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.