Q博談天文攝影之——CMOS相機拍攝深空如何設置GAIN和OFFSET
首先，並沒有一個所謂的"最佳的GAIN和OFFSET值",由於當前CMOS相機的一些特性，例如不足的AD採樣率（12位或者14位），以及讀出噪聲隨增益提高而降低的特性。我們需要稍微理解一下相機的讀出噪聲，滿阱，系統增益，以及天光背景的光子噪聲等，才能更好的幫助我們確定應該使用的GAIN和OFFSET.
為了方便大家更好的能開始拍攝，我們這裡給出一個針對製冷CMOS相機深空拍攝的GAIN和OFFSET的設置原則。然後再詳細講述為什麼要採取這個原則。
GAIN設置
如果您以前沒有製冷CMOS相機的使用經驗，那麼我們建議您剛開始的時候，增益可以設置為"單位增益”。單位增益是指相機的系統增益為1e/ADU的時候的GAIN設置值。通常我們會在相機的頁面直接給出該值。例如QHY168C的是10，而QHY367C的則為2800. 注意單位增益的設置也不必要糾結一定要剛好是系統增益，增加一點或者減少一點影響其實並不大。
請注意：單位增益並不是最好的設置！只是一個起始點
然後根據拍攝的具體情況，再進一步確定是增加或者減少這個值。通常情況下，如果您的光學系統是快速光學系統，大光圈，例如F2.2-F5之間的望遠鏡，曝光時間又比較長，比如5分鐘以上，同時又沒有使用窄帶濾鏡，那麼可以考慮進一步減少GAIN. 以便獲得更大的動態範圍，更好的利用相機的滿阱值，以避免恆星過曝。（過曝的恆星會導致星點肥大，同時恆星的顏色飽和度受到損失）。
如果您使用了窄帶濾鏡，或者你的望遠鏡焦比在F6-F10，曝光時間又比較短，那麼在曝光時間週期內接受到的光子數有限，這種情況下，您可以提高增益，以期充分發揮在CMOS高增益下讀出噪聲低的特性，提高目標的信噪比。
OFFSET設置
OFFSET的設置也並沒有一個最佳值。OFFSET設置的正確方法是：在某一個增益下，分別拍攝偏置場和暗場，然後觀察圖像的直方圖分佈。
可以看到直方圖分佈是一個峰。通過改變OFFSET，可以使得這個峰向左或者向右平移。我們需要確保整個這個峰都要大於0，不能被0給截掉。同時，為了能有所冗餘，因此需要比零略大一些，比如大100到幾百個ADU，甚至幾千ADU都是可以的。但是也不能太大，否則會佔用掉0-65535中有效的動態範圍。
需要注意，不同增益下，這個峰的寬度是不相同的，在高增益下這個峰就會變寬。因此在低增益下合適的OFFSET值，在高增益下未必合適。很可能由於這個峰變寬了導致這個峰的部分被0給截掉。
進階篇
眾所周知現階段還沒有16位採樣的CMOS相機，因此就會導致AD的採樣精度不能與CMOS的滿阱電荷數很好的匹配。在低增益下，CMOS的系統增益往往會達到若干個電子對應一個ADU。這樣會帶來採樣誤差。損失了相機對信號強度的分辨能力。
當提高增益的時候，CMOS的系統增益值會降低，當達到某一個增益時，對應1e/ADU,這就是系統增益。但是提高增益會帶來一個問題，就是限制了輸出圖像的滿阱電荷數。比如12位的CMOS，當系統增益為1的時候，圖像達到飽和的時候，對應的滿阱就只有4096電子。這樣如果圖像中有比較亮的目標，例如大多數的恆星等，就會出現飽和。特別是如果您的望遠鏡是快鏡，或者曝光時間比較長，這個問題就會特別的突出。一旦恆星飽和，星點就會變粗，而且後期是無法補救的(除非用軟件縮星大法）。同時，星點的顏色信息也會受到影響，星點的顏色飽和度會下降。最終圖像感覺星點很粗，大部分星點很白。感覺圖像非常乾澀。因此這種情況下，只能通過降低增益，來獲得圖像更大的滿阱。
降低增益是在沒有16位AD情況下采用的一個不得己的折中方法。這時候採樣誤差（量化噪聲）會增加。但是，由於在長曝光，以及快鏡下，像素的光子數比較多，光子數自身的量子噪聲，會帶來超過量化噪聲的起伏（可以理解為一種在亮度上自然實現的“抖動”算法），因此量化噪聲增加帶來的影響會有所減小。通過一定的疊加，也可以在一定程度上彌補因為量化噪聲引起的圖像層次不夠的問題。
在光子數受限的情況下，例如在窄帶攝影，曝光時間短，以及使用的鏡子是“慢鏡”的情況下，那麼可以提高增益。因為這種情況下不容易出現目標飽和問題，同時，背景天光幾乎沒有，此時讀出噪聲和量化噪聲是影響弱光探測能力的主要因素，提高增益獲得更低的讀出噪聲和更低的量化噪聲，對於提高信噪比是非常有意義的。
QHY367C的系統增益，在產品頁面的特性圖裡面可以找到
讀出噪聲隨著增益增加而減小的曲線。
輸出圖像的滿阱電荷值隨著增益增加而降低
從動態範圍角度而言，增益升高會降低動態範圍。
QHY168C 1600萬像素APS-C畫幅製冷CMOS相機拍攝的藍色馬頭
QHY367C 3600萬像素全畫幅製冷CMOS相機拍攝的天蠍座調色盤區域
QHY128C 2400萬像素全畫幅CMOS相機拍攝的獵戶座馬頭星雲，採用了F2.2 RASA快鏡和10分鐘長曝光，使用了最低增益
QHY163M 1600萬像素4/3英寸黑白相機拍攝的天鵝座北美洲星雲的局部
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