CMOS相机拍摄深空如何设置GAIN和OFFSET

Q博谈天文摄影之
CMOS相机拍摄深空如何设置GAIN和OFFSET


    首先，并没有一个所谓的"最佳的GAIN和OFFSET值",由于当前CMOS相机的一些特性，例如不足的AD采样率（12位或者14位），以及读出噪声随增益提高而降低的特性。我们需要稍微理解一下相机的读出噪声，满阱，系统增益，以及天光背景的光子噪声等，才能更好的帮助我们确定应该使用的GAIN和OFFSET.

    为了方便大家更好的能开始拍摄，我们这里给出一个针对制冷CMOS相机深空拍摄的GAIN和OFFSET的设置原则。然后再详细讲述为什么要采取这个原则。

GAIN设置
    如果您以前没有制冷CMOS相机的使用经验，那么我们建议您刚开始的时候，增益可以设置为"单位增益”。单位增益是指相机的系统增益为1e/ADU的时候的GAIN设置值。通常我们会在相机的页面直接给出该值。例如QHY168C的是10，而QHY367C的则为2800.  注意单位增益的设置也不必要纠结一定要刚好是系统增益，增加一点或者减少一点影响其实并不大。

请注意：单位增益并不是最好的设置！只是一个起始点

    然后根据拍摄的具体情况，再进一步确定是增加或者减少这个值。通常情况下，如果您的光学系统是快速光学系统，大光圈，例如F2.2-F5之间的望远镜，曝光时间又比较长，比如5分钟以上，同时又没有使用窄带滤镜，那么可以考虑进一步减少GAIN. 以便获得更大的动态范围，更好的利用相机的满阱值，以避免恒星过曝。（过曝的恒星会导致星点肥大，同时恒星的颜色饱和度受到损失）。

    如果您使用了窄带滤镜，或者你的望远镜焦比在F6-F10，曝光时间又比较短，那么在曝光时间周期内接受到的光子数有限，这种情况下，您可以提高增益，以期充分发挥在CMOS高增益下读出噪声低的特性，提高目标的信噪比。

使用情况	增益值	目的
入门值	系统增益	提供一个初始值给入门用户使用
使用快镜，曝光时间较长	降低增益	充分发挥动态范围，避免星点饱和
使用窄带，慢镜，曝光时间短	提高增益	光子数有限情况下，获得更低读出噪声

OFFSET设置
    OFFSET的设置也并没有一个最佳值。OFFSET设置的正确方法是：在某一个增益下，分别拍摄偏置场和暗场，然后观察图像的直方图分布。
    可以看到直方图分布是一个峰。通过改变OFFSET，可以使得这个峰向左或者向右平移。我们需要确保整个这个峰都要大于0，不能被0给截掉。同时，为了能有所冗余，因此需要比零略大一些，比如大100到几百个ADU，甚至几千ADU都是可以的。但是也不能太大，否则会占用掉0-65535中有效的动态范围。
需要注意，不同增益下，这个峰的宽度是不相同的，在高增益下这个峰就会变宽。因此在低增益下合适的OFFSET值，在高增益下未必合适。很可能由于这个峰变宽了导致这个峰的部分被0给截掉。





进阶篇
    众所周知现阶段还没有16位采样的CMOS相机，因此就会导致AD的采样精度不能与CMOS的满阱电荷数很好的匹配。在低增益下，CMOS的系统增益往往会达到若干个电子对应一个ADU。这样会带来采样误差。损失了相机对信号强度的分辨能力。
    当提高增益的时候，CMOS的系统增益值会降低，当达到某一个增益时，对应1e/ADU,这就是系统增益。但是提高增益会带来一个问题，就是限制了输出图像的满阱电荷数。比如12位的CMOS，当系统增益为1的时候，图像达到饱和的时候，对应的满阱就只有4096电子。这样如果图像中有比较亮的目标，例如大多数的恒星等，就会出现饱和。特别是如果您的望远镜是快镜，或者曝光时间比较长，这个问题就会特别的突出。一旦恒星饱和，星点就会变粗，而且后期是无法补救的(除非用软件缩星大法）。同时，星点的颜色信息也会受到影响，星点的颜色饱和度会下降。最终图像感觉星点很粗，大部分星点很白。感觉图像非常干涩。因此这种情况下，只能通过降低增益，来获得图像更大的满阱。

    降低增益是在没有16位AD情况下采用的一个不得己的折中方法。这时候采样误差（量化噪声）会增加。但是，由于在长曝光，以及快镜下，像素的光子数比较多，光子数自身的量子噪声，会带来超过量化噪声的起伏（可以理解为一种在亮度上自然实现的“抖动”算法），因此量化噪声增加带来的影响会有所减小。通过一定的叠加，也可以在一定程度上弥补因为量化噪声引起的图像层次不够的问题。

    在光子数受限的情况下，例如在窄带摄影，曝光时间短，以及使用的镜子是“慢镜”的情况下，那么可以提高增益。因为这种情况下不容易出现目标饱和问题，同时，背景天光几乎没有，此时读出噪声和量化噪声是影响弱光探测能力的主要因素，提高增益获得更低的读出噪声和更低的量化噪声，对于提高信噪比是非常有意义的。




附图

QHY367C的系统增益，在产品页面的特性图里面可以找到


读出噪声随着增益增加而减小的曲线。


输出图像的满阱电荷值随着增益增加而降低


从动态范围角度而言，增益升高会降低动态范围。





QHY168C  1600万像素APS-C画幅制冷CMOS相机拍摄的蓝色马头


QHY367C 3600万像素全画幅制冷CMOS相机拍摄的天蝎座调色盘区域


QHY128C 2400万像素全画幅CMOS相机拍摄的猎户座马头星云，采用了F2.2 RASA快镜和10分钟长曝光，使用了最低增益





QHY163M  1600万像素4/3英寸黑白相机拍摄的天鹅座北美洲星云的局部

学习了

太好了，正需要这篇文章！！！！

多读几遍加深理解，有了此贴，再也不用为Gain和offset困惑了