Q博谈天文摄影之 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。需要注意的是，随着16位ADC的CMOS相机的出现（如QHY600,QHY268,QHY411,QHY461等）16位的AD已经能够充分采样，在最低增益的时候都能低于1e/ADU.则可以直接将增益设置为0。（需要注意，上述相机还具有一个扩展满阱工作模式，在这个模式下系统增益仍然可能后超过1，所以仍然需要找出单位增益来）而对于大多数的CMOS相机，还是以12位和14位为主，因此需要找到单位增益的时候的GAIN值。


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
对于非16位的CMOS相机，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，这种情况下，不论12位，14位还是16位的CMOS相机，提高增益都会降低读出噪声，都是有益的。QHYCCD在产品的"特性"页面，会提供读出噪声随着增益提高而变化的详细曲线，在使用中可以参阅。


附图
QHY367C的系统增益，在产品页面的特性图里面可以找到。系统增益是所获得的图像的每一个数值对应的电荷数。需要注意，对于12位，14位的相机，由于输出图像是按照16位存储的，高位对齐，低位补0，因此，得到的图像需要除以16或者除以4才是对于12位或者14位的实际的ADU值。然后可以根据下图计算出电荷数值。单位增益就是1.0e/ADU的位置。下图中约为2800.


读出噪声随着增益增加而减小的曲线。读出噪声的单位是电荷。读出噪声主要影响相机的弱光探测能力，进而影响相机的探测灵敏度。例如，当读出噪声为1个电子的时候，我们需要有3个光子转换出来的电荷，才能达到3：1的信号与噪声之比(信噪比，SNR)，通常情况下，SNR=3的图像，肉眼是可以分辨率一个恒星的，当SNR=2的时候，就比较难分辨出来了，如果低于1.5，则需要比较厉害的人，比如经常看寻彗或者找超新星的爱好者，才能辨识出来。



输出图像的满阱电荷值随着增益增加而降低。满阱电荷是指图像达到饱和的时候一个像素所能容纳的最大电荷值。图像达到饱和有两个情况，一个是像素物理上能容纳的电荷满了，另外一个是输入到ADC的电压超过了AD的最大量程导致图像达到了全白。提高增益，会放大信号，因此会让图像先于像素达到饱和就达到全白。所以从下图可以看到，增益越高，满阱电荷数就越低。



从动态范围角度而言，增益升高会降低动态范围。通常我们会沿用在电影拍摄的时候常用的一个名字，叫做“STOP"，每一个STOP翻1倍。比如8个STOP就是256倍。14个STOP就是16384倍。


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，正需要这方面的知识，谢谢

谢谢博士，找到正确的方式调GAIN和OFFSET了，以前都是官网打开直接设置单位增益，拍了1年多没改过

大神。。。，高深的东西先收藏，在慢慢学习。

有对焦相关的介绍吗？刚入手183M，完全不知道冷冻该怎么对焦，听说QHY有专门的软件看锐度峰值？