引 子
上兩期真相中（做成像的你不能不了解的真相3--信噪比1和做成像的你不能不了解的真相3--信噪比2），我們說到在散粒噪聲限制區域里（也就是其他噪聲都可以忽略），信噪比等於光強度的平方根。其中的強度值是實際的物理量電子數，而不是灰度值。
那到底什么是電子數？灰度值與電子數有什么關系？今天我們要來討論的真相是灰度值與電子數。
強度單位--- ADU
我們可以從相機最基本的工作流程（圖1）來更好的了解圖像上的強度值代表什么：
· 硅材料（或者其他材料）能夠將接收到的光子轉換成電子
· 電子通過模數轉換器（ADC）按照一定的轉換系數轉換成數字信號，這個轉換系數我們稱之為增益（Gain），轉換成的數字信號我們稱之為模擬數字單位（ADU）
· 做圖像處理的工程師們更常把ADU稱之為灰度值（Gray Scale）
圖1.科研相機工作流程
所以從以上的流程我們可以了解到，圖像上的強度值並不是電子數，而是ADU。電子是實際的物理量，而ADU並不是。電子數是一定的，但ADU隨着增益的變化而變化。
偏置與增益
只要知道了相機的增益，我們可以很容易的從以下公式換算出實際的電子數呢：
電子數 = 灰度值 X 增益（誤）
錯，這里面有一個地方需要注意，就是偏置(Offset)。簡單的說，偏置指每個像素強度的初始值，也就是“相機的底”。通常來說，偏置是一個固定的值譬如100，是相機公司在制造相機的時候人為設置的。那么為什么要設置一個固定值呢？為什么不就是0就好了？反應快的讀者應該已經想到了，因為噪聲的存在。我們知道所有的噪聲是誤差，是上下波動的。如果相機的底是0，向下波動的噪聲會產生負值，而相機中不能有負值，於是一部分數據被Cut掉了，影響了數據的真實性，設置一個初始值便能很好的解決這個問題。
了解到了偏置的存在，我們可以更新下正確的電子數的計算公式：
電子數 = （灰度值 – 偏置） X 增益
於是我們來做一道簡單的計算題：
“假設圖像中某個像素的灰度值(ADU)為400，已知該圖像拍攝時使用的增益(Gain)為0.5 e-/ADU，相機的偏置offset經測為100 ADU，請問這個像素中收集到了多少個電子？”
很顯然答案是150個電子(e-)。所以想要測量電子數，只要知道了相機的偏置和增益兩個參數就可以了。增益一般會由相機公司在出廠報告里給出：
圖2.出廠報告示例
你需要了解拍攝時選用的是哪一個增益，在出廠報告中找到相對應的正確的數字。那關於增益有一些小的知識，我們不詳細展開講，供大家簡單了解下：
· 增益是廠家出廠已經設計好的，不同廠家可能有不同的增益值和可調節增益個數設置，一般在軟件中可以選擇相應的增益；
· 增益不會直接影響圖片信噪比；
· 信號非常弱時，選取小增益（如上圖0.63 e/ADU）可以提高對比度，增強圖像層次感。信號非常強時，選取大增益（如上圖2.65 e/ADU），可以提高成像的動態范圍；
· 當使用的相機是電子倍增型CCD時（EMCCD）時，電子數計算的增益還需要考慮到電子倍增（EM Gain）
而偏置這個參數，一般不會直接給出，但是我們可以很容易的測量出來。在相機成像的過程中，不給任何信號、曝光時間設置為0時的圖像均值就是偏置，相信讀者小伙伴們可以很容易的Get到。
圖3.相機的偏置測量
那么以上就是關於電子數的真相，希望對大家有所幫助。有任何疑問可以在公眾號或者郵件中和我們聯系。下期預告：“信噪比測量與分析-做成像的你不能不了解的真相5”，我們下期“真相”見~