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Mi è stato chiesto gentilmente un intervento poiché in passato ho scritto qualcosa in merito a segnale, rumore, dinamica di un sensore e così via.
Qui vado a riuassumere ciò che ho imparato da chi progetta e costruisce dispositivi digitali per l'acquisizione di immagini, scusatemi per eventuali ripetizioni.
SEGNALE E RUMORE
C'è una differenza sostanziale anche se spesso i due termini vengono confusi o comunque vengono utilizzati in maniera intercambiabile, cosa ovviamente non corretta. Per segnale si intende ciò che "ci piace" poiché è riproducibile. In una integrazione, per esempio, abbiamo il segnale dalla sorgente che stiamo riprendendo (unico segnale che vorremmo!), il segnale dovuto alla temperatura del sensore (segnale che non vorremmo perché "sporca" il segnale della sorgente, ma poiché riproducibile è eliminabile attraverso la sottrazione del dark-frame), il segnale dovuto all'elettronica come il segnale di lettura (anche questo riproducibile con tempi d'integrazione nulli o comunque più piccoli possibile e quindi eliminabile. In verità è già contenuto nel dark, quindi non è necessario riprendere il segnale di lettura a meno che non vogliamo costruire dei dark scalabili, ma questa è un'altra storia) e così via.
Se le cose si fermassero qui per noi sarebbe una vera "pacchia", ogni segnale indesiderata protremmo eliminarlo e avremmo la perfetta equivalenza tra 10 pose di 5 minuti o 5 pose di 10 minuti. Ma purtroppo qui entra in gioco il concetto i rumore, che come dice la parola e qualcosa di "fastidioso", non riproducibile e quindi non eliminabile! Il rumore è associato ad ogni segnale e non c'è modo di eliminarlo, ma possiamo solamente migliorare il rapporto tra il segnale ed il rumore con tempi d'integrazione maggiori, visto che il segnale ed il rumore non crescono entrambe linearmente o comunque secondo la stessa funzione (per fortuna!!!). Tanto per fare un esempio al segnale di lettura (riproducibile ed eliminabile) è associato un rumore di lettura (non riproducibile e non eliminabile), quindi se sommo 10 pose da 5 minuti avrò più rumore di lettura complessivo rispetto alla somma di 5 pose da 10 minuti. E si potrebbe continuare andando a pescare sulla temperatura del sensore. Perché abbassiamo la temperatura di funzionamento di un sensore? Per avere meno segnale termico? Il problema non sta qui in realtà, perché il segnale termico è riproducibile quindi eliminabile, qualsiasi sia la temperatura. Ma il rumore no e se ho un segnale termico di partenza maggiore (temperatura del sensore maggiore), il rumore termico associato sarà maggiore e questo non è eliminabile e le nostre immagini saranno più degradate.
Su segnale e rumore mi fermo qui, ovviamente ci sono altri segnali e altri rumori, ma il concetto è esattamente lo stesso.
RANGE DINAMICO (semplicemente DINAMICA) e RISOLUZIONE (Dovuta al convertitore ADC ed espressa in genere in bit: 8 bit, 14 bit, 16 bit, ecc.)
Anche qui spesso si intercambiano i due concetti, quello di dinamica e quello di profondità in bit dell'immagine.
Per dinamica di un'immagine si intende la differenza massima che si può raggiungere in una stessa immagine tra il segnale più piccolo (pixel più scuri) e quello più grande (pixel più luminosi). E' evidentemente chiaro come questa cosa non centri nulla con il convertitore ADC, poiché questo problema è a monte e dipende dalla Full Well Capacity (FWC), cioè dal numero massimo di elettroni immagazzinabili nei fotosensori. Se questo valore fosse infinito, potremmo esporre per tempi lunghi a piacere senza mai saturare e quindi avremmo la possibilità di riprendere oggetti debolissimi e luminosissimi nella stessa immagine senza problemi (a parte quello di trovare poi un convertitore AD idoneo, come vedremo più avanti). Inoltre c'è il problema del rumore dell'apparato di ripresa che entra a peggiorare le cose. Infatti se abbiamo una FWC di 10.000 elettroni ed un rumore dell'elettronica (in genere si prende quello di lettura come riferimento) pari a 5.000 elettroni (che pessima CCD!!!!), allora non potremmo che avere due possibilità per i nostri fotosensori (e quindi pixel): un valore pari a 5.000 ed uno pari a 10.000. Questa nostra ipotetica CCD avrebbe una dinamica pari a 2 livelli!!!! Per concludere sulla dinamica, quindi, il valore di questa lo si ottiene dividendo la FWC per il rumore della CCD (normalmente quello di lettura).
Detto questo è chiaro che non avrebbe senso per questa nostra ipotetica CCD avere un convertitore AD a 16 bit, ma nemmeno a 14 o ad 8, basterebbe un convertitore a 1 bit per coprire in modo corretto il range dinamico.
Ed è proprio questa la strada da seguire nella progettazione di un CCD:
1 - Determinarne la dinamica
2 - Quindi utilizzare un convertitore AD idoneo
Facciamo un esempio:
Prendiamo una Apogee Ap7p. Questa CCD possiede un sensore con fotelementi quadrati con FWC pari a 300.000 elettroni e rumore di lettura RON pari a 11,9 elettroni. La dinamica di questa CCD sarà quindi:
dinamica = FWC / RON = 300.000 / 11,9 = 25.210
A questo punto che convertitore AD utilizzare? La riposta è immediata, dovremmo utilizzare un convertitore a 15 bit in grado di riprodurre una quantizzazione del segnale pari a 32.768 "gradini", sufficienti a rappresentare la dinamica della Apogee in questione pari a 25.210. Gli ingegneri hanno optato per un convertitore a 16 bit, 65.536 livelli di grigio. Quindi la nostra Apogee non è in grado di registrare 65.536 livelli di grigio, ma "solamente", si fa per dire, 25.210 valori di grigio.
Inoltre, e concludo veramente, qui intrerebbe anche in gioco il GAIN (guadagno) che viene impostato dal costruttore in funzione della FWC e del convertitore ADC, in particolare si ha:
gain = FWC / (BIT ADC) = elettroni / ADU
nel caso della Apogee di sopra:
gain = 300.000 / 65536 = 4,6 elettroni / ADU
Se guardiamo le specifiche della Apogee scopriamo, con piacere, come i progettisti abbiano impostato un gain pari a 4,4 elettroni per ADU e quindi come questa CCD sia stata complessivamente progettata bene.
Questo valore, 4,4 elettroni è anche il valore minimo distinguibile dalla CCD, se volete è il "quanto" d'informazione che tra le altre cose introduce un rumore molto importante, il rumore di discretizzazione. Più è alto il gain, maggiore sarà il rumore di discretizzazione.
Nelle reflex digitali l'aumento della sensibilità in ISO è prodotta dall'aumento del GAIN e qui potrebbe iniziare un altro discorso su quale sia l'ISO (quindi il GAIN) più adatto in fase di ripresa, ma questa è un'altra storia.
Per quanto riguarda le subpose, posso confermare sulla mia pelle quanto riportato da mascosta55, provate è sorprendente il risultato. Appena posso vi mostro una serie di risultati sperimentali che mettono in evidenza come sia "poco dispendioso" recuperare pose troppo brevi per mantenere il rapporto S/N.
Mi scuso per la lungaggine e spero di essere stato sufficientemente chiaro e preciso.
Un salutone.
_________________ "Viviamo troppo poco per divenire professionisti in qualcosa!" (Calvero - Charlie Chaplin, Luci della Ribalta) http://www.ariadivetro.itAAVSO Observer Code: RPAA
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