Gain w kamerze astronomicznej - dlaczego nie ma jednego najlepszego ustawienia?

Współczesna kamera CMOS pozwala zmieniać gain, czyli elektroniczne wzmocnienie sygnału przed lub podczas jego konwersji do postaci cyfrowej.
 
Wyższy gain może:
 
• zmniejszyć efektywny read noise,
• lepiej wykorzystać krótkie ekspozycje,
• ułatwić rejestrację bardzo słabego sygnału w pojedynczym subie,
 
ale jednocześnie może:
 
• zmniejszyć liczbę elektronów potrzebnych do saturacji,
• szybciej przepalać jasne gwiazdy,
• ograniczać dynamic range pojedynczej klatki.
 
Niższy gain daje zwykle większą pojemność tonalną pojedynczej ekspozycji, ale read noise może być wyższy.
 
Nie istnieje więc zasada:
 
"najniższy read noise = najlepszy gain".
 
Ustawienie dobieramy do obiektu, długości subekspozycji, jasności nieba i charakterystyki konkretnego sensora.

Najpierw rozdzielmy trzy różne pojęcia

W praktyce często miesza się:
 
1. Gain ustawiany w sterowniku - np. 0, 100, 125, 200.
2. Conversion gain - rzeczywiste przeliczenie elektronów na jednostkę cyfrową, np. e-/ADU.
3. Bitowość ADC - liczba cyfrowych poziomów przetwornika.
 
To nie są te same parametry.
 
Wartość gain 100 w jednej kamerze nie musi odpowiadać gain 100 w innej. Nawet w obrębie jednego producenta różne sensory mają inne skale.

Elektrony, ADU i piksel

Światło padające na piksel generuje elektrony.
 
Sensor i elektronika kamery przeliczają zgromadzony ładunek na wartość cyfrową:
 
ADU - Analog-to-Digital Unit.
 
Jeżeli conversion gain wynosi przykładowo:
 
1 e-/ADU,
 
jeden dodatkowy elektron odpowiada w uproszczeniu jednemu krokowi cyfrowemu przed dalszym skalowaniem danych.

Gain suwaka programu jest jednostką producenta

ZWO, Player One i inni producenci udostępniają gain jako wygodną wartość sterownika.
 
Nie porównujemy jej bezpośrednio pomiędzy kamerami.
 
Przykład:
 
• ZWO ASI2600 przełącza HCG przy gain 100,
• Player One Poseidon IMX571 przełącza HCG przy gain 125.
 
To nie oznacza, że Poseidon ma "25% większy gain". Są to po prostu dwie różne skale sterowania elektroniką.

Read noise - szum dodawany przy odczycie

Read noise powstaje podczas odczytu i konwersji sygnału z sensora.
 
Podawany jest zwykle w elektronach:
 
e- RMS.
 
Jeżeli kamera ma read noise 1,2 e-, oznacza to, że sam proces odczytu wnosi losową niepewność o takim typowym poziomie.
 
Read noise jest szczególnie ważny przy:
 
• bardzo krótkich ekspozycjach,
• słabym tle,
• narrowbandzie,
• lucky imaging DSO,
• dużej liczbie krótkich subów.

Dlaczego read noise powtarza się przy każdym subie?

Każda klatka jest osobnym odczytem sensora.
 
Jeżeli ten sam łączny czas integracji dzielimy na coraz więcej subów, read noise jest dodawany przy każdym odczycie.
 
Dla N podobnych ekspozycji jego łączna wariancja rośnie proporcjonalnie do:
 
N × RN².
 
To jeden z powodów, dla których 3600 klatek po 1 sekundzie nie zawsze jest równoważne jednej godzinnej serii dłuższych subów, mimo identycznego czasu integracji.

Sky noise może zdominować read noise

Jeżeli w pojedynczej ekspozycji tło nieba dostarcza już dużo elektronów, jego shot noise może być znacznie większy od read noise kamery.
 
Wtedy dalsze wydłużanie ekspozycji tylko po to, żeby "pokonać read noise", daje coraz mniejszy zysk.
 
To dlatego nowoczesne CMOS o read noise około 1-2 e- nie wymagają wielominutowych subów w każdej sytuacji.

Full well - ile elektronów mieści piksel?

Full well capacity opisuje liczbę elektronów, które piksel lub dany tor odczytu może zarejestrować przed osiągnięciem saturacji.
 
Przykładowo:
 
50 000 e- = 50 ke-.
 
Duży full well pomaga zachować informacje w:
 
• jasnych gwiazdach,
• jasnych jądrach galaktyk,
• centrum M42,
• Księżycu i Słońcu w odpowiednich zastosowaniach.

Full well sensora a efektywny full well przy gainie

To ważne rozróżnienie.
 
Sensor może fizycznie mieć dużą pojemność piksela, ale przy wysokim gainie elektronika/ADC może osiągnąć maksymalną wartość cyfrową wcześniej.
 
Dlatego producenci publikują często wykres:
 
full well vs gain.
 
W praktyce interesuje nas nie tylko maksymalna liczba z tabeli technicznej, ale efektywna pojemność przy rzeczywistym ustawieniu gainu.

Saturacja - co naprawdę tracimy?

Po nasyceniu piksela nie wiemy już, o ile obiekt był jaśniejszy od maksymalnej wartości.
 
W jasnej gwieździe tracimy:
 
• strukturę rdzenia PSF,
• rzeczywistą fotometrię,
• część koloru, jeśli kanały saturują w różnym momencie.
 
Nasycenie kilku najjaśniejszych gwiazd nie zawsze dyskwalifikuje estetyczne zdjęcie. Masowe przepalanie gwiazd oznacza jednak, że ekspozycja lub gain są zbyt agresywne.

Dynamic range - zakres pomiędzy szumem a saturacją

W bardzo użytecznym przybliżeniu dynamic range sensora można oszacować jako:

DR [stops] ≈ log2(full well / read noise)

Przykład:
 
full well = 50 000 e-,
read noise = 2 e-.
 
50 000 / 2 = 25 000.
log2(25 000) ≈ 14,6 stopnia.
 
To przybliżenie opisuje relację fizycznych możliwości sygnału. Rzeczywisty system ograniczają również ADC, liniowość, elektronika i sposób odczytu.

Wyższy gain może obniżyć read noise i jednocześnie dynamic range

Jeżeli gain rośnie:
 
• read noise często spada,
• efektywny full well zwykle spada szybciej.
 
Wtedy stosunek full well / read noise może się pogorszyć.
 
Dlatego ustawienie "lowest read noise" nie musi mieć najwyższej dynamiki.

HCG - High Conversion Gain

Wiele nowoczesnych sensorów ma tryb HCG - High Conversion Gain.
 
Po przekroczeniu określonego gainu elektronika przełącza tor odczytu na wyższą konwersję.
 
Typowy efekt:
 
• gwałtowny spadek read noise,
• dużo mniejsza utrata dynamic range niż wynikałaby z prostego dalszego podnoszenia gainu.
 
Na wykresie producenta widać często charakterystyczny "schodek" read noise.

ASI2600 - przykład HCG przy gain 100

W aktualnej dokumentacji ZWO ASI2600 HCG włącza się przy:
 
gain = 100.
 
ZWO rekomenduje dla typowego DSO przede wszystkim:
 
• gain 0 - gdy priorytetem jest duży full well / dynamic range,
• gain 100 - gdy chcemy wykorzystać niski read noise po przełączeniu HCG.
 
To bardzo dobry przykład dwóch sensownych punktów pracy zamiast ustawiania losowej wartości 237.

Poseidon IMX571 - HCG przy gain 125

Player One dla Poseidon-M/C Pro podaje w trybie Low Noise:
 
gain 0:
• full well około 71,7 ke-,
• read noise około 3,96 e-,
• dynamic range około 14,26 stopnia.
 
gain 125 - HCG:
• full well około 16,6 ke-,
• read noise około 1,36 e-,
• dynamic range około 13,58 stopnia.
 
Widać więc realny kompromis: ogromny spadek read noise kosztuje mniej niż jeden stop dynamic range.

HCG nie jest tym samym co unity gain

To bardzo częsty błąd.
 
HCG oznacza zmianę trybu konwersji elektroniki sensora.
Unity gain oznacza umowny punkt, przy którym przeliczenie jest około 1 e-/ADU w określonej skali danych.
 
Mogą wypaść blisko siebie, ale nie muszą.

Unity gain - dlaczego nie jest magicznym ustawieniem?

Unity gain brzmi atrakcyjnie, bo:
 
1 elektron ≈ 1 ADU.
 
Ale nie wynika z tego automatycznie:
 
• najwyższy SNR,
• najwyższy dynamic range,
• najlepsza ekspozycja,
• najniższy read noise.
 
To tylko jeden punkt skali konwersji.

Dlaczego unity gain stracił znaczenie praktyczne?

Nowoczesne kamery mają:
 
• HCG,
• 14- lub 16-bitowe ADC,
• bardzo niski read noise,
• różne tryby readout / sampling.
 
Znacznie bardziej użyteczne jest patrzenie na trzy wykresy:
 
read noise vs gain,
full well vs gain,
dynamic range vs gain.

ADC - co oznacza 12, 14 i 16 bitów?

Idealny przetwornik:
 
12 bit → 4096 poziomów,
14 bit → 16384 poziomy,
16 bit → 65536 poziomów.
 
ADC zamienia analogowy sygnał na liczbę cyfrową.

16-bit ADC nie oznacza 16 stopni dynamiki

Bitowość opisuje liczbę kodów cyfrowych.
 
Realny dynamic range zależy od:
 
• full well,
• read noise,
• jakości elektroniki,
• liniowości.
 
Kamera 16-bit może mieć 14 stopni realnej dynamiki. Kamera 14-bit może w pewnych warunkach bardzo dobrze wykorzystać cały swój fizyczny zakres.

RAW16 nie zawsze oznacza natywny 16-bit ADC

Wiele kamer z 12- lub 14-bitowym ADC zapisuje dane w 16-bitowym kontenerze FITS.
 
To wygodne dla oprogramowania, ale nie tworzy nowych informacji.
 
Dlatego specyfikację ADC sprawdzamy u producenta, a nie tylko po tym, że plik ma wartości 0-65535.

Kwantyzacja - czy niski gain marnuje bity?

Jeżeli jeden cyfrowy krok reprezentuje wiele elektronów, drobne różnice sygnału mogą zostać zaokrąglone do tego samego kodu ADC.
 
To jest quantization noise.
 
W nowoczesnej astrofotografii:
 
• szum fotonowy,
• read noise,
• stacking wielu klatek
 
sprawiają, że problem kwantyzacji jest zwykle znacznie mniej dramatyczny, niż sugeruje proste liczenie "elektronów na ADU".

Stacking odzyskuje subtelne poziomy

Nawet jeśli pojedyncza klatka ma ograniczoną liczbę poziomów, naturalny szum powoduje dithering wartości wokół prawdziwego sygnału.
 
Po stackowaniu wielu subów możemy uzyskać znacznie subtelniejszą informację statystyczną niż sugerowałaby liczba poziomów jednej klatki.

Gain a czas ekspozycji

Gain i czas subekspozycji dobieramy razem.
 
Niski gain + długa ekspozycja:
• duży full well,
• mniejsze ryzyko przepalenia jasnych gwiazd,
• read noise ma mniejsze znaczenie, jeśli tło jest już wysokie.
 
HCG / wyższy gain + krótsza ekspozycja:
• niższy read noise,
• dobre wykorzystanie krótszych subów,
• większe ryzyko saturacji jasnych partii.

Nie istnieje "minimalna poprawna ekspozycja" bez kontekstu

Optymalny czas zależy od:
 
• jasności nieba,
• filtra,
• światłosiły,
• gainu,
• read noise,
• obiektu,
• prowadzenia montażu.
 
60 s w f/2 pod miastem i 60 s w f/8 przez filtr 3 nm to zupełnie inne warunki.

Broadband pod jasnym niebem

Przy jasnym tle nieba sky shot noise szybko przewyższa read noise.
 
Wtedy:
 
• bardzo wysoki gain daje mały dodatkowy zysk,
• łatwo przepalić gwiazdy,
• krótsze suby mogą być całkowicie wystarczające.
 
W kamerze z HCG często dobrym punktem startowym jest właśnie próg HCG albo niższy gain dla ochrony jasnych partii.

Broadband pod ciemnym niebem

Przy bardzo ciemnym tle read noise ma większe znaczenie.
 
Możemy:
 
• wydłużyć subekspozycję,
• wykorzystać HCG,
• dobrać kompromis według saturacji gwiazd.
 
Nie oznacza to automatycznie, że zawsze wybieramy maksymalny gain.

Narrowband 3 nm

Bardzo wąski filtr silnie ogranicza tło nieba.
 
Dlatego read noise wraca do większego znaczenia.
 
W praktyce:
 
• HCG jest często bardzo sensownym ustawieniem,
• suby mogą być dłuższe niż w broadbandzie,
• trzeba nadal kontrolować saturację jasnych gwiazd i centrum jasnych mgławic.
 
Więcej o filtracji: Filtry astronomiczne.

OSC + dual-band

Dual-band również znacząco redukuje tło.
 
Dlatego kamera OSC może korzystać z HCG podobnie jak mono przez narrowband.
 
Nie dobieramy gainu na podstawie tego, że kamera jest kolorowa, lecz według poziomu sygnału, tła i wykresów konkretnego sensora.

Lucky imaging DSO

Przy ekspozycjach kilku sekund albo krótszych read noise jest bardzo ważny.
 
Wtedy wyższy gain / HCG może dać większą przewagę niż przy klasycznych 180-300 s.
 
Kosztem jest:
 
• większa liczba plików,
• mniejszy full well,
• częstsza saturacja gwiazd.

Planety - wysoki gain ma inne znaczenie

W planetarnym lucky imaging chcemy:
 
• bardzo krótkich ekspozycji,
• wysokiego FPS,
• zamrożenia seeingu.
 
Wyższy gain jest więc normalnym narzędziem pozwalającym skrócić czas pojedynczej klatki.
 
Dynamic range pojedynczego frame'u jest mniej ważny niż w fotografii jasnej mgławicy DSO, ale nadal nie chcemy przepalać kluczowych detali planety.

Słońce i Księżyc - full well może być bardzo ważny

W jasnych obiektach szybko osiągamy saturację.
 
Duży full well i niski gain mogą być korzystne, szczególnie gdy chcemy jednocześnie zachować:
 
• jasne i ciemne struktury,
• protuberancje i tarczę w określonych konfiguracjach,
 
o ile czas ekspozycji nadal jest wystarczająco krótki.

Gain a liczba subów

Jeżeli wyższy gain zmusza nas do skrócenia suba z 300 s do 60 s, dla tej samej godziny integracji wykonujemy:
 
• 12 klatek zamiast 2.
 
To zwiększa liczbę odczytów sensora i wpływ read noise, ale może jednocześnie:
 
• chronić przed utratą całych długich subów,
• zmniejszyć wymagania wobec guidingu,
• ograniczyć saturację tła.
 
Dobór jest kompromisem systemowym.

Krótszy sub nie zawsze oznacza mniejszą saturację gwiazd, jeśli gain mocno wzrósł

Liczy się:
 
czas ekspozycji × strumień światła × efektywny full well przy danym gainie.
 
Dlatego przejście z gain 0 / 180 s na bardzo wysoki gain / 120 s może nadal zwiększyć liczbę przepalonych gwiazd.

Offset - do czego służy?

Offset dodaje cyfrowy poziom bazowy, aby szum odczytu nie został obcięty przy zerze.
 
Za mały offset może powodować:
 
• clipping czerni,
• piksele o wartości 0,
• utratę informacji potrzebnej do poprawnej kalibracji.
 
Za duży offset:
 
• nie poprawia SNR,
• tylko przesuwa cały histogram wyżej.

Gain i offset muszą być spójne z darkami

Zmiana gainu albo offsetu zmienia charakterystykę surowych klatek.
 
Dlatego light i matching dark powinny mieć:
 
• ten sam gain,
• ten sam offset,
• ten sam czas,
• tę samą temperaturę w kamerze chłodzonej.
 
Zobacz Dark, flat, bias i dark-flat.

Czy najwyższy gain zawsze ujawni najwięcej słabego sygnału?

Nie.
 
Gain nie tworzy nowych fotonów.
 
Jeżeli obiekt dostarczył 5 elektronów, ustawienie większego gainu może zmienić ich reprezentację cyfrową i relację do read noise, ale nie zamieni ich w 50 rzeczywistych elektronów sygnału.
 
Najważniejszym sposobem poprawy SNR słabego obiektu pozostaje łączny czas integracji.

Czy niższy gain zawsze daje więcej detalu?

Również nie.
 
Jeżeli sub jest bardzo krótki i read noise stanowi dużą część budżetu szumu, HCG może poprawić efektywność rejestracji.
 
Determinują to:
 
• sampling,
• seeing,
• SNR,
• focus,
• guiding,
 
a nie sama wartość gainu.

Gain a sampling

Przy bardzo drobnym samplingu światło obiektu jest rozłożone na większą liczbę pikseli.
 
Sygnał na pojedynczy piksel maleje, więc read noise może mieć większe znaczenie.
 
Przy grubszym samplingu więcej fotonów przypada na piksel.
 
To jeden z powodów, dla których gainu nie dobieramy w oderwaniu od teleskopu.
 
Zobacz Sampling i skala obrazu.

Gain a binning CMOS

W zależności od kamery binning może być:
 
• wykonywany sprzętowo,
• cyfrowo po odczycie,
• realizowany w innym trybie ADC.
 
Dlatego wpływ binningu na full well, read noise i bitowość trzeba sprawdzać w dokumentacji konkretnej kamery.
 
Nie przenosimy automatycznie zasad ze starego CCD hardware binning.

Dual sampling / Low Noise Mode

Niektóre kamery Player One oferują dodatkowy tryb Low Noise / dual sampling.
 
Może zmieniać:
 
• read noise,
• dynamic range,
• maksymalny FPS.
 
Przykładowo Poseidon w trybie Low Noise jest zoptymalizowany do DSO, a tryb Normal daje większą prędkość przy zastosowaniach szybkich.
 
To kolejny dowód, że sam suwak gain nie opisuje całego toru odczytu.

Jak czytać wykres producenta?

Szukamy jednocześnie:
 
Read Noise - gdzie pojawia się HCG?
Full Well - jak szybko maleje pojemność?
Dynamic Range - gdzie są lokalne maksima?
Gain / e-/ADU - jak zmienia się skala konwersji?
 
Najciekawsze są zwykle nie wartości skrajne, lecz punkty charakterystyczne.

Najczęściej sensowne punkty pracy

W typowej nowoczesnej kamerze DSO często istnieją 2-3 ustawienia warte zapisania:
 
• low gain - maksymalny full well / jasne obiekty,
• HCG threshold - niski read noise przy zachowaniu dobrej dynamiki,
• high gain - tylko do konkretnych krótkich ekspozycji.
 
Nie ma potrzeby budować biblioteki darków dla każdego gainu od 0 do 500.

Tabela: wpływ podnoszenia gainu

Parametr	Typowy trend przy wzroście gainu
Read noise	Maleje; przy HCG może spaść skokowo.
Efektywny full well	Zwykle maleje.
Ryzyko saturacji	Rośnie przy tej samej ekspozycji.
Dynamic range	Najczęściej maleje, ale HCG może utworzyć lokalne odbicie.
Krótka ekspozycja	Staje się bardziej efektywna wobec read noise.

Tabela: praktyczny wybór

Sytuacja	Punkt startowy
Jasny broadband / jasne gwiazdy	Low gain lub ustawienie maksymalnej dynamiki.
Typowe DSO CMOS	Próg HCG jest bardzo dobrym kandydatem.
Narrowband 3 nm	HCG; potem dobierz czas do tła i saturacji.
Lucky imaging DSO	HCG lub wyższy gain po kontroli full well.
Planety	Gain pod wymagany czas/FPS bez clippingu ważnych detali.
Fotometria jasnych obiektów	Priorytet liniowości i braku saturacji; często niższy gain.

Procedura doboru gainu do własnego zestawu

1. Otwórz wykresy producenta.
2. Znajdź próg HCG, jeśli kamera go ma.
3. Zanotuj full well i read noise przy low gain oraz HCG.
4. Wybierz typowy filtr i obiekt.
5. Zrób testowe suby przy obu ustawieniach.
6. Sprawdź histogram tła i liczbę nasyconych pikseli / gwiazd.
7. Oceń, czy krótszy sub daje praktycznie ten sam detal po zrównaniu całkowitego czasu integracji.
8. Wybierz 1-2 standardowe gainy i zbuduj dla nich dark library.

Nie oceniaj gainu po jednym stretched subie

AutoStretch wyrównuje wizualnie bardzo różne dane.
 
Wyższy gain może wyglądać "jaśniej i lepiej", ale po normalizacji ekspozycji różnica może być niewielka albo niekorzystna.
 
Porównujemy:
 
• surowe statystyki,
• saturację,
• SNR po tej samej łącznej integracji.

Najczęstsze błędy

• "gain 100 jest uniwersalny dla wszystkich kamer",
• utożsamianie HCG z unity gain,
• uznawanie 16-bit ADC za 16 stopni dynamic range,
• wybieranie maksymalnego gainu tylko dlatego, że read noise jest najniższy,
• ignorowanie full well i saturacji,
• porównywanie gainu ZWO i Player One liczba do liczby,
• zakładanie, że gain tworzy dodatkowy sygnał,
• używanie innych darków po zmianie gainu/offsetu,
• kopiowanie ustawień z innego sensora,
• ocenianie ustawienia tylko po wyglądzie pojedynczego stretched suba.

Co jest ważniejsze: gain czy łączny czas integracji?

W większości typowego DSO:
 
łączny czas integracji jest znacznie ważniejszy.
 
Gain służy do efektywnego wykorzystania zakresu sensora i dopasowania czasu pojedynczych ekspozycji.
 
Nie zastępuje dodatkowych godzin zbierania fotonów.

Gain nie naprawi złego samplingu, focusu ani guidingu

Jeżeli gwiazdy mają 5" FWHM przez:
 
• zły focus,
• seeing,
• tracking,
 
zmiana gain 0 → 100 nie odzyska rozdzielczości.
 
Zobacz Autofocus w astrofotografii oraz Guiding w astrofotografii.

Najważniejszy wniosek

Gain jest kompromisem pomiędzy:
 
• read noise,
• full well,
• dynamic range,
• czasem pojedynczej ekspozycji.
 
Najczęściej nie interesuje nas ani absolutnie najniższy gain, ani najwyższy.
 
W nowoczesnym CMOS bardzo ważnym punktem jest próg HCG, ponieważ daje duży spadek read noise przy relatywnie małej utracie dynamiki.
 
Ale dla jasnych obiektów i długich broadbandowych subów niższy gain może być korzystniejszy dzięki większemu full well.
 
Zapamiętaj:
 
• gain 100 jednej kamery nie jest gainem 100 innej,
• unity gain nie jest magicznym optimum,
• 16-bit ADC nie oznacza 16 stopni dynamiki,
• najwyższy gain nie tworzy nowych fotonów,
• finalne ustawienie sprawdzamy na realnym niebie, kontrolując tło i saturację.
 
Dalsze artykuły: Jak wybrać kamerę astronomiczną?, Kamera mono czy OSC?, Sampling i skala obrazu, Klatki kalibracyjne, Autofocus i EAF oraz Guiding w astrofotografii.