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天文图像处理全指南(1):太阳系基础技术

(2012年07月23日 22:51:57)

□作者: Karajin

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天文图像处理全指南,是BBC的天文杂志Sky at Night策划的大作,全文分四期刊登于2012年1月~4月刊上。四期的主题分别是:

第一部分:太阳系-基础技术

第二部分:太阳系-进阶技术

第三部分:深空天体-基础技术

第四部分:深空天体-进阶技术

翻译:Karajin   [仅供学习和交流,转载请注明出处:www.karajin.com]

第一部分:太阳系-基础技术

在这部分里你会学到:

>图像建立技术

>使用色阶和曲线

>颜色处理

>增强行星细节

在这套教程的第一部分,我们将学习怎么处理太阳系的天体,包括太阳、月亮和亮行星。我们会看到怎样使用色阶和曲线来调节目标的色调。色阶和曲线的作用差不多,色阶简单一点,通过三个调节滑块就可以了,曲线稍微复杂一点。两种方法对于从暗区提取细节和压低亮区都是很有效的。

我们还会学习怎么处理行星的颜色,有一种简单的技术能够得到正确的滤光片的颜色。最后,我们讨论下增强行星细节的相关技术。不管你目前的水平如何,我肯定你能从本文学到自己感兴趣的东西,并且在你学习天文图像处理的道路上助你一臂之力。

重要的软件:

Photoshop:Photoshop一直是市场上最好的图形编辑软件,但是价格昂贵。如果你买不起,也可以使用精简版的Photoshop Elements,功能也足够用了。对于天朝公民来说,你可以无视这话。

Paintshop Pro:这也是一款强大的图像编辑软件。和PS一样,有速度快、分图层、实时预览等优点。

GIMP:是“GNU图像控制程序”的缩写,也是一款以图层为基础的强大的编辑器。和上面两款不同的是它是免费的,从www.gimp.org上可以下载,支持各种操作系统,还有大量的插件库。

图像建立技术——用灰度图合成彩色图

全彩色的行星照片是由高帧率、单色的相机,通过红、绿、蓝三色滤光片拍摄的照片合成而来的。在得到最终的彩色照片之前,还有一些工作要做。

相机拍摄的是avi格式的视频,这些视频需要用一些叠加软件,比如Registax或者AVIStack来处理一下(Registax的用法将在第二部分详细讲解)。这些软件会从avi视频中选择那些最好的帧,然后把它们叠加起来,最后得到更清晰、更亮、细节更丰富的一张照片。红、绿、蓝三种滤光片各一张,当然这些照片都是黑白的,用这些照片能够创建彩色的照片。

好了,下面的步骤就从这里开始。假设你已经得到了红、绿、蓝三个滤镜拍摄的的叠加好的黑白照片,按照下面的步骤一步步把它们制作成一张彩色的照片。你也可以在YouTube上看教学视频:http://bit.ly/ planetaryphoto。天朝公民可以再次无视这句话。

第一步:打开红色(即红色滤光片拍的,其实是黑白的)图像,修改尺寸为200%,这使对齐时容易些。

第二步:打开绿色(同上,不解释)图像,修改尺寸为200%,全选,复制,粘贴到上一步红色图像的上面的新图层中。蓝色图像也这这样,复制到绿色图层的上面。

第三步:隐藏蓝色图像的图层,轻轻移动绿色的图层,来和下面红色的图像对齐。(看不到下面的图层怎么对齐?原文写的不太对,至少应该改下透明度吧。)显示蓝色图层,移动蓝色图层和绿色图层对齐。

第四步:移动后,四周会有空白,使用裁剪工具将四周的空白剪掉。

第五步:新建一个空白RGB图像,尺寸和上一步裁剪过的一样。将第四步中的红色图层粘贴到空白图像的红色通道里。

第六步:重复上一步,将绿色图层粘贴到绿色通道里,蓝色图层粘贴到蓝色通道里。大功告成。

使用色阶和曲线——调节图像的色调范围

色阶和曲线工具用来调节图像的暗部、高光以及中间调范围的强度。为了达到最好的效果,应该用16-bit图像,而不是8-bit的。这两种工具功能差不多,色阶更简单易学,而曲线则功能更强大。

色阶是一个直方图,表示的每种亮度值的像素的数量。只需通过三个调节滑块来操作,来调节图像的黑、白、灰颜色。黑色的滑块定义了一个阈值,暗于这个阈值的所有像素都视为纯黑色;白色滑块也定义一个阈值,亮于这个阈值的所有像素都视为纯白色。中间的滑块重新定义了黑白之间的中值,改变中间色调,以适应新定义的范围。曲线工具提供了更多的操作,可以通过一条线定义多个调节点。

有时候,色阶的简单易用对于得到完美的图片已经足够用了。但是当你想手动拉高暗部区域,同时又保持其他区域不变的话,曲线的优势就体现出来了。

行星

色阶和曲线可以用来增强行星图像,比如增强对比度、处理暗部、抑制高光等。

理想情况下,色阶直方图应该从坐标的最左侧有一个尖峰,然后是平滑上升,再下降,像个小山一样。如果这个“小山”集中在黑色滑块附近,则图像欠曝,如果太靠近白色滑块,则图像过曝。

左侧的尖峰表示的是行星周围黑色的天空背景。如果这个尖峰不是十分靠近边缘,则使用黑色取色器,点击一下天空背景的区域即可将背景定义成黑色。

移动白色滑块,到直方图开始从右边升起来的地方。注意行星中心区域不要过亮,然后再移动中间滑块调整整体的感觉。

曲线工具提供了更多调节途径,只需注意不要破坏了图像整体的平衡。在曲线上四等分的地方添加调节点(1/4,1/2,3/4处),然后再在1/8和7/8处添加调节点,就能很好的调节暗部和亮部了。

月球

色阶和曲线工具能够提取出细微的暗部细节或者修复过曝区域的信息。

如果你的照片中月球周围有黑色天空背景,则用黑色滴管点击背景区域,来告诉软件将背景定义成黑色。如果没有背景,则把黑色滑块移动到直方图开始上升的地方。环形山中间的阴影,不应该是全黑的,应该是一种深灰色。

直方图展示的是每个亮度值(横坐标)的像素数(纵坐标)。黑色在左白色在右。但是要想通过白色滑块来表现最亮部分的细节,通常不太好使,所以推荐不要动白色滑块。

曲线对于处理阴影和高光区域的细节最拿手了。在曲线上四等分的地方添加调节点,然后再在1/8和7/8处添加调节点,拖动调节点就能将暗部的细节拉出来,也能把过量的区域压下去。调好后,再微调一下其他的点,使整体明暗更平衡。

太阳1:全日面,白色滤镜

白色的太阳不像月球那样明暗丰富,太阳的直方图更加平滑。日面部分亮,边缘暗(但不是黑色),有必要将边缘设置为黑色,这样效果最好。

色阶工具对于调整整个日面的图像很好用。首先用黑色取色器点击日面边缘的天空背景,这样黑色滑块就自动设置好了。白色滑块拖动到直方图的右边即可。然后调节中间滑块,使日面的中心偏亮又不失细节。

曲线工具可以把图像调的更好,但是也更容易破坏日面细腻的明暗平衡。最简单的方法是在曲线上四等分处添加调节点。将曲线拉出一个轻微的S形,注意别把太阳边缘弄的太暗,也别把太阳中心弄的太亮就好。做好之后,微调中间的调节点,调节整体的平衡。

如果调的适当的话,这个轻微的S形曲线能对于增强日面边缘的细节很有效,比如耀斑。并且,太阳表面中间最亮,向四周逐渐变暗,让太阳看起来很有3D效果。

太阳2:太阳边缘,Hα滤镜

和白色滤镜不同,Hα滤镜拍摄的太阳细节非常丰富,即使是远离黑子的地方也是。最难调的地方在边缘,因为这里既有太阳表面的细节,又有突出太阳表面的细节(日珥)。如果你拍的太阳图片接近饱和,也就是只有少量像素达到纯白色,那么就有可能通过调节色阶,把隐藏在背景中的日珥拉出来。

这种照片的色阶,通常有两个尖峰,非常靠近黑色的尖峰是天空背景,但也可能包含日珥的细节。另一个尖峰是日面的细节。

将图像复制一份,分两张分别处理。第一张的色阶,将中间滑块向左拉,这样就会将日珥的细节突出出来。第二张用来调日面,拖动中间滑块到主要尖峰的中间部位,具体位置视效果而定,只要别把边缘的对比度调的太强烈了就好,看上去要自然些。

现在,在这张日面的图像上,选取黑色的背景。然后扩展选区,几个像素即可。再做几个像素的羽化,让边缘过渡。反选选区,复制,粘贴到日珥的那张图像上,调整好位置。这样就得到了一幅既有日面细节又有日珥细节的图了。

颜色处理——行星图像处理最棘手的问题

所有图像处理的步骤中,颜色的处理是争议最大的。你给10个人同样的红绿蓝三色行星图像,让他们合成彩色图像,你肯定会得到10种完全不同的结果。这是因为每个人心目中的行星的颜色都是不同的。我们处理的时候总是倾向于把颜色调向我们主观的印象。我们的大脑很容易认为这种印象中的颜色是对的,哪怕它差的很远。

唯一办法是设置一系列参考,按照这些参考去处理,抛弃大脑中的那种颜色。说着容易做起来难,就算经验丰富的人也难免出错。

太阳和月亮的颜色都很容易处理,因为月亮颜色单一,太阳的颜色大家的主观印象都差不多。这里指的是那些用白光和特定的滤镜拍摄的图像,用传统方法合成的彩色照片,而不是太阳真实的颜色。

然而到了行星这里,情况就不同了,必须小心的调整才能得到正确的颜色。如果有可能的话,应该用彩色照相机,使用自动白平衡,拍摄的结果就是正确的。如果行星太暗淡,就在控制软件里把增益调高。

更精细的图像就要用彩色(红绿蓝)滤光片了,注意拍摄时要用相同的饱和度,否则结果会有色偏。看看你的控制软件里有没有这个功能。

下面就来一步一步做:

第一步:校准显示器

调节行星颜色前,应该检查一下你的显示器是否正确显示颜色。很多网站能够在线校准显示器,或者用显示器自带的软件校准。

第二步:图像建立

用红绿蓝三色图像合成RGB彩色图像。如果结果颗粒感太明显,则使用“去斑”或者轻微的高斯模糊来去掉噪声,模糊别做太狠了,否则细节就没啦。

第三步:曲线

复制RGB图层,把原始的RGB结果作为备份。打开曲线工具,在四等分处添加调节点。用中间调节点调节整体亮度,再微调两边的调节点,调到你喜欢。

第四步:锐化

使用高通滤波技术锐化(下面还会讲到)。高通滤波半径,从最小慢慢往大拉,预览效果最好时停止。如果颜色减淡了,就增强一下颜色的饱和度。

第五步:可选颜色

拼合图层,再复制一份新的图层。对于木星和火星,使用下面将要讲到的可选颜色工具检验一下。选择黄色,微调黑色滑块凸显出隐藏的细节。

第六步:比对

看看你有没有色偏,火星极冠应该是灰白色,木星条纹是灰-橙色,而赤道带则更偏白色。土星环是灰色,赤道区域是暗稻草黄色。

颜色调整工具:

色彩平衡

色彩平衡用来调节图像的高光、阴影和中间调。当有色偏时,比如太黄或者太红,调节色彩平衡就能消除色偏。

色调,饱和度和亮度

色调,饱和度,亮度调节工具可以将图像调节到特定的颜色。色调调节的时不同的颜色范围,饱和度调节颜色的纯度,亮度调节颜色的明暗(具体定义和举例可以参考我翻译的6色合成真彩色——天文照片的多色合成技术)。

可选颜色(图像/调整/可选颜色)

它改变的是基本颜色范围中,颜色的量的多少。最初为打印图像校准颜色用,对提取行星图像的细节也有用。选择红色或者黄色,调节黑色滑块,在处理火星和木星时经常用到。

替换颜色(图像/调整/替换颜色)

它可以点选一种特定的需要调节的颜色,然后调节颜色的色调、饱和度和亮度。这种方法适用于减少不想要的颜色的影响。

增强行星细节——六种方法成就完美行星照片

高通滤波

高通滤波可以调节图像的锐度。这个词是由High pass filter翻译过来的,相信任何有工科背景的人都会这么翻译吧,但是我找了半天才发现我的Photoshop里把它翻译成“高反差保留”,在菜单滤镜/其它里,找的时候注意。首先要复制图像所在的图层,把上面的图层的混合模式设为“叠加”。选择菜单滤镜/其它/高反差保留,滤镜的大小由一个半径定义,在PS里可以预览实时调整的结果。

通过改变半径的值能够很好地控制锐化的程度。通常从小值开始增大,直到满意为止。由于锐化的图层在上面,改变图层的不透明度,也能控制锐化的效果。

叠加反相和模糊

叠加的图层混合模式配合反相和模糊操作可以增强图像的动态范围。这种方法对提取月球模糊的暗部细节和月海的灰色阴影最为有效。

首先也是复制图层,在上面的图层上选择菜单图像/调整/反相,把不透明度设置为50%,再做一次高斯模糊。模糊的程度视效果自己调节。完成之后,图像看上去可能有点平,微调一下对比度,降低一点亮度即可恢复图像原来的整体视觉效果,但细节出来了。

可选颜色

可选颜色(图像/调整/可选颜色)工具起源于打印领域。在天文摄影领域,它可以用来处理一种特定的颜色而不改变其它的色彩平衡。

举个例子,木星赤道附近的两条带可能包含了红黄色的细节,不易被察觉。在可选颜色工具中选择黄色再调节下面的颜色滑块就能增强颜色,显现出隐藏的细节来,注意调节量不要太大。

USM锐化

USM锐化(滤镜/锐化/USM锐化)是一种常用的锐化工具。它有3个调节变量,“数量”调节对比度的强度,“半径”调节锐化的大小。这两个参数互相配合,减小一个,增大另一个,得到的效果差不多。
第三个参数叫做“阈值”,定义的是相邻像素必须达到的最低差值。通常为0,在图像中有大片细微噪声的情况比较有用。把阈值稍稍设大一点,就可以在这些区域不进行USM锐化。
使用USM锐化容易上瘾,因为图像增强的太明显了,但是适可而止哦,给个较好的组合,三个参数组合为:50,0.5和0。

阴影-高光

图像/调整/阴影-高光,最擅长处理暗部和高光,但又不影响图像的整体效果。它的调整机制和前面提到的叠加反相模糊技术差不多,并且它能提取出其它隐藏的灰度细节。

阴影-高光工具处理月球照片中隐藏的细节和太阳边缘隐藏于黑色背景中的细节非常管用。对于处理坏的行星边缘不清晰的情况也能给弥补回来。

Photoshop中提供两种模式,基础和高级(通过勾选“显示更多选项”)。基础模式只提供两个调节变量:一个阴影,一个高光。高级模式有更多选项:数量、色调宽度和半径。

明度(或亮度、光度,原文Luminosity)

图像的明度定义的是图像的空间细节。明度和颜色结合,结果就是一副既有细节又有颜色的图像。把经过锐化的图像粘贴到原先的RGB图像上面的图层中,将这个图层尽量锐化,图层混合模式设置为“明度”,看看效果是不是大不一样了。通常用R波段图像当作明度图像,合成所谓的R-RGB图像。R-表示红色被用来当作明度增强图层。更长的波段和红外图像常常看起来更锐,且有高反差,所以才用来当作明度图像。

明度图层可以改变颜色平衡,因此这样合成的图片用于科学用途时一定要加以说明。在非常理想的视宁度条件下,G波段的明度图像也是可以用的。



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文章作者:Karajin
责任编辑:skylook

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