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天文图像处理全指南(4):深空天体进阶技术

(2012年07月24日 00:06:58)
来源:Karajin 星空下

□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]

第四部分:深空天体-进阶技术

在这部分里你会学到:

>多层亮度图层

>图像校正

>恒星处理技术

>窄带摄影

在最后一部分中我们介绍一些处理深空天体照片的高级技术。首先介绍一种称为多层亮度图层的技术,可以处理多种颜色和提取细节。

拍摄深空天体的设备有很多优点不提,但主要的问题之一就是噪声。所以我们会讨论图像校正技术。这个名词是一些列操作的总称,可以降低光学上的各种缺陷和数字噪声的影响。校正技术是深空图像处理中较复杂的部分,但我们将教你怎样简单又高效地掌握。然后我们再介绍一下恒星的处理技术,恒星的处理是检验你的光学质量、赤道仪甚至处理技术的良好标杆。如果有哪一项不好,你的图像中星的形状也就不好。幸运的是有一些方法能够修复较差的恒星形状,我们会介绍集中最常用的方法。最后,我们再看看窄带摄影,这是一种惊艳的、高级的、颠覆深空天体印象的技术。

不管你对深空天体摄影的兴趣如何,我们希望你能从其中学到感兴趣的东西并改进你的图像处理技术。

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。

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。

DeepSkyStacker:如果你对图像校正技术一头雾水,就用这个软件吧。免费版的软件就足够用了。

多层亮度图层

一幅图像可以分解为颜色信息和亮度信息。亮度是提供细节信息的至关重要一层。如果你是用的单色相机和滤光片拍摄,颜色信息通常由R、G、B三色滤镜得到,再加上一个L亮度滤镜拍摄的结果,合成所谓的LRGB图像。

RGB三色图像通过粘贴到一个空白RGB图像的相应颜色的通道里来实现合成。L图像添加到一个独立的图层中,并把图层混合模式设为“明度”。L滤镜看上去就是透明的,它容许所有可见光通过,滤除掉红外和紫外光。

这种处理方法的一个问题是,和亮度信息的锐利相比,颜色的细节信息都没有了,尤其是在颜色层和亮度层曝光不匹配的情况下。这种情况下可以用这种方法改进,即用一个LRGB图像在建立一个高质量的RGB图层。具体方法可以增强它的饱和度,但这样会引入更多的噪声。

图像专家Rob Gendler突出了一种更高级的办法,是先建立一个不完全的LRGB图像,其中L图层的不透明度是50%。合并图层后保存,用这张图替代普通的RGB颜色基础,在其上面在放一层L图层,L层的混合模式设为“明度”即可。这可以看作是LLRGB图像。

这种使用两次亮度图层的技术比普通的LRGB图像有更好颜色的饱和度和颜色的细节。当然,你没有必要就此停手,你可以再加入一个50%的亮度层,如下图所示,做一个LLLRGB图像。饱和度会被进一度增强,最终形成颜色丰富且细节对比强烈的深空图像。

图像校正

数码摄影的致命缺点就是噪声。噪声有好几个来源,本质上噪声就是不该出现在那里的“东西”。大多数噪声来自于CCD芯片本身的特性,也有一些来自于别的地方,比如说光学系统。

降低噪声的影响可以通过拍摄如下一些校正图像,然后和亮帧做一些数字处理来实现。DeepSkyStacker之类的软件可以自动做这些事情。“亮帧”指的就是普通的目标图像,这么叫是为了和其他各种校正帧区别,比如“暗帧”。

暗帧(或暗场、暗流,上图)——去除静态噪声

静态噪声,或“可预测”噪声,出现在固定的地方。可以通过拍摄暗帧,用亮帧减去暗帧去除。静态噪声和温度还有曝光时间有关。因此暗帧要在拍摄亮帧的空档时间拍摄,以保证温度大致相同。拍摄时,盖上镜头盖,使用和亮帧相同的曝光时间和ISO。暗帧中也包括随机噪声(见下面“叠加”),所以应该多拍摄几张暗帧叠加成一张。

叠加(上图)——去除随机噪声

随机噪声,或“不可预测”噪声,是热产生的背景噪声。在展开色阶获得图像细节时,也会产生随机噪声。解决办法是拍摄多张亮帧,曝光时间和ISO要相同,然后叠加。拍摄的数量也多,去除噪声的效果越好,可以认为噪声降低了“叠加张数的平方根”倍。因此叠加4张就能使噪声减半,9张降低三倍。

平场(上图)——去除光学缺陷

光学缺陷包括灰尘的影响和渐晕引起的四周变暗的效果。拍摄平常可以解决问题。拍摄方法是,保持焦距和安装的角度不变,指向一个均匀的光源拍摄(如日出前西方的天空或均匀照亮的白墙等)。曝光量可以参考直方图,使直方图的“主峰”位于50-75%的位置,ISO设到最低。拍摄多张平场叠加,合成一张平场。

其它(上图)——去除热点和其它

其它校正帧包括偏置(或本底),如上图,还包括平场暗帧。拍摄偏置时要盖上镜头盖,曝光时间设为最短。偏置校正的是零曝光时间下,像素的初始值。平场暗帧在平场拍摄完之后拍,保持和平场的曝光时间和ISO相同,镜头盖也要盖上。它们修正的是平场的静态噪声。

第一步:在DeepSkyStacker中点击“Open picture files”载入亮帧,点击下方的各行载入各种校正帧。

第二步:你可以把不同晚上拍摄的图像载入到不同的group中,偏置帧应该载入到Main group。

第三步:预览一下每一张亮帧,如果需要的话可以用右上角的亮度调节工具,这不影响叠加过程。

第四步:你可以单独勾选你需要叠加的图像。如果需要叠加所有,可以点击“Check all”选项。点击“Register checked pictures”(登记勾选的照片),然后勾选“Automatic detection of hot pixels”(自动检测热像素)和“Stack after registering”(登记完叠加),点OK。会出现一个选项窗口。

第五步:点“stacking mode”(叠加模式),选择“Standard”(标准),然后点“Alignment method”(对齐方法),选择“Automatic”(自动)。最后点OK。等待吧。结束后,会显示出一张最终的图像。这张图像还要在Photoshop里进一步处理。点击“Save picture to file”保存结果。

第六步:要处理不同时段的照片,可以通过“Save the file list”将文件列表存下来。完成后点击“Batch stacking”载入你的列表,就可以自动批处理了。

恒星处理技术——四种修复星像的方法

恒星是很脆弱的,赤道仪的不稳定、跟踪误差和光学系统的质量都会导致星像变形。有几种方法可以修复星像。

一种最简单的方法能够修复轻微变长的星像。复制图层,混合模式设为“变暗”,将上面的图层向星像变长的方向轻轻移动,星像就能再次恢复圆形。这种方法容易引入噪声。

上图:修复星像轻微拖长

另一种更精确的方法需要用到IRIS,从www.astrosurf.com/bui/us/iris/iris.thm可以下载,IRIS功能强大,使用方法也需要一些技巧,好在有很多教程可以参考,有一篇www.astrosurf.com/buil/iris/tutorial12/doc30_us.htm介绍了如何使用Richardson-Lucy反卷积恢复星像的方法。

这种方法可以修复严重畸形的星像,适合由风吹或者跟踪不好导致的星像变形。使用时需要在一颗没有饱和的星像周围画一个矩形,然后在IRIS命令窗口输入“RL 15 0”回车,意思是执行Richardson-Lucy反卷积15次。最后输入“Gauss2  .7”回车,能够去除上步操作带来的噪声。

上图:R-L反卷积法修复星像

第三种方法是使用Photoshop或者GIMP修复模糊的星像,复制图层,在上层做一次高通滤波(Photoshop中在滤镜–其它–高反差保留),这时图像变成了灰色背景上的锐化了的星像。将图层模式设为“叠加”即可。

上图:高通滤波锐化星像

最后一种方法是为了分开重叠在一起的两颗星像。在Photoshop中打开图像,创建一个曲线调整图层(图层–新建调整图层–曲线),在蒙板上右键选择“删除图层蒙板”。

选择图像层,用魔棒工具(取消“连续”复选框,容差设为60)选取较亮的那颗星。做4个像素的羽化。然后选择曲线调整图层,将选区设为图层蒙版(图层–图层蒙版–隐藏选区)。此时,曲线调整图层控制的是除了这个星像之外的区域。选择图像层,载入选区(选择–载入选区),然后反选(选择–反向)。创建一个新的曲线调整图层,命名为Stars,选区会自动被认为是个图层蒙版。调整曲线,就会改变星像,向上调会变大变柔,向下调会变小变锐。

上图:调整图层技术修复星像


增强恒星颜色——挽救过曝恒星的颜色

上图:左,M35原图;右,增强颜色后的M35

仔细看照片中的亮星,很有可能是白色的,因为长时间曝光下,亮星饱和了。要想拍到星的颜色,唯一的方法是缩短曝光量,然而这样的话暗星又拍不到了。

幸运的是,即使星过曝了,在星的边缘,仍然有一圈带颜色的像素,保留了星的颜色。按照下面的步骤做,你就能还原夜空的本色,你能把恒星本来的颜色还原,创造出微妙而又真实的结果。

第一步:打开照片,放大仔细看星周围带颜色的环,这就是我们要重造的颜色。

第二步:用魔棒工具(设置不连续,容差60)点选星的中间部位。

第三步:将选区扩展几个像素,包含整个星像,包括带颜色的环。

第四步:将选区羽化几个像素,复制选中的星像,粘贴到一个新图层。

第五步:将新图层饱和度设置到95,做一次1个像素左右的高斯模糊。尝试不同的值,选一个最好的效果。

第六步:混合模式设为“颜色”,调整不透明度,到满意为止,最后合并图层。

窄带摄影

窄带摄影是一种很流行的方法,能够展现深空天体戏剧性的结构,对科研也有一定意义。使用窄带滤光片拍摄时,只有很小波长范围的光线通过,这个范围就是滤光片的带宽,深空天体用的窄带滤光片的典型带宽在10nm到100nm之间。

窄带滤光片的中心波长是精心设计的,它们和最强的发射线的波长是一样的,比如H-α。滤光片的名字也是以发射线的名字命名的。因此滤光片只选择特定原子发射的光线通过,而滤掉其他所有的光线。这意味着窄带摄影也可以免除光污染的影响。

窄带滤光片拍摄的照片可以用来合成伪彩色的图像,就像用RGB滤光片合成RGB真彩色图像一样。合成的方法有很多,有的方法合成的色彩更真实一些。

将S-II、H-α、和O-III窄带滤光片的图像替代R、G、B,就能得到波长顺序正确的图像。理想情况下,你应该调整每个通道的色阶,使它们的直方图范围差不多。要想得到更好的效果,应该用33%的S-II和H-α图像作为红色,O-III作为绿色,33%的H-α和O-III作为蓝色,这样的结果和传统的RGB颜色最相似。还有很多其他的合成方法。有一种双色窄带摄影法,只用两种窄带滤光片合成最后的彩色照片,既节省拍摄时间,又节约成本。因为很多天体没有蓝色发射线,所以H-α作为红色,O-III作为蓝色和绿色的组合就OK了。

上图:窄带拍摄的玫瑰星云

滤镜种类简介

H-α:氢-α,656.28nm,是星云和星系中电离氢的波长。有不同带宽的滤镜,单反相机可使用带宽宽的,CCD和单反该机可使用带宽窄的。

S-II:硫-II,671.6nm和673.1nm,是星云中常见的硫的波长,通常只有CCD和单反该机使用。

O-III:氧-III,495.9nm和500.9nm,是氧的发射线波长,拍摄行星状星云和超新星遗迹时有用,单反和CCD都能使用。

H-β:氢-β,486.1nm,通过蓝光,只有特定的天体需要,像马头星云。单反和CCD都能使用。

上图:从左到右依次为H-α、S-II、O-III、H-β滤镜拍摄的马头星云图像

哈勃调色板

哈勃太空望远镜拍摄的全彩色照片是由窄带滤镜合成的。可以用S-II、H-α和O-III的图像制作出来哈勃图像的效果。

每个通道的色阶形状和范围都应调到差不多。这种合成法的一个副作用就是星的颜色会呈洋红色。这可以通过降低洋红色的饱和度来改善,因为图像中只有恒星是呈洋红色的。然后按照下面的步骤做,就能制造出哈勃效果来。

第一步:按照波长顺序,使用S-II作为红色、H-α作为绿色、O-III作为蓝色通道。打开色阶,调整R、G、B三色通道的色阶,使它们的直方图基本重合。

第二步:复制图层,使用可选颜色工具(图像–调整–可选颜色),从颜色列表里选择绿色。然后将青色调到-100%,洋红调到-25%,这样就把绿色调成了黄色。然后,再选择黄色,将青色调到-100%,洋红调到+25%。

第三步:还用可选颜色工具,选择青色,将黄色调到-100%,点击OK。再次打开可选颜色,选择青色,将洋红调到-25%,点击OK。你可以降低洋红色的饱和度,让星看起来更自然。

总结:

希望你能喜欢我们这四部分图像处理课程,学习到图像处理的主要技巧。做好图像处理,实践和经验很重要。要能知道什么样的照片用什么样的技术去处理。图像处理很重要,也很有趣,你能通过很多方法,将你的天文照片处理的比原来强百倍,是多么激动人心。当你看到平淡无奇的图片处理出很多细节,那处理的过程体验就很美妙。当然,别被冲动冲昏头脑,保持清醒,适可而止也很重要。

真心希望我们讲的内容能助你天文摄影一臂之力,期待你的好作品。



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文章作者:Karajin
责任编辑:skylook

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