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quan787 2022-10-08 15:46:58 +08:00
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docs/meteor/wrong_settings.md
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# 通通拉满！网络摄像头的错误设置 # 通通拉满！网络摄像头的错误设置
电影里偶尔会出现这样的桥段：街道上的摄像头拍到一张车辆的照片，这时候大佬对着小喽啰喊，放大！增强！然后小喽啰一通操作，画面越放越大，车的车牌号、驾驶员就都变得清清楚楚了。 电影里偶尔会出现这样的桥段：街道上的摄像头拍到一张车辆的照片，这时候大佬对着小喽啰喊，放大！增强！然后小喽啰一通操作，画面越放越大，车牌号、驾驶员就都变得清清楚楚了。
我们都知道在现实中这种操作显然不存在，望远镜的分辨率和极限星等受口径限制。所以，在拍摄流星时，必然会撞到这些物理定律设置的障碍。 我们都知道在现实中这种操作显然不存在，望远镜的分辨率和极限星等受口径限制。所以，在拍摄流星时，必然会撞到这些物理定律设置的障碍。
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这里的错误设置其实比较隐蔽，在天文的其他领域不常遇到，容我慢慢道来。上篇文章我们说到，增益就是光电子和ADU的比值，这个比值是可以设置的。如果设置的比较大，一个光电子对应的ADU就更多，画面就更亮。一般天文观测中，常常把CCD设置成一个电子对应一个ADU，或者多个电子对应一个ADU。但是对于流星观测，曝光时间非常短，所以电子数很少（可能只有几个十几个），所以我们不由自主得把增益设置得非常高，这时候，一个电子就会对应好几个ADU。 这里的错误设置其实比较隐蔽，在天文的其他领域不常遇到，容我慢慢道来。上篇文章我们说到，增益就是光电子和ADU的比值，这个比值是可以设置的。如果设置的比较大，一个光电子对应的ADU就更多，画面就更亮。一般天文观测中，常常把CCD设置成一个电子对应一个ADU，或者多个电子对应一个ADU。但是对于流星观测，曝光时间非常短，所以电子数很少（可能只有几个十几个），所以我们不由自主得把增益设置得非常高，这时候，一个电子就会对应好几个ADU。
这样做有什么问题呢？分析两种情况。不考虑其他噪声，假设我们相机的ADC是8位的，它可以输出的值为0-255。第一种设置，增益为较低的1e/ADU（这个单位与相机控制页面对的设置是相反的），那么他能拍到的最暗的亮度就是1ADU，对应1个电子，最亮就是255ADU，255个电子，相差255倍。第二种设置，增益设置为0.2e/ADU，那么最暗就成了5ADU，1个电子，最亮还是255ADU，只对应51个电子，最亮和最暗只差51倍。电子数多于51，ADU值也无法继续增加了。这个最亮最暗相差多少倍，就是摄影中常说的“动态范围”，高感降低了动态范围。 这样做有什么问题呢？分析两种情况。不考虑其他噪声，假设我们相机的ADC是8位的，它可以输出的值为0-255。第一种设置，增益为较低的1e/ADU（这个单位与相机控制页面的设置是相反的），那么他能拍到的最暗的亮度就是1ADU，对应1个电子，最亮就是255ADU，255个电子，相差255倍。第二种设置，增益设置为0.2e/ADU，那么最暗就成了5ADU，1个电子，最亮还是255ADU，只对应51个电子，最亮和最暗只差51倍。电子数多于51，ADU值也无法继续增加了。这个最亮最暗相差多少倍，就是摄影中常说的“动态范围”，高感降低了动态范围。
这样暗的目标确实显得更亮了，但是相机对亮暗的分辨能力却降低了。第一种设置下的52-255个电子，在第二种设置下全部过曝，ADU值定格在了255。所以对于亮的目标，我们就无法知道它的亮度了，因为52电子和255电子一样亮。这就造成，我们的摄像头虽然极限星等很高，比如5等，但是画面中2等的恒星就开始过曝了。如果有亮流星出现，画面可能会有一大片白，对流星的坐标测量也会出问题。 这样暗的目标确实显得更亮了，但是相机对亮暗的分辨能力却降低了。第一种设置下的52-255个电子，在第二种设置下全部过曝，ADU值定格在了255。所以对于亮的目标，我们就无法知道它的亮度了，因为52电子和255电子一样亮。这就造成，我们的摄像头虽然极限星等很高，比如5等，但是画面中2等的恒星就开始过曝了。如果有亮流星出现，画面可能会有一大片白，对流星的坐标测量也会出问题。
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![](image/20221008064651.png) ![](image/20221008064651.png)
亮度、对比度的设置与增益也类似。有人为了画面“干净”“清晰”，把对比度拉到非常高，画面就变成了一种诡异的情况：天光背景几乎被压到0，所以也没有什么可见的噪声；然后比天光亮一点点的东西全都变成了255，恒星、流星，出现就是巅峰。这种类似二值图的视频完全没有亮度信息可言。下图是用photoshop进行的演示。 亮度、对比度的设置与增益也类似。有的人为了画面“干净”“清晰”，把对比度拉到非常高，画面就变成了一种诡异的情况：天光背景几乎被压到0，所以也没有什么可见的噪声；然后比天光亮一点点的东西全都变成了255，恒星、流星，出现就是巅峰。这种类似二值图的视频完全没有亮度信息可言。下图是用photoshop进行的演示。
![](image/curve.png) ![](image/curve.png)
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在对天体做测光的时候，都是把它的亮度与周围的天光相减。天光的亮度是测光中很重要的数据。比如测到一颗星A的亮度是50，而它周围天光的亮度是20，这样我们就知道属于这颗星的亮度是30。如果另一颗星B测到是80，那么它的亮度就是60，B星的亮度是A星的两倍。之所以能得到这个结论，是因为常见的CMOS和CCD是线性器件：在工作范围内，接受到的光子数与输出的ADU值成正比，ADU两倍就是光子数两倍。 在对天体做测光的时候，都是把它的亮度与周围的天光相减。天光的亮度是测光中很重要的数据。比如测到一颗星A的亮度是50，而它周围天光的亮度是20，这样我们就知道属于这颗星的亮度是30。如果另一颗星B测到是80，那么它的亮度就是60，B星的亮度是A星的两倍。之所以能得到这个结论，是因为常见的CMOS和CCD是线性器件：在工作范围内，接受到的光子数与输出的ADU值成正比，ADU两倍就是光子数两倍。
但如果我们调整了亮度和对比度，把整个画面压低了30，这时候画面中的天光就都变成负值了，所以输出值是0，毫无噪声；而A星变成了20，B星变成了50。可以看到，两颗星的比值不再是两倍了。也就是说，天光背景没了，线性就被破坏了。 但如果我们调整了亮度和对比度，把整个画面压低了30，这时候画面中的天光就都变成负值了，所以输出值是0；而A星变成了20，B星变成了50。可以看到，两颗星的比值不再是两倍了。也就是说，天光背景没了，线性就被破坏了。
所以不要把天光背景压到小于0，等于0也不行。如果天光背景是0，那由于读出噪声的存在，很多像素值随机波动时还是会小于0而被截断成0，所以测得的天光平均值会有偏离。这就是为什么天文摄影中有个设置叫做“偏置”，通常设置成大于0，就是为了避免读出噪声被0截断。天文摄影中的叠加就是依赖器件的线性，所以偏置和偏置场的拍摄非常受重视。 所以不要把天光背景压到小于0，等于0也不行。如果天光背景是0，那由于读出噪声的存在，很多像素值随机波动时还是会小于0而被截断成0，所以测得的天光平均值会有偏离。这就是为什么天文摄影中有个设置叫做“偏置”，通常设置成大于0，就是为了避免读出噪声被0截断。天文摄影中的叠加就是依赖器件的线性，所以偏置和偏置场的拍摄非常受重视。