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浅谈业余天文观测中的行星摄影

作者:锋芒|分类:天文资料|标签:行星 摄影 观测 天文 AutoStakkert SharpCap

     业余天文观测中,行星摄影是比较常用的一种行星观测方法。在当下的网络平台,经常能够看到业余天文爱好者发布的行星摄影作品。国外甚至有行星观测爱好者组织定期发布业余天文爱好者拍摄的行星影像(例如日本的“月惑星研究会”)。这些行星影像不仅仅作为科普摄影作品,同时也为专业的行星天文研究服务。

     不过对于普罗大众来说,这些影像到底是如何获得的,似乎总有一种莫名的神秘感。即便是天文观测的初学者也存在着不少误解。所以,今天就来聊一聊这些精美的行星影像到底是怎么来的。

    拍照自然离不开相机,这个谁都知道。给行星拍照,当然也是要用相机的。不过给行星拍照的相机与我们日常使用的单反相机、微单相机和智能手机上的相机完全不同。经常在天文科普现场看到有人拿着单反相机或者手机对准天文望远镜给行星拍照。不过无论怎么操作,你都会发现这样拍出来的照片始终不能同网上看到的行星照片相比。这其中有两个原因:一是相机不行;二是方法不对。

     拍摄行星的相机是什么样的相机呢?这要从行星摄影的一步步发展说起。早期行星摄影还真就是我们所想想的那种把胶片相机安装在望远镜上,然后按动快门来拍摄。图一是1906年使用叶凯士天文台102厘米口径折射天文望远镜拍摄的一张木星影像。这张木星影像在当时已经是非常的震撼了,但同现今业余天文爱好者使用更小型天文望远镜拍摄的木星影像相比,那真是差太远了。

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图一、102厘米折射望远镜拍摄的木星,图片来自网络

    随着天文摄影数字时代的到来。望远镜上安装的相机也被更换成数字相机。不过即便如此,如果还是按照胶片相机拍摄的方法来拍摄行星影像的话,效果依旧不佳。尤其是业余天文爱好者使用的小型天文望远镜,效果就更差了。图二是美能达F100数字相机安装在3英寸口径天文望远镜上拍摄的木星影像。 

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图二、美能达F100数字相机拍摄的木星

    那么到底怎样才能拍摄到更加清晰的行星影像呢?天文爱好者们发现,使用一种网络摄像头(Web Camera)可以拍摄行星视频,然后再使用一些特殊的工具软件将拍摄的视频文件拆分成大量的单帧照片。并对这些大量的照片进行筛选,找出品质较好的图片进行一种叫做“叠加”的操作。通俗点说就是把很多的照片通过取平均值的方法合成起来。结果可以获得细节丰富且信噪比高的行星影像。较早被拿来进行行星摄影的是飞利浦推出的一款型号为ToUcam 740k的摄像头(图三)。在我印象中,较早将这一观测方法推荐到国内的是香港的资深天文爱好者刘佳能先生。

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图三、Philips ToUcam 740k网络摄像头

    当年飞利浦推出的这款ToUcam740k摄像头在国内市场还比较罕见,价格相对也比较贵(千元左右)。于是国内的天文爱好者经过多方比较,在国产网络摄像头中选择了两款价格不贵的产品——罗技(Logitech)快看高手版PRO3000/4000摄像头。据说这两款摄像头用于行星拍摄的效果最为接近飞利浦ToUcam740k。随后的几年,飞利浦又相继推出了ToUcam840k和SPC900nc摄像头,这两款摄像头都非常适合用于行星摄影。价格也非常亲民,几百元就可以买到。我曾经在淘宝网以260元人民币的价格购买过一只全新的ToUcam840k摄像头用于行星摄影。

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图四、Philips两款适合行星摄影的网络摄像头

    那么问题来了。这样一只小小的摄像头,再搭配这么小的镜头,它是怎样拍摄到清晰的行星影像的呢?其实,在用于行星摄影时,摄像头上的小镜头是要拆除的(可以方便地拧下来)。然后通过一个小小的接环,将它安装在天文望远镜用于安装目镜的位置上。也可以简单的认为它就相当于一只目镜(因此也有人称其为“电子目镜”)。然后连接计算机,再配合相应的拍摄工具就可以拍摄行星的视频影像了。

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图五、数字相机与网络摄像头效果比较

     图五是在使用相同的3英寸口径天文望远镜条件下,搭配数字相机和网络摄像头拍摄木星与土星影像的比较。显然摄像头的效果要优于数字相机。另一方面,摄像头价格低廉。这在一定程度上降低了行星摄影的门槛。使得更多的天文爱好者开始尝试行星的摄影观测。

     好了,上面说的这些还都是十多年前的事情。随着数字影像技术的发展以及业余天文观测需求的提升。天文爱好者们更加盼望能够获得专门用于行星拍摄的相机,那些用于行星摄影的网络摄像头充其量也只能算是客串一下,还不是真正意义上的行星相机。当然,也有天文爱好者选择工业监控相机来做行星摄影,例如德国映美精(The Imaging Source)的DMK21/41系列工业监控相机(图六)。虽然效果要优于网络摄像头,但其价格也相当昂贵。这些工业相机也还不是真正意义上的行星相机。

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图六、映美精工业监控相机

     当年这些用来客串行星相机的网络摄像头和工业监控相机。普遍存在的问题是有效像元少(绝大多数仅有30万像素)、传感器灵敏度不高、噪声大、价格昂贵(工业相机)。远远无法满足天文爱好者对行星摄影观测的需要。

      国内较早出现的行星相机包括QHY5和ASI034M。作为第一代真正意义上的行星相机,它们的性能要优于网络摄像头,与工业相机比较还有一定的差距。但在价格上优势明显。不过遗憾的是,作为第一代行星相机,它们在应用软件上的支持相对较弱。实际应用中问题不断也是被众多天文爱好者所诟病的地方。但无论如何,这些真正意义上的行星相机开创了先河。

    在此之后,新型的行星相机就像井喷一样涌现出来。被业余天文爱好者使用较多的型号包括QHY5II-L系列和ASI120M系列行星相机(图七)。这两款相机都采用了高灵敏度、低噪声的百万像素CMOS数字影像传感器。可以高速采集和输出1280x960分辨率的高清无损视频影像。性能完全赶超工业相机,而价格却非常亲民。即便是今天,这两个系列的行星相机依旧是众多行星摄影爱好者入门的首选器材。这些行星相机在设计上更加便于使用。例如各种接环已成为相机的标准配置,用户可以方便地连接镜头或将相机安装在天文望远镜上。同时它们也能够更好的支持各种应用工具软件,适用于不同的工作场景(例如行星摄影、自动导星、流星监测等等)。为了不断满足业余天文爱好者对行星相机多元化的需求,更多型号的行星相机被推向市场,如174、178、185、224、290、462等型号的行星相机。它们具有不同的幅面(传感器大小)、不同的像元尺寸、不同的灵敏度和不同的频率响应特性。同时还有彩色型号与单色型号可供选择。

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图七、QHY5III-L和ASI120M行星相机

      通过以上的介绍,基本上应该知道什么是行星相机了。那么这些行星相机是如何工作的呢?

      前面提到过,行星相机的使用必须搭配计算机和相应的拍摄工具软件。这与我们常见的相机是不一样的。简单来说就是行星相机不能像普通相机那样按下快门即可获得图像。它使用起来要比普通相机复杂不少。例如常用的拍摄工具软件SharpCap(图八)。这个软件的基本拍摄功能是可以免费使用的(高级功能需要付费)。对于一般的行星摄影爱好者来说基本够用了。

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图八、行星拍摄工具SharpCap

    行星相机也有很多参数需要设定。使用过单反相机或者经常摄影的朋友都知道,我们日常使用的相机也需要设置很多参数。当然,普通相机也会提供一些自动设定参数的选项,如自动曝光模式或者程序曝光模式。这个功能行星相机真没有。不过可以找到一些与普通相机设定参数对应的地方,这便于我么理解行星相机上这些参数的含义。例如普通相机的快门速度对应于行星相机的曝光时间;普通相机的ISO对应于行星相机的增益(GAIN);普通相机的白平衡对于行星相机的彩色平衡(R/G/B增益调整)等等。当然,行星相机还有更多的设定是普通相机没有的。所以学会使用这些拍摄工具软件是行星摄影入门必须的。

      有了相机,又有了拍摄的工具软件。把行星相机安装在望远镜上就可以拍摄了。至于怎样把望远镜指向拍摄目标这种工作,这里就不多说了。学会使用天文望远镜是天文观测的基础。

     前面提到了,与日常摄影最大的不同就是在使用行星相机拍摄行星时并非只拍摄一张照片,而是要拍摄一段视频。视频是由很多很多张照片连续起来播放形成的,因此它也可以拆分成很多很多张单帧的照片。例如拍摄的视频是每秒钟25帧,也就是说这一秒钟的视频是由25帧单张照片构成的。以此类推,拍摄一分钟的视频就可以得到1500帧单张照片;拍摄十分钟,就可以得到15000帧单张照片。在这么多的照片中可以筛选出质量较好的来“叠加”,这样就可以获得精彩的行星影像了。

     当然,在实际操作中还会遇到很多问题。例如怎样才能准确地对焦,就是一个十分令人头痛的问题。尤其是在视频预览时,由于实时图像的信噪比不高,大量的噪点使得我们无法看清楚行星表面的细节,以至于不能够准确对焦(图九)。虽然可以借助工具软件提供的对焦辅助工具,但依靠行星的实时图像来对焦依旧不可靠。因此在实际操作时往往会将望远镜暂时指向目标附近的一颗恒星。因为恒星是点光源,对焦时只需要将恒星的实时影像调整到最细小、最锐利就可以了。这样就比较容易判断焦点是否准确。然后再将望远镜移回拍摄的目标。注意,这个过程中行星相机是不可以拆下来的,否则焦点就会发生变化。但不拆相机下来并换上目镜又如何能将望远镜移回目标呢?这里就需要依靠寻星镜了。所以在观测之前一定要精确地校准寻星镜,否则就会影响到之后的观测。

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图九、预览行星的实时视频图像,不易准确对焦

     好了,前面一切都顺利完成了。我们获得了一组行星的视频影像。接下来需要将它转换成一张行星的照片。能够完成这项工作的工具很多,例如AutoStakkert和RegiStax,它们都是可以免费使用的。这里比较推荐AutoStakkert,因为它用起来比较傻瓜。把视频丢进软件里,并做适当的设置。软件就会把视频拆分、筛选并叠加合成。然后输出一张行星的照片。

      说明一点,叠加这一步是非常重要的。如果大家在电视上看过行星冲日的视频直播。你会发现直播的视频图像并不算清晰,甚至不能看到行星表面的细节。是的,如果直播使用的天文望远镜口径不够大,那么看到的实时直播图像就是这么平淡无奇。但经过叠加处理后的图片就会变得细节丰富。150mm口径天文望远镜使用现在主流的行星摄影方式拍摄的木星照片,远比当年1.02米口径叶凯士望远镜使用胶片相机拍摄的木星细节要丰富得多。

     不过值得注意的是,由于受到大气扰动的影响,这样叠加出来的照片往往并不清晰,甚至会比较模糊。因此还需要对这样的照片进行适当的锐化处理。常用的锐化工具是RegiStax(它既能完成叠加,也能进行图像的锐化。如图十),还有Astra Image 这样的锐化工具。

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图十、锐化前(上)后(下)图像的变化

      这里要说明的是,千万不要以为随随便便拍一张模糊的照片,经过锐化就能出现丰富的细节。所有的细节一定是拍摄到的,没有拍摄到的细节,再怎样锐化处理也不会出来。这样的反面例子比比皆是(图十一)。

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图十一、锐化不是万能的,根本还是要拍摄到细节才行

     这里做了一个简图,可以看到从拍摄开始行星图像的一系列变化(图十二):

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图十二、行星影像处理前后的变化

      当然,如果你拿上面这张图片中间的那个木星去做锐化,也绝无可能得到最右侧的细节丰富的影像。因为这里看到的是一张经过高度压缩的JPG格式图像。而正常情况下叠加完成后的是无损的TIFF格式图像。也就是说在对图像的压缩过程中,那些看不到的细节已经被彻底忽略掉了。这也可以换个角度来理解,那就是没有压缩的无损图像中包含有我们察觉不到的细节。

     至此,我们已经看到了从拍摄到最后完成行星图像的整个过程。这里省略了与天文望远镜有关的内容,因为这些内容在很诸多如何选择天文望远镜的文章中都有介绍。此处只引用一个结论,那就是望远镜通光口径的大小,决定了能够拍摄到行星细节的多少。口径越大细节就越多(图十三)。

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图十三、不同口径望远镜拍摄的行星细节

     最后,还有一个不可忽略的问题,那就是天气。仅仅是晴朗的夜晚,并一定适合行星摄影。还有非常重要的考量因素——视宁度。通俗来说,视宁度就是指大气的宁静程度。因为大气也是一种介质,光线穿过大气层也会发生折射。当观测点上空的大气变得极不稳定时,穿过大气的星光就会发生无规则的偏折。结果会导致行星的影像出现异动的扭曲,甚至无法准确对焦。拍摄到的行星图像就会变得模糊不清。上面那幅锐化也不能变得更加清晰的图片就是在视宁度较差的时候拍摄的。

     好了,通过以上文字。我们大体知道了一张精彩的行星照片是怎样拍摄出来的。可见从行星的目视观测到摄影观测,其实并不需要多花费多少金钱。行星摄影的硬件门槛并不高(相较于深空天体摄影)。但是对拍摄的技巧后期处理技术有一定的要求,并且这要求还不低。






24 12月

2020-12-24 10:48:58

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