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Q博谈天文摄影之 CMOS相机拍摄深空如何设置GAIN和OFFSET
2019 年 10 月 15 日
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


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