les bruits en imagerie CCD

[patrice68500]

Bonjour à tous,

Je prépare actuellement un petit exposé sur la photo numérique pour mon club et je me pose deux questions.

Nous avons bien comme défauts principaux :

Les défauts d’uniformité que l’on corrige grâce aux FLATS

Le bruit thermique constant qu’on retire grâce aux DARKS

Le bruit de lecture constant que l’on retire grâce aux OFFSETS

Ma question : pour ce qui est du bruit aléatoire qui est réduit par l’addition des poses, pouvez-vous me dire d’où il provient ?

 

Deuxième question, si on fait du dithering, les bruits constants (bruit thermique et bruit de lecture, pixels chauds...) ne devraient ils pas disparaitre automatiquement sans avoir à les retirer au préalable des images ?

 

Merci pour votre aide.

[christiand]

Bonjour Patrice

 

Le sujet consacré aux bruits numériques est souvent évoqué sur le forum. Je te suggére de faire quelques recherches par mot clés.

 

Sans développer trop loin cette discussion, je pense que tu confonds "bruit" et "signal thermique"

 

Un dark ne retire pas le bruit d'une image, mais le signal thermique. Pire, il ajoute du bruit puisque celui ci est aléatoire. En revanche un dark retire des défauts du capteur comme les pixels chauds.

 

A limite il est possible de se passer de darks avec un capteur peu sensible aux effets thermiques, mais en pratiquant le dithéring.

 

Ceci dit le dithéring doit se faire dans tous les cas, automatiquement ou manuellement...

 

Christian

[ursus]

Bonjour à tous,

Je prépare actuellement un petit exposé sur la photo numérique pour mon club et je me pose deux questions.

Nous avons bien comme défauts principaux :

Les défauts d’uniformité que l’on corrige grâce aux FLATS

Le bruit thermique constant qu’on retire grâce aux DARKS

Le bruit de lecture constant que l’on retire grâce aux OFFSETS

Ma question : pour ce qui est du bruit aléatoire qui est réduit par l’addition des poses, pouvez-vous me dire d’où il provient ?

 

Deuxième question, si on fait du dithering, les bruits constants (bruit thermique et bruit de lecture, pixels chauds...) ne devraient ils pas disparaitre automatiquement sans avoir à les retirer au préalable des images ?

 

Merci pour votre aide.

 

le bruit aléatoire vient des photons ne provenant pas des objets imagées. Par exemple, les éclairages publics envoient des photons vers le ciel:confused: qui sont "réfléchis" par les particules (poussières, gouttes d'eau,....) en suspension dans l'air. Comme ces particules bougent sans arrêt les photons qui reviennent sur ton capteur arrivent à un position et une intensité aléatoire.

 

Le "bruit" constant se situe toujours sur les mêmes pixels. Du coup, si tes étoiles sont toujours sur le même pixel, le bruit constant se superpose au signal. Le dithering vise à bouger les pixels défectueux par rapport aux étoiles. Tu rends ainsi, en bougeant aléatoirement ton capteur par rapport aux étoiles, le "bruit" constant aléatoire. L’empilement de tes images permet alors d'augmenter le rapport signal/bruit.

[christiand]

le bruit aléatoire vient des photons ne provenant pas des objets imagées

 

Le bruit est aléatoire, une "incertitude" associée à une mesure, une amplitude (le signal). Il n'est pas uniquement associé au signal photonique.

 

 

 

Le "bruit" constant se situe toujours sur les mêmes pixels.

 

Le bruit n'est pas constant, c'est une incertitude, il est aléatoire. Il ne se reproduit pas à l'identique à chaque image. C'est là tout le problème..

 

 

Je vous suggére de faire une petite recherche sur le fofo.

 

Christian

[patrice68500]

Merci Christian,

Il s'agit en effet d'une erreur de language de ma part.

Quand je parle de bruit constant, je veux parler de signal (thermique, de lecture, pixels chauds, pixels froids).

ma question concerne uniquement le bruit (aléatoire). quelles sont ses sources?

S'agit-il d'un signal aléatoire (thermique, de lecture...) qu'on nome bruit parcequ'il est aléatoire?

Ce bruit a certainement d'autre sources externes (pollution lumineuse, rayons cosmiques...)

En fait je cherche une liste plus ou moins exhaustive des sources de bruit.

 

En tous cas tu a bien fait de me corrigé sur mon erreur de language (bruit / signal), je vais éviter de me tromper dans mon exposé

 

"EDIT"et merci Ursus pour ce complément d'info.

Modifié 2 avril 2013 par patrice68500

[ursus]

Le bruit n'est pas constant, c'est une incertitude, il est aléatoire. Il ne se reproduit pas à l'identique à chaque image. C'est là tout le problème..

 

Oui bien sûr. Tu as l'erreur de mesure qui conduit au bruit aléatoire.

Ici par "bruit" constant (les guillemets sont importants), je reprenais le terme de Patrice et pensant également aux pixels morts, aux défauts de lecture qui sortent toujours à la même place...du moins sur une période de temps réduite. Par exemple, les discussions sur les darks indiquent que sur une période de quelques mois le signal des darks n’évoluent pas significativement.

 

Après, il y a la sémantique, la définition du mot "bruit". Pour beaucoup, le bruit représente tout ce qui n'est pas le signal provenant de l'objet que l'on image.

Finalement "Un bruit correspond à tout phénomène perturbateur gênant la transmission ou l'interprétation d'un signal" (http://sti.discip.ac-caen.fr/sites/sti.discip.ac-caen.fr/IMG/pdf/traitement_signal.pdf). Le bruit peut donc avoir différentes sources.

[yaplusdenuit]

Bonjour,

Tout est expliqué, de façon simple, dans ce lien

 

http://astro38.free.fr/yaplusdenuitflash/zone_temporaire/photographie%20ciel%20profond-8.pdf

[christiand]

S'agit-il d'un signal aléatoire (thermique, de lecture...) qu'on nome bruit parcequ'il est aléatoire?

 

Oui, le bruit c'est une incertitude qui est associé au signal. Le bruit n'est pas un signal.

 

 

Par exemple le signal photonique sera mesuré sur 5 pixels de la façon suivante :

 

pix 1 = 25 electrons

 

pix 2 = 23 electrons

 

pix 3 = 24 electrons

 

pix 4 = 25 electrons

 

pix 5 = 27 electrons

 

Le niveau du signal est en moyenne de 25 electrons, les 5 photosites ont reçu la même quantité de lumiére et pourtant les niveaux sont différents d'un photosite à l'autre. L'écart va de 23 à 27 electrons.

Si on fait une autre pose identique les 5 photosites prendront une autre valeur, toujours centrée sur une moyenne de 25 électrons environ.

 

Cet écart, cette incertitude qui entoure la moyenne de 25 électrons représente le "bruit"... en réalité on calcule l'écart type (sigma) ici c'est une explication trés simple, juste pour expliquer de façon concrête.

Modifié 2 avril 2013 par christiand
C

[patrice68500]

Merci pour le lien,

Mon exposé s'adresse en partie à un public non initié à la photo numérique donc je veux faire assez simple dans la construction et dans les thermes.

Je veux classer les défauts des images en deux catégories :

Les défauts parasites "constant" (signal d'offset, signal thermique, défaut d'uniformité, pixels chauds, pixels froids)

Les défauts aléatoires : bruit thermique, bruit de lecture, pollution lumineuse, rayons cosmiques, passage de satellite / avion

Le but étant d'expliquer que les signaux parasites sont corrigeables par prétraitement, les défauts aléatoires sont réductibles par l'adition des poses ou l'augmentation du temps de pose.

Expliquer tout ça de façon simple à des non photographes sans qu'ils s'ennuient au bout de 5 minutes c'est pas simple.

[Eric S]

Disons que la base, c'est "à chaque signal son bruit".

 

Après, je suggèrerais de commencer par une explication sur ce principe général, par exemple avec des tirages de dés, genre des séries de 5 lancers. Tu vas avoir des séries à 15, 16, 17, 18... Si tu fais la moyenne sur un grand nombre de séries, tu vas avoir une moyenne à 17,5 : ton signal. Le reste, c'est le bruit de ce signal.

 

Ensuite, tu passes à l'astro :

- signal des photons -> bruit des photons

- signal thermique -> bruit thermique

- offset -> bruit de lecture

- signal PL -> bruit PL

...

[patrice68500]

Ouai, pas sûr que j'ai choisi le sujet le plus facile pour expliquer à des novices...

J'hésitais entre ça et l'autoguidage mais je commençait à partir dans tous les sens (mécanique céleste, monture équatoriale, erreur périodique, temps de pose...) du coup j'ai choisi l'astrophoto...

[christiand]

Ouai, pas sûr que j'ai choisi le sujet le plus facile pour expliquer à des novices...

 

Si tu veux développer un sujet sous forme d'exposé il est quand même préférable de bien comprendre son contenu.

Sinon prends quelque chose que tu maitrises bien.

 

Le guidage n'est pas forcément plus simple. Mais disons que c'est "plus concrêt".

[patrice68500]

rebonjour les pros de la photo,

J'ai de nouveau une question concernant le traitement numérique.

Je ne suis pas fortiche en math ou en statistique.

Pourait on m'expliquer simplement la définition du SIGMA sur un fond de ciel.

par exemple un fond de ciel à 6500 ADU et un sigma à 100 ADU.

6500 ADU, je comprend, c'est 10% de la dynamique du capteur, mais le SIGMA je ne comprend pas à quoi il correspond ni comment il est calculé par IRIS.

J'ai bien trouvé des explication dans WIKI sur une histoire d'écart type, mais comme j'y connait rien en statistique...

J'essai d'avoir un SIGMA à moins 10 ADU sur mon image composité comme conseillé par Marc JOUSSET, mais comme j'aime bien comprendre ce que je fait, je me pose des questions existentielle...

Toute explication est la bienvenue (un ptit graphique, un ptit dessin )

Merci pour vos lumières.

[Thierry Legault]

Pas sûr que pour un exposé sur la photo numérique, il soit pertinent de commencer par ce genre de notion

 

Un bruit n'est pas un truc à part qui se rajouterait à un signal "parfait". Un bruit est une variation imprévisible d'un signal, une fluctuation qui empêche de le mesurer aussi précisément que voulu.

 

Exemple : si je compte le nombre de photons émis par une étoile quelconque qui rentrent dans mon télescope pendant une seconde, je vais compter peut-être 200, puis 210, puis 195, puis 199 et ainsi de suite. Le nombre de photons varie autour d'une moyenne (voisine de 200, c'est le signal), et cette variation aléatoire et imprévisible c'est le bruit. Cela aussi bien pour les objets célestes que pour le fond de ciel, sans distinction évidemment puisque c'est de la lumière de même nature (des photons). Même chose pour le signal thermique, qui fluctue légèrement d'une image à l'autre.

 

Le sigma c'est l'écart-type, notion de base de statistique (vue au lycée, en classe de...je ne sais plus)

 

Modifié 5 juin 2013 par Thierry Legault

[olivdeso]

sur une image brute suffisamment longue, le bruit photonique va dominer. or ce bruit est la racine carrée du signal. Donc si tu soustrait la valeur moyenne de l'offset au fond du ciel et que tu fait la racine carrée ensuite tu trouvera à peut près la même chose sue le sigma. Si la pose est trop courte, le bruit de lecture viendra interférer.

[patrice68500]

Merci Thierry et Oliv,

En fait j'ai pas mal bouquiné et bossé depuis et j'ai bien compris les notions de signaux et de bruits. Je l'ai expliqué que le bruit c'est la partie variable d'un signal pour faire simple.

Cette histoire de Sigma c'est surtout pour ma culture personnelle.

J'ai fait un test sur une brute.

dans un rectangle sélectionné, je fait STAT et j’obtiens:

min:1815

max:2219

moyen: 2021

médian: 2031

SIGMA: 78.12

78.12 c'est la racine carrée de 6102, ça ne correspond à aucune valeur?

La notion d'écart type est totalement inconnue pour moi, je vais essayer de comprendre ça.

Merci à vous.

[olivdeso]

attention à poser suffisamment longtemps et à enlever la valeur moyenne de l'offset. Comme le sigma contient aussi le bruit de lecture, dans ton cas il a encore une contribution importante puisque si ce n'était quasiment que du bruit photonique tu devrais effectivement avoir un signal de 6500ADU avec un offset de 400 par ex. Il faut donc augmenter le temps de pose unitaire en faisant attention à la saturation des pixels

 

 

Regardes le site de QSi., il y a des pages tres bien faites là dessus (même si c'est un peu orienté parfois, dans le sens de leurs produits)

Modifié 6 juin 2013 par olivdeso

[patrice68500]

merci oliv pour ces bon conseils.

[xs_man]

Très intéressant post Patrice,

 

Sur le net il y a un article du Maître (C. Buill), il date un peu mais tout y est :

 

http://www.astrosurf.com/ccdbazar/D-Materiel/BruitCamera1/Bruit01.html

 

Puisque tu abordes ce sujet, je serais de mon côté vraiment intéressé par une procédure/article pour

déterminer de manière pratique (à partir d'images de Dark, Offset et Flat) tous les paramètres réel d'une

caméra à l'aide du seul logiciel Iris :

 

- Gain en dB (gain total)

- Bruit de lecture,

- Dynamique,

- Rapport S/B,

- capacité puits de potentiel,

 

Donc appel aux 'caïds' de l'électronique () : Olivdeso, Frédéric, Thierry,...

Sivouplé...

 

Albéric

Modifié 6 juin 2013 par xs_man

[patrice68500]

Merci Albéric,

J'était déjà tombé sur cet article et impossible de remettre la main dessus depuis .

Cette fois je l'imprime tout de suite

[olivdeso]

Les lien sur l'article de QSI

 

http://www.qsimaging.com/ccd_noise.html

 

@Alberic : le plus simple pour mesurer est d'utiliser le logiciel Isis de Christian Buil. Il y a justement une fonction permettant de caractériser le gain, bruit de lecture et courant de dark.

Il faut faire un couple d'offset, un couple de flats et un couple de darks. Tu charge un darks dans isis (ou iris), tu sélectionne une zone sans pixels chaud, tu note et tu notes les coordonnées. Puis dans isis tu lance la fonction d'analyse en renseignant le nom des fichiers darks, offsets flats.

 

Important :

 

- il faut des offsets avec une source de lumière bien stable, il ne doit pas y avoir de différence de flux lumineux entre les 2 car on va se baser sur l'écart type (le bruit photonique est la racine carré du signal) pour retrouver le gain exact électron vers ADU, voir photon vers ADU si tu travaille avec un filtre à bande très étroite et tu connais le rendement quantique du capteur dans cette bande)

 

- il faut faire tout ça à une température extérieure constante (que le capteur soit régulé ou pas, il faut tout faire à la même température). Température extérieur constante permet sur un capteur non régulé d'avoir une température de capteur constante une fois l'équilibre thermique atteint. (pour un APN, couper le liveview 10min à l'avance).

ça permet aussi une température d'électronique constante, car le niveau moyen d'offset varie un peu avec la température, même sur les camera régulées en température.

 

- faire plusieurs darks offsets et flats, car il peut y avoir des loupés, en particulier les rayons cosmiques sur les darks, qui traversent tout et laissent des pixels allumés aléatoirement. Bien vérifier dans la zone d'analyse pour isis qu'il n'y a pas un tel impact de rayon cosmique

 

(perso, je note plusieurs zone à l'avance, 5, et je fais l'analyse sur chaque pour voir si il y a une différence ou un bug, puis je fais la moyenne

 

- faire les darks à une température pas trop basse, entre 0°C et -10°C grand max car le courrant de dark est divisé par 2 tous les 6°C environ et devient difficile à mesurer à basse température, même sur des darks de plus de 10min. Je conseillerais 0°C sur des CCD refroidies modernes comme le 8300 mais pas en dessous, ça devient compliqué à 10min. Ou alors faire des darks de 20 ou 30min, seulement si les conditions sont bien stable : alimentation stable, température externe stable pendant les mesures.

 

Une fois que tu as le gain, le bruit de lecture, l'offset. Il te restera à calculer la dynamique.

 

Pour ça tu va faire une pose saturée de jour ou avec une source de lumière devant la camera (un flat complètement saturé). Tu poses plusieurs secondes jusqu'à ce que l'image soit complètement saturée. L'histogramme doit être complètement écrasé en buté. Là tu mesure la valeur moyenne sur l'image, tous les pixels doivent avoir la même d'ailleurs, mettons 64000 (c'est pas forcément 65535 sur du 16 bits, attention)

 

Tu connais le gain, tu connais la valeur max de l'ADC, tu connais donc le nombre max e- possibles pour un pixel pour atteindre la saturation de l'ADC.

 

Tu connais aussi le bruit de lecture. La dynamique va donc être:

20log (nombre max d'e- par pixel / bruit de lecture)

Par ex pour un 8300 typique : 20log (25500 e- / 9 e-) = 69dB

 

Pour le rapport signal à bruit max, c'est presque pareil, il faut ajouter le bruit photonique au bruit de lecture : faire la somme quadratique, c'est à dire la racine carrée de la somme des carrés des bruits (il faut ajouter toutes les sources de bruits, mais en principe les autres sources de bruit en principe négligeables). Tu peux vérifier en mesurant le bruit sur un flat très lumineux, juste à la limite de la saturation (attention à ne pas couper l'histogramme). ça te donnera le meilleure rapport signal à bruit possible, puisque le meilleur rapport signal sur bruit photonique et le meilleur rapport bruit photonique sur bruit de lecture.

 

l'Oliv

[xs_man]

Merci Olivier,

 

Je vais essayer sur l'IMG132E.

Je voudrais comparer avec les données de la Point Grey Blackfly à base d'IMX104.

 

Désolé Patrice pour le dérangement !

 

Albéric