2025/09/19在使用CMOS和sCMOS相機等高階成像系統時，增益設定的影響至關重要。增益決定了感測器訊號在轉換為數位值之前如何放大，直接影響亮度、雜訊和動態範圍。然而，許多用戶對增益的真正作用、何時使用手動增益或自動增益以及如何針對特定應用進行最佳化等方面存在誤解。
本指南清晰、實用地解釋了什麼是增益、常見的誤解、增益如何影響影像品質以及如何正確設定增益。
什麼是收益？
相機系統增益是指顯示的灰階與偵測到的光電子數之比，單位為每個電子對應的灰階。有時也會給出其倒數——每個灰階對應的電子數——但兩者都描述的是相同的關係。
相機設計人員透過讀取架構中的類比數位轉換器 (ADC)、放大器和電容器來設定精確的增益值（或增益範圍）。這決定了在基線偏移的基礎上，每個光電子將被表示為多少個灰階。增益也定義了在不同模式下可用位元深度內，相機物理滿阱容量的多少被定址。
●低增益：產生更暗但更清晰的影像，具有更寬的動態範圍。
●高收益：提亮影像，但會引入更多雜訊並降低動態範圍。
圖 1增益值變化的影響
根據增益值的不同，光電子的相同訊號可以產生顯著不同的灰階值。如果不知道增益值，灰階值作為訊號測量指標就毫無意義。
因此，增益決定了我們訊號強度測量的「步長」——即光電子計數數位取樣的精度。一個簡單的類比是音訊：調高音量會同時放大音樂和背景嘶嘶聲。類似地，在相機中，增加增益會同時放大訊號和雜訊。
筆記在消費級攝影中，增益通常被稱為「ISO設定」。這個術語源自於底片攝影，當時的ISO值衡量的是底片的感光度。在數位相機中，較高的ISO值對應著更高的電子增益。
關於收益的常見誤解
雖然「增益」一詞在音訊或電子領域很常見，但在影像處理領域，它的使用往往會導致一些錯誤的理解。這些誤解可能導致影像被錯誤解讀，或增益設定被忽略。
1、“獲得收益就是作弊。”
認為增加增益會「人為地增強」訊號的想法是不正確的——增加增益只會提高電壓測量精度。
2、“1倍收益等於沒有收益。”
相機的預設增益設定（如果有多個設定可選）仍然代表以每個電子灰階為單位的選定增益值。說「這台相機沒有增益」就像說「這個人沒有身高」一樣！增益只是相機運作的一個可測量屬性。
3、“增益越高，訊號越亮，但雜訊也越大。”
除了EMCCD相機之外，這種說法幾乎總是錯誤的。更高的增益值會將訊號和雜訊相乘，反而可能放大影像中原本就存在的雜訊。但實際上，更高的增益通常會降低讀取噪聲，相機提供的最高增益設定通常也是噪聲最低的設定。
適當設定增益
圖 2適當設定增益
頂部：使用給定增益設定拍攝的影像。
底部：頂部影像的影像強度直方圖。
增益是科學成像中的關鍵權衡因素：它決定瞭如何平衡靈敏度和動態範圍。
增加收益:
● 降低讀取噪聲，提高在低光源環境下的信噪比
● 提高弱訊號的量化精度（每個電子可辨識更多灰階）
● 增強對微弱結構成像時的對比度
收益下降:
增加可用滿阱容量，從而能夠在不飽和的情況下捕獲更亮的訊號。
雖然並非所有相機都有可變增益設置，但許多相機都有，以便在高動態範圍/滿阱容量模式和高靈敏度模式之間取得平衡。
經驗法則選擇盡可能高的增益設定（每個電子對應的灰階最多），或選擇讀取雜訊最低的增益設定（如果兩者不同），但要避免使目標訊號中的像素達到飽和。如果由於雜訊的隨機變化，某些像素達到飽和值，而這些像素的資料又很重要，那麼增益可能過高。
筆記不過要小心，因為增益設定有時與其他相機模式相關聯，更改模式不僅會改變增益，還會改變位元深度、相機速度或相機的其他操作模式。
手動增益 vs 自動增益：您應該使用哪一個？
| 方面 | 手動增益 | 自動增益 |
| 控制 | 完全使用者控制 | 攝影機自動調節 |
| 一致性 | 高（在不同資料集上可重複） | 變量，可能每幀都不同 |
| 易用性 | 需要專業知識 | 簡單快速 |
| 最適合 | 定量實驗、顯微鏡學、天文學 | 即時成像、監控、動態照明 |
對於需要保證可重複性和定量準確性的科學應用，手動增益是首選。自動增益則適用於光照條件波動較大的即時觀察或偵測任務。
如何發現相機的增益價值
了解相機增益的實際值（以每個電子的灰階表示）對科學成像大有裨益，在某些成像應用中更是必不可少。然而，幾乎沒有相機軟體會向使用者顯示相機目前模式下的增益值。以下是一些獲取該值的潛在途徑：
1.從相機製造商提供的認證文件中讀取不同相機模式下的增益值。科學相機.
2、根據相機規格表，將每種模式下的滿阱容量（如有提供）除以該模式下可用的最大灰階值（由位元深度決定）來計算近似值。但請注意，規格表中的滿阱容量值有時可能與實際相機相比嚴重偏高，最高可達 40%。每台相機的滿阱容量都會略有不同。
3.以均值方差檢定自行測量增益。
科學應用中的增益設定
下面這張表格顯示了增益值的建議分類，以及可以針對 8 位元、12 位元或 16 位元像素值定址的相應滿阱容量。
表1：典型範圍內的範例增益值，單位為灰階/e-
範例增益值和對應的反向增益（以 e-/gray 為單位），以及在給定位深度下，此增益選擇所能達到的最大滿阱容量（假設沒有偏移）。
結論
增益是CMOS和sCMOS成像中最關鍵也是最容易被誤解的參數之一。它並非提升靈敏度的萬用工具，也不是越高越好。實際上，增益是在亮度、雜訊和動態範圍之間權衡的結果。
●手動增益它具有可控性和可重複性，使其成為科學和定量工作的理想選擇。
●自動增益具有便利性和適應性，非常適合即時監測和多變條件。
透過了解相機的增益值、避免常見的誤解以及應用最佳實踐，您可以在保持科學嚴謹性的同時優化影像品質。
常見問題解答
增益和曝光時間有什麼差別？
曝光時間增加會提高收集到的光子數量，進而提高訊號雜訊比。增益會放大最終的訊號和雜訊。
增益越高一定代表噪音越大嗎？
不完全是這樣。更高的增益會降低讀取噪聲，但同時也會放大訊號和噪聲，使噪聲更加明顯。
CMOS相機和sCMOS相機的增益設定有何不同？
sCMOS相機通常採用雙增益讀出技術，兼具高靈敏度和寬動態範圍。而標準CMOS相機則可能在兩者之間做出取捨。
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