CCD 天体摄影 ABC

这幅光彩夺目的彩色图像是猎户座的星云IC 434，它是当今数码相机天体摄影的一个例作。本文作者Warren Keller指出了获得天体摄影佳作所必须学习的基本处理步骤。

远左图：大多数ccd图像都必须减除暗场。暗场记录的是曝光期间累计的热电荷。记录暗场时的温度和曝光时间必须尽量与将要用它校正的亮场相同。左图：用于消除原始图像中的尘埃像和虚光像（视场内的不均匀照明）的平场图像。对一个理想地均匀照明的空旷目标区进行拍摄，即可得到平场图像。

有没有人告诉过你要步步小心？有没有人告诉过你要反复检查？要使CCD深空摄影艺术化和科学化，注重细节是最重要的。然而，如果此时你正打算开始拍摄自己的深空照片，我可以给你带来好消息。其实你可以忘掉英语字母表里的其它25个字母，只须留意一个，那就是S，以及它在本文里的各种含义（本文中的小标题都是以字母S开头的：Signal、Subtract、Stacking、Stretching、Saturate——译者注）。

将多幅子图像叠加到一起，可以减少图像上的颗粒，同时增强暗弱目标的信号。左边的三幅对比图像就是一个例子，它们是一次曝光图像（上）、三张图像的叠加结果（中）和更为平滑的九张图像的叠加结果（下）。

信号（Signal）

内容丰富的天体摄影术其实就是获取信号，而且要处理海量的信号。今天，漂亮的天体图像都是通过拍摄许多短曝光的单张图像（称为子帧），并将它们组合成主图像文件而制成的。来自一个天体目标的微弱信号可以通过这种方式在CCD上累加，同时也在降低与数码摄影有关的随机电子噪声。

获得高质量的信号并不容易，不过一旦你掌握了清晰聚焦的拍摄技术，可以拍出漂亮的、完美的恒星，就表明你已具备条件，可以做到获取优质的信号了。无论你用的是一次成像彩色CCD相机（OSC）、数码单反相机（DSLR），还是单色CCD相机另加独立的滤光片，你都需要作图像改正，然后将它们进行叠加。叠加是指将多次曝光的图像进行数字合成。

减除（Subtract）

除了对天体目标进行多次“有光的”曝光（亮场，light frame）以外，还要作附加曝光，以便在叠加前对亮场进行适当的校正。这些附加曝光包括暗场（dark frame）、偏置场（bias frame，或偏压场）以及平场图像（flat-field image）。让我们看看这些附加曝光是怎样做的，它们又是如何使最终的图像效果更佳的。

大多数太阳系外的天体目标都是极其暗弱的，所以往往需要很多分钟的曝光时间，才能累积到足以检测出其最暗部分的信号。但是在长时间曝光期间，数码相机有热噪声产生，表现为整幅图像上出现雪花。幸运的是，这种不希望有的噪声是可预测的，减去通常称谓的暗场就可使其降到最低。

暗场的拍摄需要盖上相机镜头或望远镜的物镜，因此探测器接收不到光，记录的只是相机的热信号。为了达到良好的效果，暗场需要在与被校正的亮场尽量相同的条件下拍摄，包括曝光时间、探测器温度、像素储存模式。拍摄多幅暗场，然后叠加成一幅主暗场，每幅亮场图像都要减去主暗场，就可以消除大部分热信号造成的雪花。

对于低噪音的芯片，譬如索尼Super HAD CCD探测器，暗场改正被证明是多余的，反而可能增加噪声。这时一般不用暗场校正法，而采用传感器热像素缺陷图（defect map of the sensor’s hot pixels）来处理这类探测器得到的图像。热像素是指图像上的亮斑。每个传感器都有热像素，在图像叠加时这些热像素特别容易造成问题。有些图像处理软件可以根据传感器缺陷图，用周围像素的平均值进行内插来消除坏像素。在这种情况下，其结果优于暗场校正，因为暗场法仅仅减去热像素，而留下一个黑像素。

用平场帧进行图像校正可能非常棘手，所以平场校正往往是一名新手最后才掌握的技术。正如暗场和偏置场反映了相机电子系统中的缺陷，平场反映了光学系统的异常。在某些情况下，可以不作平场，但是当亮场上可明显看出照度不均匀或有灰尘颗粒时，最好用平场将它们消除掉。

平场是将望远镜对准一块亮度均匀的空旷区域进行曝光。曝光的时间需使像素的平均亮度达到相机的指定饱和度（此值很容易用软件读出）的1/3到1/2。灯箱和具有亮度调节功能的电致发光板是日益流行的平场曝光设备。与亮场一样，你应该拍摄多张平场图像，再用相同温度和曝光时间的多幅暗场对平场图像进行校正。

右侧的峡谷照片是一张典型的日光图像，检查此类图像的直方图（下图），可看出从代表最暗的图表左端到代表最亮的右端，亮度水平的分布范围很宽。右下是一张校正过的深空图像的直方图，它表现为一个尖峰，代表的是右上图中的星系NGC 4565。要将这个尖峰向两侧展宽，使该星系的亮度和暗度水平更为理想地分布。

叠加（Stacking）

在亮场图像校正完成后，就可以进行叠加。如果你是用OSC相机拍摄的，那你应该在叠加之前先对单张子图像进行色彩转换（debayer），将灰度图转化成彩色图。然后将各张子图像对齐，因为各张图像之间会有微小的移动，这是不可避免的，所以要使同一个小细节落在各帧图像的不同像素上。除了简单的平移，有时也包括图像的旋转。大多数天文图像处理程序都有一些使图像对齐的方法，可在亚像素级的精度上使各帧图像上的恒星图案匹配一致。一旦各帧图像对齐，即可准备将其叠加成一幅主图像。

软件通常会提供几种叠加子帧的方法，最常见的是求和法、平均值法、中位数法和Σ舍弃法。图像上出现某些随机信号（如宇宙射线痕迹或卫星、飞机的轨迹）是不可避免的，所以我的首选不是求和法和平均值法，因为它们在叠加结果中还保留着这些痕迹，虽然这两种方法得到的信号最强。为了消除这些异常，应该使用统计舍弃法。中位数合成法能将大部分这类痕迹消除掉，但会使结果出现颗粒状。大多数摄影者都选择Σ舍弃叠加法，它实质上是平均法及中位数法之间一种极好的折衷方法。Σ舍弃叠加法会检查一个给定像素的亮度值是否在大多数子图像中较为近似，然后将超出大多数图像标准差的所有像素值舍弃掉。

如果使用的是一次成像彩色相机，这时用于后期处理的叠加图像就已经准备好了。如果图像是用单色相机加单独的滤光片拍摄的，还需多作几项处理。单独的红色主图像文件、绿色主图像文件和蓝色主图像文件（以及未滤色的白光亮度图像）都必须分别对齐和叠加。将这些叠加的滤色图像对齐并合成，生成主红－绿－蓝三色图像（RGB图像），即所谓“色度图”，这样你就制成了一幅彩色图像。虽然美丽的颜色是色度图提供的，但是有些最明锐的细节是亮度图像（不用滤光片所拍摄）提供的。CCD相机自带的图像处理软件可合成亮度图和色度图，但是最好是将这一步骤留给其它的后期处理软件，如Adobe Photoshop，它能更好地控制这两个成份。

上左图：Photoshop的“曲线工具”（Curves）可提升图像亮度范围适中部分的亮度，同时避免导致最亮的部分（通常是恒星）变成白斑。上右图：展宽彩色图像时，必须监视所有三个颜色通道的直方图，以保持图像的色彩平衡。对此有一条很好的经验：近似均等地展宽红色、绿色和蓝色通道，就可以避免偏色。对页图是侧向星系NGC 4565，上图中的“曲线工具”帮助展现出了它蓝色的外层旋臂。

展宽（Stretching）

子帧叠加后生成的图像需要展宽（拉伸）。与在明亮的日光下拍摄不同，绝大多数天体都十分暗弱，即使曝光数小时，合成后的图像大部区域也是黑色的，上面散布着少量昏暗的星星。我们需要展宽图像，让目标显现出来。

那么，什么是展宽呢？为了解释这一点，我们首先需要看一看直方图（柱状图）。直方图显示的是一张图像上的最暗点与最亮点之间的亮度范围。每个优秀的图像处理程序都有某种直方图显示功能。看一张典型的日光照片的直方图，可看到光强度的分布很宽，几乎铺满整个直方图。但是，当我们检查一幅典型的未经处理的深空图像的直方图时，常发现它是一张扁平的图表，上面有一个细瘦的尖峰。宝贵的数据中大量信息都包含在这个尖峰中，尖峰右侧的所有信息对应于一颗恒星。我们的任务就是将这些像素重新分布或者说展宽到更大范围里，以获得更像地景照片的更大动态范围。这就是天体摄影艺术的精髓所在。

观测目标通常隐匿在亮度范围的适中部分，利用CCD图像处理软件中的展宽工具，如“数字展宽工具”（Digital Development）或“曲线工具”（Curves），可在大幅度提高适中区域的亮度同时，保持天空背景为黑色并防止恒星过亮。本页的图像展示了Adobe Photoshop曲线工具的一次典型应用。该图的左侧表示阴影部分，右侧表示高亮度部分，中间是适中部分。巧妙地应用曲线工具，可使你最初得到的所有细节和色彩都保留下来。将直方图展宽到合适水平，你还可以锐化图像并进一步增强局部对比度。

展宽通常会将天文图像中需要处理的最后一种失真——梯度——暴露出来。梯度通常是光污染造成的，表现为整个图像向一侧线性变亮。大多数图像处理程序都有降低梯度的工具。

饱和度（Saturate）

最终，是图像中丰富的色彩使我们的大脑产生惊艳的感觉！在天体摄影中，通过提高色彩饱和度可将艺术创意升华到激发审美感的程度。不幸的是，它不像在软件里把滑块向“增大”方向拖拽那么容易。高水平的摄影师会把大量的时间花在追求良好的色彩平衡上。当你将红、绿、蓝图像合成为色度图的时候，必须小心在意的是，要均等地展宽这些单色图像，并仔细地监视三个颜色通道相互之间的关联。Photoshop的“色阶和色彩平衡工具”（Levels and Color Balance）等线性调节工具可以很好地进行精细调整，而专门的天文图像程序，如PixInsight的“颜色校正工具”（Color Calibration）更是功能完善。

事实上，我们才刚刚入门。要制作出令人叹为观止的天空图像，还有更多的东西需要学习。但从这些最基本的“S”入手，这将是掌握CCD天体摄影的良好开端。