el Binning en astrofotografía: casos CCD y CMOS explicados

Optimización y diferencias del binning en CCD o CMOS. Mejora la señal-ruido en astrofotografía con bining 2x2 o 4x4. Potencia técnicamente las imágenes en tu equipo

ZWO ha colgado en su web una explicación de cómo funciona el binning en ambas tecnologías. Este es un tema que siempre ha parecido engorroso con las cámaras cmos por falta de información, y por eso me ha parecido interesante para el foro:

link: Todo lo que necesitas saber sobre astrofotografía y el binning de píxeles: los fundamentos
Traducido

introducción: ¿Qué es el binning?

El "binning" es cuando se fusionan píxeles adyacentes en un píxel más grande. Más comúnmente se utiliza una formación de 2x2, donde 4 píxeles se combinan mediante software para formar un píxel grande, como se muestra en la figura a continuación.

Al "binar" 2x2, notarás que la resolución de tu cámara se reduce a una cuarta parte, ya que efectivamente tienes 4 veces menos píxeles. Esto también duplica la relación señal-ruido.

El binning 2x2, 3x3 e incluso hasta 4x4, puede ser una forma muy efectiva de enmarcar y enfocar tu objetivo. Esto se debe a que los píxeles "agrandados" capturan la luz mucho más rápido (menos información individual), lo que permite revelar nebulosas y galaxias débiles en exposiciones más cortas.

Binning en Monocromo

El binning monocromático es una opción para cámaras de color. Si se selecciona, la cámara de color ignorará la información de la matriz de Bayer y seleccionará el valor de píxel más cercano para fusionar y obtener una imagen en escala de grises. Esto resultará en una imagen similar a la de un sensor monocromático, pero es importante recordar que solo se obtiene una cuarta parte de la resolución.

CMOS BIN versus CCD BIN?

CCD y CMOS tienen diferentes métodos de lectura, y las áreas donde se produce la agrupación de píxeles también son diferentes. La combinación de píxeles de CCD tiene lugar en el dominio analógico, y las señales analógicas se pueden combinar.

Supongamos que tenemos 4 píxeles aquí, el ruido de lectura de un solo píxel es 1x, necesita 4 lecturas antes de BIN2, es decir, el ruido de lectura total es 4x.

De acuerdo con la regla de fusión de píxeles de CCD, después de BIN2, solo es necesario leer 4 píxeles una vez. Por lo tanto, el ruido total de lectura de píxeles después de BIN es 1x. Visto de esta manera, significa que el ruido de lectura total se convierte en 1/4 del original. Sin considerar otros ruidos, la relación señal-ruido se convierte en 4 veces la original.

La fusión de píxeles de CMOS ocurre en el dominio digital, y la señal analógica se ha convertido en una señal digital. En este momento, la combinación de píxeles solo se puede completar con el software.

Como anteriormente, suponga que hay 4 píxeles, el ruido de lectura de un solo píxel es 1x, necesita 4 lecturas antes de BIN2, es decir, el ruido de lectura total es 4x.

De acuerdo con la regla de combinación de píxeles de CMOS, después de BIN2, el ruido de lectura total se convierte en la raíz cuadrada del ruido de lectura original, es decir, x = 2x. En otras palabras, el ruido de lectura total se convierte en 1/2. Sin considerar otros ruidos, la relación señal / ruido es 2 veces la original.

A primera vista, parece que el efecto después de CCD BIN es mejor que eso después de CMOS BIN, pero aquí combinamos los datos reales y simplemente comparamos el ruido de lectura de ASI6200 (cámara CMOS) y KAI11002 (cámara CCD):

Dado que el tamaño de píxel original de ASI6200 es 3.76um, el tamaño de píxel después de BIN2 es 7.52um. El popular tamaño de píxel KAI11002 es 9um. Los dos píxeles tienen un tamaño relativamente cercano, por lo que es justo comparar las dos cámaras.

Se puede ver que incluso después de BIN2, el ruido de lectura de un solo píxel de ASI6200 se convierte en dos veces el original (tenga en cuenta que 1 píxel después de este BIN2 es equivalente al original 4), el máximo de 7 electrones también es inferior a 10 electrones de KAI11002.

Del mismo modo, observando la comparación entre ASI1600 y KAF8300, aunque los píxeles de AS1600 en BIN2 son mayores que BIN1 en KAF8300, el ruido de lectura es aún menor.

Dado que el ruido de lectura del CMOS existente es mucho menor que el ruido de lectura del CCD, incluso después de BIN2, el ruido de lectura de un solo píxel sigue siendo muy pequeño. Y en realidad ignoramos el hecho de que la señal efectiva en sí misma es ruidosa, lo llamamos ruido de disparo, y el ruido de disparo se reducirá a la mitad después de BIN2, por lo que el hecho de que BIN aumentará la relación señal-ruido, ya sea CMOS o CCD será muy obvio.

el binning por hardware versus el binning por software.

El binning de hardware, como su nombre indica, fusiona píxeles a nivel de hardware. Por lo general, se refiere a la fusión de píxeles en el chip. Debido a las diferentes estructuras de los chips, esto se puede lograr en CCD pero no en CMOS. El binning de hardware en CMOS es más similar a saltar píxeles. La velocidad de cuadro será más rápida mediante la extracción de píxeles, pero la relación señal-ruido está limitada. Generalmente, lo aplicamos en escenas que requieren altas velocidades de cuadro, como la fotografía de objetos del sistema solar. Para la fotografía de espacio profundo, recomendamos el binning con software en cámaras CMOS.

Aquí también definimos el binning de hardware como la fusión de píxeles en el sensor CMOS, y el binning de software como la fusión de píxeles en el SDK del software. Por favor, ten en cuenta que no es el mismo binning que el binning en chip en CCD.

En nuestros programas ASCOM, ASIImg y ASILive, el binning predeterminado es el binning de software. Solo ASICAP tiene la opción de binning de hardware. Puedes encontrar esta opción en ASICAP->Control->Más (siempre y cuando la cámara admita binning por hardware).

¿Cuál es la diferencia entre el binning con RAW8 y RAW16?

El método de cálculo del binning de software es diferente, puedes tomar el promedio de los píxeles adyacentes o sumar los valores de los píxeles. En el formato RAW8, utilizamos el método de acumulación, lo que hace que la imagen sea más brillante. En RAW16, se utiliza el método del promedio, por lo que la imagen no se vuelve más brillante, pero la relación señal-ruido de la imagen mejora.

Binning por suma

A medida que aumenta el binning, aumenta el brillo de la imagen.

Pero al mismo tiempo, la resolución también disminuye y se pierden detalles, como la palabra "PCO" en la imagen.

Binning por promedio

BIN1(4144*2822) VS BIN2(2072*1410)

Tomando como ejemplo la cámara ASI294MC, selecciona RAW16 en ASICAP y la imagen se guarda en 16 bits, tomando el promedio del valor de píxel original después del binning.

En este caso, el número de píxeles en BIN2 también se reduce a 1/4, al igual que la resolución y los detalles. La única diferencia con RAW8 es que el brillo no aumenta, pero si observas detenidamente, verás que el ruido se reduce.

a) inframuestreo ("undersampling").
b) muestreo adecuado ("suitable").
c) sobremuestreo ("oversampling").

¿Cuándo utilizar el binning?

Generalmente, utilizamos el binning para mejorar la eficiencia al enfocar y encuadrar. Si el sistema está sobremuestreando al tomar fotografías, el binning también puede resolver el problema.

Generalmente, el formato RAW8 se utiliza para fotografía planetaria, ya que es mejor para reducir el tiempo de exposición y el nivel de ganancia.

Y entonces, ¿deberíamos usar binning al fotografiar espacio profundo con una cámara CMOS?

Dado que las cámaras CMOS utilizan binning con software durante la fotografía de espacio profundo, el procesamiento de imagen posterior también puede completar este proceso.

Para fotografía de espacio profundo, siempre que haya oversampling, recomendamos utilizar el binning con software en cámaras CMOS para evitarlo.

Si confirmas de entrada que la imagen está sobremuestreada, puedes utilizar el binning para obtener el muestreo adecuado; de lo contrario, aún recomendamos mantener la imagen original durante el proceso de toma de fotografías y decidir si utilizar el binning o no en el posprocesamiento.

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Guía de elección y compra de una cámara ZWO para astrofoto

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