Astronomie Logo
Diskussionsforen Kameravergleich, Rolling Shutter, USB3.0 Repeater | Astrofotografie, Ausrüstung und Aufnahmetechnik
Optionen
Thema bewerten
Wellmann Offline
Mitglied

Registriert: 20/08/2002
Beiträge: 866
#1333643 - 14/04/2018 14:41 Kameravergleich, Rolling Shutter, USB3.0 Repeater




Hallo!

Lange habe ich überlegt, ob ich das überhaupt posten soll. Ich hoffe nun, dass es wenigstens einige User des Forums interessiert. War eine Menge(!) Arbeit, und nicht ganz billig. Wer kein Interesse an der Theorie hat, sollte die entsprechenden Abschnitte überspringen. Falls der Eine oder Andere die Mühe auf sich nimmt zu lesen, wären sachlich formulierte Kommentare, Rückmeldungen und Anregungen für mich durchaus erfreulich.





Das Kamera-Problem: Dass im Laufe der Jahre die Kameras immer weiter entwickelt und verbessert werden, ist eine feine Sache. Man fragt sich jedoch ständig, ob die eigene Kamera noch aktuell ist. Dieser Vergleich von Vertretern dreier Kameragenerationen soll diese Frage beantworten, und gilt ausschließlich für die Mond/Planetenfotografie. Untersucht wurden Kameras von TIS, natürlich gilt dieser Vergleich aber auch für alle anderen Kameras mit den gleichen Bildsensoren, und einer Elektronik auf TIS-Niveau. Die Überlegungen gelten sowohl für die schwarzen Astro-Kameras (C-Mount) als auch für die sonst baugleichen blauen Industriekameras (CS-Mount). Hier der Link zum Kameravergleich.





Das Shutter-Problem: Bei CCD-Sensoren werden alle Pixel gleichzeitig belichtet, und dann zusammen ausgelesen (Global Shutter GS). Bei vielen auf dem Markt befindlichen CMOS-Sensoren wird zeilenweise und damit zeitversetzt belichtet (Rolling Shutter RS). Das Bild eines schnell bewegten Motivs wird daher durch den Zeitversatz zwischen den einzelnen Zeilen bis zur Unkenntlichkeit verzerrt. Da bei astronomischen Aufnahmen immer eine gewisse Luftunruhe herrscht, und gelegentlich auch Wind zu Schwingungen des Teleskops führt, muss man unbedingt darüber nachdenken, ob ein RS unter bestimmten Bedingungen Probleme verursachen könnte. Es stellt sich auch die Frage ob nicht generell CCD-Sensoren bessere Bilder als CMOS-Sensoren liefern. Hier der Link zur Untersuchung des Rolling Shutter Problems.





Das Anschluss-Problem: Eine weitere Problematik ergibt sich für Kameras mit hoher Datenrate. Sie benötigen eine schnelle Schnittstelle wie zum Beispiel USB3.0. Steht der Computer nicht direkt am Teleskop, benötigt man ein längeres Anschlusskabel, eine so genannte "aktive Verlängerung". Das ist ein Kabel mit Elektronik zur Signalaufbereitung in den Steckern, die über USB oder ein eigenes Netzgerät mit Strom versorgt wird. Solche Kabel funktionieren bei USB3.0 leider nicht immer einwandfrei. Hier der Link zur Untersuchung des Problems USB3.0 Repeater.



Gruß, Peter
_________________________
Tutorial Mond/Planetenfotografie

[zum Seitenanfang]
komposer Offline
Mitglied

Registriert: 22/05/2003
Beiträge: 2537
Ort: NRW
#1333669 - 14/04/2018 17:05 Re: Kameravergleich, Rolling Shutter, USB3.0 Repeater [Re: Wellmann]


Hallo Peter,

sehr interessant. Der Rolling Shutter meiner Asi120mc verzerrt bei mir vor allem auch die ISS Bilder sehr häufig. Klar, da führe ich auch manuell nach und das sorgt natürlich für mehr Bewegung.

Für mich neu war die Auswirkung der ROI und das ein senkrechteres Fenster günstiger ist. Gerade bei den hellen Planeten verwende ich immer eine ROI um die Framerate so hoch wie möglich zu bekommen. Zum Glück habe ich die durch den kleinen senkrechten Drift bei meiner manuellen Nachführplattform bisher auch so angepasst, also eher schmal und dafür höher.

Gruß,
Holger

[zum Seitenanfang]
Michael_Haardt Offline
Mitglied

Registriert: 13/03/2015
Beiträge: 245
#1333827 - 15/04/2018 14:16 Re: Kameravergleich, Rolling Shutter, USB3.0 Repeater [Re: Wellmann]


Es gibt durchaus gute CMOS Sensoren mit global shutter, aber sie hinken dem dynamic range der rolling shutter stets ein wenig hinterher (z.B. AR0134 vs. AR0130). Vor allem kann ein rolling shutter gleichzeitig Zeilen belichten und andere Zeilen auslesen, während ein global shutter in der Regel belichtet oder ausliest und das bedeutet eine geringere maximale Framerate. Weiterhin ist die Effizienz des Shutters nicht perfekt, d.h. während des Auslesens wird weiter ein wenig Licht auf den Sensor fallen und es gibt einen Gradienten. Das sieht man besonders bei hohem gain. Darum sind rolling shutter so beliebt.

Die Sony IMX2xx Sensoren sind exzellente global shutter Sensoren mit sehr gutem dynamic range und sehr geringen Auslesezeiten.

Das hat also nichts mit CCD vs. CMOS zu tun.

Michael

[zum Seitenanfang]
Wellmann Offline
Mitglied

Registriert: 20/08/2002
Beiträge: 866
#1334056 - 16/04/2018 21:17 Re: Kameravergleich, Rolling Shutter, USB3.0 Repeater [Re: komposer]



Hallo Holger!

Der Rolling Shutter ist der Pferdefuß, mit dem wir bei den preiswerten CMOS Kameras leben müssen. Zwar werden für wissenschaftliche Zwecke in wachsendem Maße nur noch Kameras mit Global Shutter angewendet, aber namhafte Hersteller geben die Auskunft, dass die Rolling Shutter Versionen wegen des geringen Preises im Consumer Markt nicht so schnell aussterben werden.

Gerade auch auf dem Sektor kleiner Pixel, der für Astrofotografie von Mond/Planeten ohne Barlow interessant ist, ist die Integration der zusätzlichen Speicherzelle in jedes Pixel ein Problem das dazu führt, dass wir im Bereich unter 2,4µ vermutlich vorerst mit dem Rolling Shutter leben müssen.

Das führt natürlich bei Anwendungen wie der manuell nachgeführten ISS-Fotografie (die ich im übrigen bewundere) zu Problemen. Auch bei weniger kritischen Aufgaben führt der RS zu Qualitätsverlusten. Meine Rechnungen zeigen erfreulicher Weise aber, dass es bei Beachtung einiger Regeln keine gravierenden Nachteile gibt, und bei perfektem Seeing keine Rolle mehr spielen sollte.

Eine dieser Regeln betrifft die ROI. Bei unseren 5 getesteten RS-Kameras war das so: Wenn zum Beispiel ein Bildformat der Höhe 1000 Pixel auf eine ROI mit 200 Pixel gestellt wird, verfünffacht sich der RS-Effekt. Du musst also die Framerate um den Faktor 5 anheben, um diese Verschlechterung zu kompensieren. Falls Du genügend helle Bilder hast, um mit der dann 5 mal kürzeren Belichtungszeit auszukommen, ist das kein Problem. Problematisch wird es aber bei lichtschwachen Planeten, wenn trotz ROI die Framerate wegen zu kurzer Belichtung nicht angehoben werden kann.

Ich wünsche Dir weiterhin Erfolg mit der faszinierenden ISS-Fotografie!

Gruß, Peter
_________________________
Tutorial Mond/Planetenfotografie

[zum Seitenanfang]
Wellmann Offline
Mitglied

Registriert: 20/08/2002
Beiträge: 866
#1334057 - 16/04/2018 21:26 Re: Kameravergleich, Rolling Shutter, USB3.0 Repeater [Re: Michael_Haardt]



Hallo Michael!

Vielen Dank für Deinen Beitrag!

CCD vs. CMOS bedeutet doch lediglich einen Wettstreit der beiden Systeme, der sicher gerechtfertigt ist. Es geht hier übrigens nur(!) um die Eigenschaften der Systeme bei hoch auflösender Fotografie von Mond/Planeten, wobei einige der positiven oder negativen Eigenschaften gar nicht interessieren.

So ist für die Mondfotografie eine besonders hohe Framerate und Effizienz nicht von ausschlaggebender Bedeutung, wichtig ist hauptsächlich die Bildqualität. Und da ist zum Beispiel meine DMK41 CCD-Kamera im Endresultat von einer guten CMOS-Kamera vermutlich erreichbar aber keinesfalls zu schlagen. Nur ein Beispiel

Ich konnte diese Bildqualität mit meinen IMX178 (RS) oder IMX265 (GS) Kameras bisher leider noch nicht erreichen, bin aber zuversichtlich das noch zu schaffen. Bei Planetenvideos ist eine hohe Effizienz schon wichtiger, eine hohe Framerate nur bedingt bei Jupiter . Hier versprechen die modernen CMOS-Kameras speziell auch in den Farbversionen einen echten Fortschritt.

Der Rolling Shutter ist (welche Vorteile er auch sonst haben mag) für bewegte Bilder schon ein Problem, und verschwindet daher schon jetzt für besonders qualifizierte Anwendungen komplett vom Markt. Erfreulicher Weise ergab die genaue Untersuchung für hoch auflösende Mond/Planetenbilder eine weitgehende Entwarnung. In beiden Fällen hält sich der RS-Effekt bei Beachtung einiger Regeln in engen Grenzen.

Gruß, Peter
_________________________
Tutorial Mond/Planetenfotografie

[zum Seitenanfang]
komposer Offline
Mitglied

Registriert: 22/05/2003
Beiträge: 2537
Ort: NRW
#1334068 - 16/04/2018 22:39 Re: Kameravergleich, Rolling Shutter, USB3.0 Repeater [Re: Wellmann]


Hallo Peter,

danke für Deine Ausführungen. Wirklich sehr nützlich. Z.B. beim Jupiter lohnt sich die Roi, da ich so die für die kurze Belichtungszeit maximal mögliche Framerate erzielen kann.
Beim Uranus hatte ich zuletzt aber nur wegen der kleineren Dateigröße eine Roi gezogen.
Mir sind da zwar keine typischen RS-Effekte / Störungen aufgefallen aber dank Deiner Infos werde ich das wohl im Blick behalten.

Gruß,
Holger

[zum Seitenanfang]
Michael_Haardt Offline
Mitglied

Registriert: 13/03/2015
Beiträge: 245
#1334206 - 17/04/2018 22:07 Re: Kameravergleich, Rolling Shutter, USB3.0 Repeater [Re: Wellmann]


Ich wollte nur darauf hinaus, dass CCD vs. CMOS nichts mit rolling vs. global shutter zu tun hat.

Was ROI angeht: Ich kenne viele Sensoren, die nur Zeilen weglassen können, d.h. die Reduzierung der Höhe resultiert direkt in einem Geschwindigkeitsgewinn auf der Sensorschnittstelle. Die Reduzierung der Breite überträgt dann Blanking statt Daten, d.h. der Sensor wird damit nicht schneller. Es spart nur Speicher- und USB-Bandbreite, aber die Zeilen sind zeitlich weiter voneinander entfernt, als man denkt.

Die Qualität von Kameras kann man nur schlecht anhand von fertigen Bildern beurteilen, weil da auch viele andere Dinge eine Rolle spielen. Ich bin seit einiger Zeit dabei, mir ein Setup zur Analyse aufzubauen, was reproduzierbare Ergebnisse bringen soll und von jedem günstig nachgebaut werden kann. Das hätte den Vorteil, dass man Fragen wie die Auswirkung von gain bei einem bestimmten Sensor genau messen kann, anstatt sich auf Annahmen und Spekulationen zu verlassen.

Leider geht das bisher nicht so glatt voran, wie ich gerne hätte, d.h. ich lerne immer noch viel dazu, z.B. woran man merkt, wenn eine Ulbrichtkugel schlecht ist.

Michael

[zum Seitenanfang]
komposer Offline
Mitglied

Registriert: 22/05/2003
Beiträge: 2537
Ort: NRW
#1334252 - 18/04/2018 11:03 Re: Kameravergleich, Rolling Shutter, USB3.0 Repeater [Re: Michael_Haardt]


Hallo Michael,

das die Reduzierung der Breite keine höhere Framerate bringt musste ich sofort testen, denn ich arbeite viel mit ROI.

Bei der Asi120mm waren in dem linken Vorschau-Fenster unter firecapture folgende aktuelle FPS Werte zu sehen (ohne die Aufnahme zu starten )

1. Vorgegebene Höhe: 544
Breite: 672 / 58 fps, 416/91, 256/99, 96/99

2. Vorgegebene Breite: 544
Höhe: 672/58fps, 416/91, 256/142, 96/425

Ab einer gewissen Fenstergröße wirkt sich also auch die Breite auf die Framerate aus, aber wenn es dann kleiner wird, scheint eine breitere aber dafür weniger hohe ROI vorteilhafter zu sein.

Danke für Deine Infos, denn ich hätte das sonst nie ausgetestet.

Gruß,
Holger

[zum Seitenanfang]
Michael_Haardt Offline
Mitglied

Registriert: 13/03/2015
Beiträge: 245
#1334324 - 18/04/2018 18:58 Re: Kameravergleich, Rolling Shutter, USB3.0 Repeater [Re: Wellmann]


Die Frage ist halt immer, was begrenzt: Die Sensorschnittstelle oder der Rest der Kamera.

Onsemi bietet freundlicherweise Datenblätter an: http://www.onsemi.com/pub/Collateral/MT9M034-D.PDF

Auf Seite 11 siehst Du, wie das horizontal blanking von der Zeilenbreite abhängt: Je kleiner A, desto größer Q. Darum gehen gleich viele Daten über die Sensorschnittstelle, aber Speicherbandbreite, Postprocessing in der Kamera und USB kosten natürlich auch Zeit.

Wie gesagt, das ist ziemlich üblich bei Bildsensoren.

Michael

[zum Seitenanfang]
TorstenEdelmann Offline
Mitglied

Registriert: 28/08/2002
Beiträge: 2019
Ort: Landsberg a.L.
#1334364 - Gestern um 06:28 Re: Kameravergleich, Rolling Shutter, USB3.0 Repeater [Re: Wellmann]


Hallo Peter,

Erstmal vielen Dank für Deine Analysen. Sehr gute Dokumention, hinter der bestimmt eine Menge Arbeit gesteckt hat !


Original geschrieben von: Wellmann

Und da ist zum Beispiel meine DMK41 CCD-Kamera im Endresultat von einer guten CMOS-Kamera vermutlich erreichbar aber keinesfalls zu schlagen.

Das Problem mit solchen Vermutungen ist, dass man sie nie in Praxis wird betätigen oder wiederlegen können, denn das Seeing wird hier nie identische Aufnahmebedingugnen zulassen. Insofern könnte ich ebenso das Gegenteil behaupten, ohne dass Du mir das wiederlegen könntest. Fakt ist jedenfalls, dass CCDs vom Markt zunehmend verschwinden werden, denn SONY hat z.B. die Produktion langfristig abgekündigt und wird nur noch CMOS produzieren.

Gruß, Torsten

[zum Seitenanfang]


Moderator:  Alexander_Mod 
Aktuelle Fotos
Noch eine M51
M51 - mit Mini Teleskop Selbstbau
Wetterleuchten im Orion
Mal wieder ein Jupiter mit dem 5 Zöller
NGC 2655 in der Giraffe
Beifang: M5 mit ASI178MM und Bresser HD Cam
Leo's Triplet (und Teile davon) a GoGo
Wer ist Online
4 Mitglieder (pulti, 3 unsichtbar), 128 Gäste und 3 Suchmaschinen online.
Status: Admin, GlobalModerator, Moderator
Forum Statistik
27573 Mitglieder
68 Foren
252973 Themen
1320428 Beiträge

Besucher Rekord: 1886 @ 17/10/2009 22:24