Gain, ISO与动态范围

最近南方阴雨连绵，没得拍摄。自己又打算今年内入一款全副相机以拍星野以及广域深空，于是就学习了一下相机和CCD/CMOS的知识。很有意思的一部分是关于Gain, ISO和动态范围的。知道原理后，Gain和offset其实都不难设。而ISO完全就是单反上的Gain，以前用相机的时候看书上都是写说把ISO设在400, 800,1600，现在终于不仅知其然，还知其所以然了。把自己的一些理解写出来，希望大家指点。

什么是Gain

所谓数码相机，就是指图像全部用数字来表示。拍摄完写入raw文件后，每个像素，都用一个数值来表示它的亮度。当几千万个不同数值不同亮度的像素组在一起的时候，就构成了图画。这个数值，通常用ADU或者DN来表示。下面这个图，就是某张单反相机拍的照片各个颜色通道的ADU分布图。横轴是像素值，即ADU，相机是14bit的，所以最大值16383。纵轴是对应的ADU值在这个文件中的像素数量。

那个CCD/CMOS是怎样把光子转换成数值的呢？这中间经过了一个重要的介质，电子。当光子撞击到CCD/CMOS上的时候，会在CCD/CMOS上激发出电子，然后再根据激发出的电子数目，转换成ADU数值。这个过程绝大多数都是线性的。

光子– >  电子 -->  ADU

我们常说的量子效率（QE），就是指光子激发电子的效率。100%就表示每个光子都没有被浪费，有相应的电子被激发出来。所以量子效率当然是越高越好。QE通常由CCD/CMOS内定了，不同CCD/CMOS有不同的QE。给定CCD/CMOS, 用户没得调QE。我们只有通过选不同的CCD/CMOS，来改变QE。

Gain是用来描述电子是怎样转换成ADU的，单位是 e-/ADU。假设CCD/CMOS上一个像素曝光后激发出了1000个电子，如果gain是0.5 e-/ADU的话，那转换成ADU的读数即为2000。

从Gain值的定义来看，一点很重要的结论就是：不考虑读出噪声情况下，改变Gain值不会让你的CCD对光子更加敏感，它只是放大了信号，但是同时也放大了噪声，无助于提高性噪比。改变gain的放大效应，后期处理也一样可以做到。但也不意味着Gain值设成什么都一样，因为它会影响CCD/CMOS的动态范围，现在单反CMOS的Gain值也会影响读出噪声，具体看下节。

什么是动态范围

CCD/CMOS每个像素在一次曝光中，未读出之前，能承受或者说存储的电子数量是有限的，也就每个像素有full well capacity。以QHY10为例，它的full well capacity是 45,000 e-，这就是它动态范围的上限。而CCD/CMOS每次读出都会有一定的读出噪声，比如说Q10的读出噪声8-10 e-，这就是它动态范围的下限。所以Q10的动态范围就是8e到45000e。可以用两个方法表示：

Ø  12.45bit = log2 (45000/8)

Ø  75db = 20*log(45000/8).

前面一个表示法比较常用，后面一个表示法也可以在CCD的各种参数表中见到。

而CCD配的ADC（analog-digital Converter）通常是16位的，也就是说，它可以表示的ADU最小是是0，最大值是65535，都是整数。ADC的作用就是把电子按设置的Gain转换成ADU。为了充分利用相机ADC的动态范围，CCD厂家通常会有一个内置gain，把相机的full well capacity转换成接近65535，根据前面Gain的定义，Q10的内置Gain最佳值应该是0.69 e-/ADU = 45000 e-/65535 ADU。（实际查到的内置gain= 0.7e-/ADU，留了一点空间）。

这时候让我们看看Gain值是如何影响动态范围的。比如说我们把Gain值往小了设为0.1e-/ADU，在这个Gain值下，只要6553个电子，就对应最大ADU值65535了。这时，哪怕你给它更多的电子，也只能对应到最大的ADU值65535。6553即为此Gain值下的最大信号，相机的动态范围变成了9.7 bit = log(6553/8), 比原来的12.45bit小得多。浪费！如果把Gain往大了设为3 e-/ADU又会怎样呢？这时候动态范围没受影响，但是引起另一个问题。比如说其中三个像素的电子数分别是89e, 90e，91e，转换成ADU就都变成了30, 30, 30，原来有差别的像素点经转换后变成没差别，损失了细节。从这点来看，虽然此CCD的动态范围只有12.45bit，但是ADC做成16bit是完全必要的。因为如果只有14bit的话，最佳内置gain就是2.7 e-/ADU = 45000 e/16384ADU 左右，会损失很多细节。但是无论用多少位的ADC，实际动态范围还是12.45bit，比一般单反的适合天文摄影的ISO下动态范围仅仅是稍好。

这时候会有同学会说，不对不对，我每次用CCD设置的Gain都是0，那岂不是全错了？其实此Gain非彼Gain。QHYCCD当设置Gain = 0时，对应的其实就是内置gain。当Gain=63时，对应的是内置gain除以6。0和63之间的数值，对应1-6的对数曲线。

什么是offset

Offset是相对简单得多的一个概念，顾名思义就是“补偿值”。就是在每个像素根据gain转换出来的ADU数值基础上，再加一个常数（通常500-1000）。

我们在后期处理的时候，大家都知道要减去暗场和偏置（偏置就是读出噪声）。但是暗电流和读出噪声在单张照片的每个像素的值都不是一样的，有些像素高有些像素低，遵从一定的分布。当我们减去master dark或者master bias时，如果没有offset，很多像素会变成0。如果这些像素刚好含有微弱的暗天体信息而变成0的话，那是怎么后期处理都补不回来的。

怎么设置Gain和offset

上理解了上面内容之后，调gain和偏置其实就是挺简单的事情。前面说了Gain=0对应的就是内置gain，通常差不离了。如果想偷懒的话，把Gain就设在0，怎么也错不到哪里去的。

设Offset：拍一张偏置，读取这张偏置像素的平均值，如果在500-1000左右就OK，不然就调整offset再拍再读取，直到偏置的平均值在500-1000左右。

想更好一点，比如Q10内置 gain设置在0.7e-/ADU，对应的最大ADU值是64258，与65535比留了些空间。如果想用尽这个空间的话，那就在offset设好后，再用均匀光源拍一张完全过曝的照片，读取它的数值，然后通过调整gain值来调整这个数值，让他尽量接近65535，但千万不要超过65535。

上面gain和offset的调整可以循环以得到更准确的数值。刚买来调一次就好了，以后每次拍摄就不用调了。

什么是ISO

ISO纯粹是历史遗留下来的一个概念。因为以前胶片相机的感光度都是用ISO来表示的，当转为数码相机的时候，相机厂家为了用户使用友好，就继续保持了这个概念，其实每个ISO都是对应一个Gain值的。下面这个表就列出了感动6D在各个ISO对应的Gain值。

有了上面关于Gain的知识，上表参数不难理解。相机和天文CCD有几点不同的解释一下：

1.      增加ISO相当于减小Gain值。

2.      6D内置了offset=2048，用户没法调整。

3.      6D是14bit的ADC，所以理论最大ADU是16384，但是实测最大ADU是13xxx。原因待研究。

4.      6D CMOS的full wellcapacity 是79800e，但只有在ISO100下才能发挥出来。它的最小读出躁点是1.6e，但只有在ISO10240时候才能达到。所以也有时候说6D的动态范围是15.5bit=log2(79800/1.6)。但是两个ISO不会同时存在，所以这个数值没什么意义。各个ISO下的动态范围，才是实际我们能用的动态范围。

5.      对天文摄影来说，低读出躁点比动态范围更有意义。因为其实大部分天体目标都很暗弱，在raw文件里没那么容易过曝，动态范围低着呢。

6.      Maximum signal就是在相应的ISO（gain）和最大ADU下，相机有效的电子数。

7.      6D CMOS的读出噪声随着ISO的增加而急剧变小。天文CCD也存在这个问题，但是没这么明显。

8.      Gain=1的时候称为unitygain。如前讨论，当gain>1时，会损坏细节。所以6D用ISO800或者ISO1600是比较合适的。ISO>6400时，读出噪声已经没有明显下降，ISO6400是最大推荐使用ISO，在往上只会徒然减小动态范围。

参考：

1.      http://www.clarkvision.com/

2.      http://www.stark-labs.com/help/blog/files/GainAndOffset.php

3.      http://qhyccd.com/en/left/page1/qhy10/

4.      <星野摄影 2>

好文章，学习了！~

很久没有在牧夫上看过这么劲爆的帖子了.....
研究下。我第一遍也没看懂

哦 - 也就是说要考虑不能让读出噪声太大，又要考虑电子数~ 那么ISO400-1600都可以考虑 ~

看了两遍还是没怎么看明白，排队学习，不过理解为什么大师用残副单反iso通常情况不会超过800了。

学习

crazygame12345 发表于 2014-2-24 16:03
很久没有在牧夫上看过这么劲爆的帖子了.....
研究下。我第一遍也没看懂

物理学专业的都没看懂，看来我写的还是不够深入浅出呀...

太有才了！

有一点略有异议
反差很大的天文目标还是有不少的，越是常见的反差越大，例如M42,M31之类，所以还是需要些动态范围的
不然就得HDR了

非常好的科普贴，这几天在读星野摄影，也有类似讨论。

ecloud 发表于 2014-2-24 20:41
有一点略有异议
反差很大的天文目标还是有不少的，越是常见的反差越大，例如M42,M31之类，所以还是需要些动 ...

这个是的，还是有些天体比如M42，M31动态范围比较大，这个可以用比较低的ISO拍。

椰风123 发表于 2014-2-24 20:25
物理学专业的都没看懂，看来我写的还是不够深入浅出呀...

第二遍完全看懂了

好久没登录牧夫了，这次是专门来顶耶风的

学习学习

ISO不仅仅是为了继承传统，设定更是为了配合光圈快门，在光圈恒定的情况下，减少一倍快门时间所减少的曝光量可以通过增加一档ISO"弥补"，同样在快门恒定的情况下，收一档光圈所减少的曝光量也可以增加一档ISO"弥补"。

在一定范围内，一档光圈的曝光量，约等于一倍快门时间的曝光量，约等于一档ISO的增益