade do objeto fotografado. Mas ao se reduzir muito o ganho você tem que aumentar muito o tempo de exposição, que se reduz alguns tipos de ruídos, aumenta outros.
Quando a astrocamera é refrigerada, este impacto é bem menor no que se refere ao ruído térmico. Mas, veja, longo tempo de exposição implica em perda de qualidade por pequenos erros de guiagem e estrelas mais bojudas por capturar uma média maior da refração atmosférica.
3) O Dynamic Range não se esgota se sair do ganho zero. Ele vai ter valores ainda bem adequados mesmo se o ganho na QHY163M for em torno de 300.
4) O ganho unitário na QHY163M está por volta de 120. Ganho unitário estaria na área bem linear da curva de resposta do amplificador analógico.

Offset apenas aumenta o brilho de fundo, e como dito no texto do tópico evita que haja destruição de sinais fracos do objeto, principalmente nas nebulosas. E seu ajuste vai depender da poluição luminosa e do tipo de objeto. E o melhor meio de ajustá-lo é verificando o histograma. Seja no modo linear ou no modo logarítimico o início da curva do histograma não deve estar colado na esquerda. Mas não deve estar muito afastado também.

Quando a câmera chegar farei os testes e poderei ter informações mais práticas sobre estes ajustes. Mas uma coisa eu sei: o ganho zero não me atrai. Acho que virou um pouco de modismo nas discussões dos colegas no Cloudy Nights.
Já vi fotos maravilhosas onde o ganho aplicado estava por volta de 300, embora com câmera diferente da minha QHY.

Outra coisa que tenho visto é o excessivo tempo para luminância. Há colegas que usam até 20 minutos de exposição por frame para luminância e 10 minutos para cores ! E total tempo de exposição de luminância de 8 à 12 horas. Coisa que não me convence, pois teria que utilizar mais de uma noite com seeing diferente para esta luminância.
Mas vejo uma constância nas descrições técnicas: 2 vezes mais tempo para luminancia do que para cada RGB.

Minha experiência com DSLR diz que há um tempo máximo total de exposição onde qualquer adicional não altera a qualidade da foto e das informações significativamente. Sinto um modismo de exagerar no tempo total de exposição.

Um parâmetro que não abordei no texto acima se refere ao Full Well de um pixel, ou seja o preenchimento total deste pixel. Este Full Well só pode ser medido posteriormente ao tempo de exposição e ganho. Se a parte mais brilhosa do objeto que estamos fotografando chegar a este nível nos pixeis, não adianta aumentar o tempo de exposição ou o ganho. Só obteremos saturação desta área.
Seja de uma região de nebulosa ou de uma única estrela do FOV.

Penso que este parâmetro deverá ser o mais importante ao ajustar ganho e tempo de exposição do frame. Nenhuma área da foto poderá ter pixeis com o total Full Well. E, aí sim, o tempo total de exposição pode ser importante para que fótons das regiões mais tênues sejam capturados e se façam presente.

No empilhamento, se um pixel está com seu Full Well nenhuma informação à mais será adicionada. E para se ter uma imagem limpa e nítida acho que os frames não devem ter seus pixeis com este Full Well, justamente para que não haja excesso quando empilhados.

Isto eu percebo quando faço fotos da Lua. Ajusto ganho e tempo de exposição para que a menor área possível fique saturada com a incidência da luz solar. E isto faz com que minhas fotos da Lua fiquem com uma definição, nitidez e detalhes muito intenso. Aplico o mesmo para Júpiter.

O realce do brilho geral da superfície eu ajusto durante o processamento gráfico, e ainda uso máscaras para que as áreas próximas da saturação ou já saturadas não se expandam.

Com DSLR você não tem muito recurso para evitar estas saturações. ISO é um ganho fixo. Você só tem ajuste no tempo de exposição. Daí, normalmente temos várias estrelas saturadas, gordinhas e de cor esbranquiçadas.
Resolvi migrar para astrocamera por causa disto.

[PAULO FURLAN]

Eu tenho a CCD QHY-9. Ela tem um obturador mecânico que evita o blooming. Se aumento o ganho a imagem fica saturada e diminuindo o tempo de exposição perco detalhes da foto. Faço fotos em LRGB usando o mesmo tempo de exposição para cada canal. Fico meio desconfiado com o uso do canal Luminance, parece que tira um pouco o vigor das cores RGB. Já li sobre o uso, no lugar do Luminance, do filtro Halpha, que vai dar mais destaque ao canal vermelho. Gosto de fotos com as cores mais próximas da realidade. Suas explicações são muito boas. Vou fazer mais testes com a QHY-9 sobre ganho e te informo.

[jsmoraes]

Li no Cloudy Nights sobre esta perda em luminance. Alguns não usam este filtro por causa disto. DSLR não usa luminance, é só RGB. Testei gerar o que seria luminance usando somente os R, G e B como gray. Adicionando suas informações. Deu resultado bastante interessante, embora a adição teve que ser proporcional, já que green é duas vezes mais que o R e B.
Estou comprando os filtros LRGB também. Vou experimentar. 1) usar o Skyglow como luminance. 2) Gerar luminance a partir do RGB. Se der resultados positivos, será bom, pois sobrará mais um espaço na roda de filtro.

Não entendi o motivo para você perder detalhes com redução de tempo de exposição e aumento de ganho. É certo que tempo de exposição permite captar mais fótons de áreas tênues, mas os pixeis do sensor estão limitados pelo Full well, que pode ser obtido com ganho e com tempo de exposição. Acho que você deve realmente experimentar e verificar. Ganho excessivo aumenta também ruídos, principalmente ruídos do amplificador, e isto sim pode prejudicar a qualidade da imagem.
Com a ASI e em fotos planetárias eu percebi que pouco ganho MATA a qualidade da foto. Normalmente uso ganho em torno de 20. Raramente chego nos 50. E de um total de 100.
Para a Lua compenso no tempo total de filmagem e quantidade de lucky frames. Para Jupiter, que tem tempo limitado por causa da rotação, o ganho é fundamental para que haja Full Well sem saturação. O tempo de exposição menor permite uma quantidade maior de frames no AVI. Por conseguinte maior quantidade de lucky frames.

Mas no caso de AVI, eu percebi lendo o manual do Sharpcap, que é necessário observar os chamados dropped frames. O AVI não pode parar, e se a USB não conseguir transferir os frames, eles serão jogados fora (dropped) e o Sharpcap vai repetir no AVI o frame anterior.
Daí você pensa que teve um total de 1000 frames (por exemplo), mas na verdade só tem 500 frames diferentes. Daí ajusto o tempo de exposição para que não haja dropped frames, e ajusto o ganho para que a imagem esteja com um histograma adequado, ou seja Full Well adequado.
Mais importante do que frames por segundo seria dropped frames = 0. Frames por segundo pode ser uma informação falsa. O AVI terá este frames por segundo, mas não obrigatoriamente frames diferentes.

Bom, até agora estou só nas masturbações mentais. Só quando a câmera chegar é que poderei verificar o que de fato é prático. Vejo muita discussão teórica no Cloudy Nights, onde a vedete é o sensor. Esquecem que há uma coisa chamada atmosfera, que prejudica muito mais a qualidade da foto do que os ruídos de leitura, dark current, térmico, etc. etc. Já vi até endeusarem o tal do Full Well, dizendo que é o pixel quem tem que ser carregado com os fótons, e não o resultado final do pixel após a amplificação analógica e conversão analógica-digital. Pasmem, para um determinado pixel chegar à um bom valor, os demais já terão sido torrado de tanto fóton ! O ganho ajuda neste equilíbrio: faz com que o pixel responsável pela área tênue apresente um valor passível de ser tratado no processamento gráfico, mesmo que ele não tenha sido adequadamente carregado com fótons.

[helder]

obrigado pelas ótimas explicações...  ....

abaixo da primeira imagem, você diz  "Mas não há presença de offset, o que favorece ruídos de fundo e perda de detalhes com fraca informação."

dúvida:
como olhando pra imagem é possível ver que na ha presença de Offset?