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Q博谈天文摄影之【暗场比偏置场还暗问题与过扫区矫正】

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!poston!: 2017-10-22 23:04:37
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Q博谈天文摄影之
暗场比偏置场还暗问题 与  过扫区矫正

by QHYCCD Q博士

经常会碰到一些同好询问一个问题,拍摄的暗场比偏置还更暗,也就是说暗场的背景平均值比偏置场的平均值还低。在通常理解里面,偏置场曝光时间为零或者非常短,而暗场的曝光时间是长曝光,大家会觉得长曝光下,热噪声在增加,因此暗场的平均值应该比偏置场更高才对。为什么反而更低了呢。这时候大家首先可能会怀疑相机出问题了,或者驱动有问题。

其实这个现象是很正常的,而且这个现象还与一个名词:过扫区校正  非常相关。

对于CCD而言,这个问题产生的原因来源于AD转换器的参考电压的温度漂移。CCD输出的是模拟信号,要通过AD转换器转换为数字信号。AD转换器需要一个电压作为基准进行转换,这叫做参考电压,就好比我们测量一个长度,必须有一把标准的尺子。如果这个尺子的刻度变化了,那么测量出来的值也会跟着变化。

因此,参考电压如果变化了。那么AD转换器转换出来的值也会变化,就会引起图像的整体亮度变化。

参考电压是通过一个基准电源源提供的。通常这些电压源都会有一定的温漂。以常见的高精度基准电源源TL431为例,它的温漂是50ppm每度. 就是每一摄氏度变化百万分之50.乍一看这个值很小。但是对应到16位的ADC的范围而言,每一度就会变化好几个ADU.  十度就会是几十个ADU。这个就很容易看出来了。

由于通常相机是CCD芯片制冷并且进行温控,而不对ADC进行温控。因此就会导致环境温度变化了,图像整体会略微变亮或者变暗。

这个就容易解释为什么暗场会比偏置场更暗的原因了。通常大家会连续拍摄多张暗场和偏置场进行叠加。由于偏置场的曝光时间极其短,因此主要时间都在读出,ADC处于连续的工作状态,自身温度就升高。引起参考电压发生漂移。而连续拍摄暗场的时候,由于暗场的曝光时间长,在曝光的时候,ADC不工作,只有读出的过程才工作,因此温升没有那么大。

所以就出现了暗场的平均值比偏置场还要暗的情况。

另外,环境温度的变化也同样会引起这个效应。比如我们拍摄偏置的时候,室温是25度,而拍摄暗场的时候,室温是-10度,那么就会产生可观的漂移。

如何使用OVERSCAN校准解决该问题
解决该问题的方法可以有若干种。这里我们首先介绍手动校准方法。以便让大家深入理解校准的原理。

首先我们可以拍摄一系列的偏置场,暗场,明场,平场。拍摄的时候注意需要保存OVERSCAN区域,不能选择“忽略OVERSCAN区域”

分别将偏置场,暗场,明场,平场进行叠加,获得主偏置场,主暗场,主明场,主平场。

打开主偏置场。可以看到在图像右边有一个黑边,这个就是OVERSCAN区域,然后用鼠标拉一个框。这个框值需要取一部分黑边即可。记录下这个框内像素的平均值。例如500(用INFO窗口可以显示)

步骤1
使用PIXELMATH工具。将图像A设置为主偏置场。计算方法选择NONE。然后在OFFSET里面,输入上述平均值的负数,-500

执行PIXELMATH. 完成主偏置场的OVERSCAN 校准。

用同样方法,对主平场,主亮场,主暗场进行OVERSCAN校准。

步骤2
然后用PIXELMATH工具,将图像A设置为主平场,图像B设置为主偏置场。计算方法选择SUBTRACT(减法)。OFFSET设置为0。运行。得到的结果就是经过了精确校准的平场。

用PIXELMATH工具,将图像A设置为主亮场,图像B设置为主暗场。计算方法选择SUBTRACT(减法)。OFFSET设置为0。运行。得到的结果就是经过了精确校准的亮场。

用PIXELMATCH工具,将图像A设置为精确校准的亮场,将图像B设置为精确校准的平场。计算方法选择DIVIDE(除法)。OFFSET设置为0。运行。得到的结果就是经过全套校准之后的图像。

上述计算方法依据的公式为

校准后的图像=(L-D)/(F-B)

从这个公式也可以看出来。偏置场主要是在平场校准的时候其作用。暗场主要是在对亮帧做暗场校准的时候其作用。

平场如果不准确,容易出现的问题是校正过度(四个角比中心还亮),或者欠校正。
亮帧校准不准确,就是热噪点扣不准确。


自动校准方法
目前一些软件具备了OVERSCAN自动校准功能。比较典型的例如SGP软件。因此可以对此进行设置。具体方法请咨询相关软件使用高手

注:假如出现了过扫区平均值比图像有效像素去还要高,或者很接近怎么办?
这样使用减法就会导致图像被全部减成零。或者很接近导致有部分像素被减成零。这种情况下,对于步骤A中的-500,应该再加上一个常数,比如1000.  这样结果是+500. 然后执行过扫区校正。注意这个仅限于步骤1,步骤2的OFFSET还是为0


CMOS的情况
CMOS相机也存在此类问题,并且影响CMOS的更为复杂,因为某一些CMOS芯片内有具有光学黑电平校准功能。会自动做一次光学黑电平校准。光学黑电平校准和OVERSCAN区域校准是有区别的。区别在于光学黑电平区域,是包含热噪声的。而OVERSCAN区域是不包含热噪声的。因此当曝光时间较长的时候。CMOS的光学黑电平区域的暗电流增加,导致光学黑电平校准的时候扣的值,比曝光时间短的时候扣得更多。从而也导致了暗场比偏置场还要暗的情况。关于CMOS的校准问题,请参考《从单反相机到QHY163M》一文。该文章的英文版在http://www.alessiobeltrame.com/wp-content/uploads/2017/09/QHY163M_review_EN.pdf

中文版 从单反到QHY163M--qhy163m测评以及基础知识.pdf (1.48 MB, !downloads!: 10)
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!poston!: 2017-11-15 22:09:45
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好文!
不过弱弱地问一下,偏置只是用来校准FLAT的吗?我记得以前看到过的笔记中不是如此?有些疑惑。

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