Измерительные возможности цифровой камеры Canon 40D

Этот пост будет интересен тем, кто использует цифровые фотокамеры в качестве измерительных. Чаще всего это физики, техники и астрономы. Здесь приведены фрагменты технического отчёта для одной из лабораторий МИФИ, которая дала нам на время 40D. Так что не ждите здесь дифирамбов Live-view и прочим потребительским штучкам. Нас она интересует как измерительное устройство.

Для выяснения правды был использован конвертер DCRAW, о чём уже писалось здесь. Для просмотра и анализа сырых данных из RAW-файла следует использовать графический анализатор nip2, о котором так же есть что почитать там и тут.



Как сделать из обычной камеры измерительную
Используем DCRAW с ключами:

dcraw -4 -D -T img0001.cr2

Ключ -4 имеет решающее значение: это позволяет выводить изображение в 16-битный формат, в котором содержится только 14 бит необработанных данных.

После этого данные можно загружать в MATLAB или Octave для работы или использовать nip2 для анализа данных.


Немного теории
Теоретический верхний предел значений пикселей фотокамеры равен разрядности АЦП - в данном случае это значение 16384 цифровых единиц. В современных цифровых камерах устанавливаются, как правило, 12-битные АЦП, однако в камерах высокой ценовой категории могут быть АЦП больших разрядностей (14 и 16 бит).

Несмотря на то, что значения, получаемые с фотосенсора, линейно зависят от времени экспозиции постоянного источника света, при подходе к теоретическому пределу значений отклик фотосенсора становится нелинейным. Значение насыщения меньше теоретического предела АЦП: например, для 12-битного АЦП, применяющегося в большинстве современных зеркальных камер, предел экспериментально получаемых значений меньше теоретического на 10-20%.


Для выяснения точки насыщения фотокамеры следует использовать стабильный световой источник и, возможно, ослабляющие оптические стёкла. В качестве осветителя хорошо подходят светодиодные фонари: стабильные по мощности, яркие и с широким спектральным составом. Объектив следует снять. После этого делаются экспозиции с равным шагом в RAW-формате.

После этого в системе численных математических расчётов MATLAB / Octave обрабатываются снимки по выделенной области интереса: анализируется ход среднего значения по области интереса и дисперсия значений в выбранной области. Это позволяет узнать, насколько линеен фотоприёмник камеры и при каких значениях освещённости начинается насыщение.

Как видно из хода зависимостей, на уровень насыщения, который равен значению 13826 из 16384, сенсор фотокамеры Canon D40 выходит плавно, и до уровня 12000-13000 зависимость от интенсивности зарегистрированной освещённости можно считать линейной с достаточно хорошей точностью (см.рис.1). В качестве погрешности отложено стандартное отклонение данных плоского поля размером 64х64 отсчёта.


a)



б)


Рис.1: Линейность фотосенсора в зависимости от сигнала:
а) на малых экспозициях (логарифмический масштаб),
б) на больших экспозициях (линейный масштаб).



Данные о шумах для камеры Canon 40D
Для этих целей следует использовать экспозицию с закрытой крышкой. Данные, полученные в ходе обработки таких данных, позволяют судить о росте уровня шума в зависимости от экспозиции и ISO. Следует отметить, что усиление сигнала (соответствующее значению ISO) происходит до записи изображения в RAW-файл. С возрастанием величины усиления возрастают и шумы.



a)


б)
Рис.2: Изменение статистических параметров темнового шума от величины ISO:
а)среднее значение,
б) стандартное отклонение от среднего значения



На рис.2 приведена зависимость среднего значения сигнала темнового кадра от ISO и стандартное отклонение этих значений при постоянном времени экспозиции. Видно, что стандартное отклонение возрастает с изломами (возможно, используется многоступенчатый АЦП).

На рис.3 представлены зависимости величины шума (стандартное отклонение пикселей при многократном усреднении одной и той же сцены для разных величин пикселей) от сигнала.


Рис.3: Зависимость сигнала от шума для данных, обработанных
DCRAW в документальном режиме.
Данные приведены для красного канала.



Рис.4: Зависимость сигнала от шума для данных,
обработанных DCRAW в документальном режиме.
Данные приведены для зелёного канала.



По нашим данным, при обработке получаемых изображений конвертером DCRAW, можно оценить полный динамический диапазон как 56 dB и линейный динамический диапазон как 52 dB.

Это очень хороший результат для бытовой камеры, т.к. аналогичное устройство класса "scientific graduated" стоит как минимум в 3-4 раза дороже. Так что Canon 40D можно вполне использовать в любительской астрономии и в качестве фоторегистратора в оптических экспериментах.

6 комментариев: |высказаться!| RSS-лента дискуссии.|
jetxee комментирует...

Молодцы!

Я как раз недавно задумывался, насколько линейна зависимость сигнала с матрицы от экспозиции в любительских камерах.

А вы взяли и измерили! :)

Может быть вы заодно померили и что-нибудь для камер классом пониже, чем 40D? Если будете мерить — выкладывай. Это весьма любопытно и для широкого круга лиц. Не только для астрономов любителей.

virens комментирует...

2 jetxee пишет...
Молодцы!
Стараемся :-) Мы решили не ждать милостей от Минобразования и превратить обычную камеру в техническую для наших работ. Этим я обязан Debian и Google :-)

Я как раз недавно задумывался, насколько линейна зависимость сигнала с матрицы от экспозиции в любительских камерах.
Без разницы, на самом деле, любительская камера или техническая - главное, чтобы выдавала RAW-файл.

Отклик сенсора на свет (т.е. увеличение экспозиции) линеен почти до области насыщения. Так что берёшь зеркалку Canon и dcraw - и полный газ.

А вы взяли и измерили! :)
Хронологически измерения были сделаны ещё в августе прошлого (2007) года, просто потом их пришлось перемерять. Эти - более точные. И сначала мерили для нашей Canon EOS400D, и по характеристикам она лучше 40D. В ближайшее время выкачу пост об этом.

Если что - пиши в личку, кину исходники лабжурнала (написан в ТеХе :-))

Может быть вы заодно померили и что-нибудь для камер классом пониже, чем 40D?
Конечно. Просто когда я узнал, что Кэнон сделала зеркалку с 14 бит АЦП, у меня загорелись глаза и зачесались руки. Когда померил - "ну и гадость же эта ваша заливная рыба" :-))

Короче, есть данные по 400D и 40D. Для 400-сотки данные для двух камер - и характеристики у них там "плавают" не кисло. Не на порядок, естественно, но отличия есть. Consumer Electronics, жулики они :-)

Если будете мерить — выкладывай.
Хорошо. А вообще надо будет пост закатать про это дело.

Это весьма любопытно и для широкого круга лиц. Не только для астрономов любителей.
Понимаю :-) Когда я на конференции выступал с этим, меня там чуть не разорвали в перерыве на кусочки со словами "парень, где нам ейную софтину достать!?" :-)

По делу. Конечно, надо понимать, что настоящей технички из потребительской камеры не выйдет - хотя бы из-за наличия баеровского массива фильтром. К тому же, есть подозрения, что:
1) перед выдачей RAW-файла данные предобрабатываются (устраняются битые\горячие пиксели).
2) камеры калибруют на заводе на предмет снижения темнового шума. Есть очень подозрительный "пьедистал" и очень-очень низкий STD темнового сигнала. Верится с трудом.
3) почти наверняка есть shading correction, оно же FFC, оно же "коррекция плоского поля". PRNU (неоднородность фоточувствительности) в 3-4% для потребительской камеры сродни КПД 99.3% для ДВС обычного автомобиля :-)

В общем, мир потребительской электроники - это мир лжи и обмана. Но забавный :-)

Vitaly Mechinsky комментирует...

А куда иллюстрации подевались?

virens комментирует...

@Vitaly Mechinsky комментирует...

А куда иллюстрации подевались?

Хороший вопрос! Спасибо, что отписались - будем искать.

virens комментирует...

Так, картинки вроде как вернулись на место - они переехали на Google+ как часть процесса затаскивания всего и вся гуглом.

virens комментирует...

Изображения снова исчезли. И вроде как я не единственный с такой проблемой. Продолжение следует...

Отправить комментарий

Подписаться на RSS-ленту комментариев к этому посту.