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《天文摄影小精灵-ToUcam》 摄影/撰文 周熠君 ...............发表于2004年《数码精品世界》

 

随着Internet的迅速普及,网络视频捕捉器——Webcam也日益成为一个非常强大的网络交流工具。它以即时的画面显示、合适的图象大小,极大地便利了网络之间的沟通,同时由于它的外型小巧时尚,售价低廉,也已成为网络时代一个朝夕相伴的“电子宠物”。

 

一、ToUcam在天文摄影的应用

然而,正是由于Webcam的出现,在人们眼中显得非常高深莫测的天文摄影一下子由高不可攀的专业领域向普通的天文爱好者敞开了大门。以往想要拍摄到大行星或月面的精细影像,总是由专业天文台或较为高级的大型望远镜所得,而其使用的设备要么是极其昂贵的天文摄影专用CCD,要么就是各类专用底片,而且还需要更加专业的操作技术和复杂的加工处理,决非普通人所能拥有!

Webcam在天文摄影的应用,充分发挥了它与计算机的紧密关系,通过后期的软件处理,将Webcam拍摄的视频文件施以挑选、排列、对齐、叠加、锐化等处理步骤,得到比原始单帧文件清晰得多的影像。它在单位时间内获取的图片数量远远超过以静态拍摄的数码相机,这对于高倍率拍摄行星的细节是非常重要的。因为行星摄影的死敌——大气层的扰动,令拍摄的图片被扭曲变形,尤其是在高倍率的情况下。通过连续拍摄得到的成百上千张图片,可以在计算机中加以挑选,去除质量不好的单帧,以提升质量。因此,Webcam已迅速成为天文摄影界里一颗不容忽视的超新星,并稳稳占据了明亮天体如月球和大行星精细摄影的霸主地位。当今世界上最高水平的月球、行星照片很多都是使用Webcam拍摄的。

Philip公司生产的ToUcam就是一款在天文摄影界倍受宠爱的Webcam,相比起其它品牌的同类产品,具有手动操作性强、重要参数设定均可自定义的强大优点,已令ToUcam成为行星摄影爱好者人手一机的必备工具。它的核心部件——CCD为30万像素(640x480),虽然比起大部分数码相机来,显得很小,但对于拍摄行星,已经足够了。即使是视面积比较宽大的金星和木星,在大部分情况下,也只能占用大半的CCD面积。而且过高像素的CCD拍摄的AVI视频文件,将产生十分庞大的文件尺寸,令计算机的拍摄和后期处理不堪负荷。在每个晴朗的宁静夜晚,总有一些孜孜以求的爱好者,将ToUcam接上望远镜,通过计算机操控着它捕捉一个个令人激动的精彩瞬间。

天文摄影中的ToUcam,又以Pro PCVC 740k型号最为经典选择。它除了可以拍摄定格照片外,还可以拍摄AVI格式的短片。除有从每秒5帧到每秒60帧的7档帧率设置,还有亮度、Gamma值和饱和度的图象设定,也可手动设定快门速度和增益,甚至比较重要的白平衡也可以手工调节。虽然ToUcam还可以捕捉音频,但对于天文摄影来说,是毫无用处甚至有反作用,譬如在后期的软件处理中,会因为音频的录入而令处理无法进行,因此我们一般将录音功能关闭。

 

 

二、将ToUcam与望远镜和计算机相连

ToUcam 740k如图所示,黄色的镜头可以旋转,以供调节焦距。我们则需要将镜头取下来,并另行选购一只适配器,一端旋进原镜头螺孔,一端为接1.25"(31.7mm)的望远镜接口。注意此时的ToUcam就是以望远镜为镜头成像的,因此望远镜目镜和ToUcam的原镜头都是不需要的,由于光线在望远镜物镜和CCD之间没有其它镜片的折射损失,可以得到最为清晰的图象。同时为了减轻不必要的重量和加强稳定度,将ToUcam的支架去掉,将USB接口与计算机相连,在拍摄时,只需在屏幕上观看并调节望远镜焦距至清晰即可。

现在ToUcam 740k型号已经停产,取而代之的是840k。在外型上有了不同的变化,但基本功能相差不大,很多爱好者开始选购后者。

由于望远镜的焦距是固定的,最后的成像大小也是固定的。可以采取加装巴罗镜或减焦镜的方法,来获得不同的视场或倍率,它们的作用实际上就是增加凹透镜或凸透镜的原理,来延长或缩短焦距,达到最终控制图象大小的目的。

 

三、软件的应用

ToUcam软件功能众多,应用广泛,基于本文特点,仅对天文摄影的应用作详细介绍。

1.安装完ToUcam的软件后,点击PHILIPS Vlounge应用程序,再点击VRecord打开,我们看到ToUcam的红灯亮起,表示已经正常接通。软件操作界面如图所示。

2.点击菜单“文件”打开“设置捕捉文件”,为新文件命名。此时我们可以开始一个有序的档案管理方案,即以拍摄的日期作为文件名,如2004年9月1日晚23点35分的月亮,可以命名为MOON-200409012335。这样的好处是显尔易见的,便于以后重要的资料管理及翻查,虽然一只硬盘中不可能存放太多的AVI文件,但原始的档案管理还是非常必要的。

3.点击“选项”打开“视频格式”,将Color Space/Cpmpression设定为1420,Output的选择则表示将要拍摄文件的图象框幅大小。由于ToUcam只有30万像素,因此最大的尺寸为640x480。文件的大小与框幅的大小选择成比例,同样拍摄的AVI视频,640x480文件要比320x240大4倍。

4. 点击“选项”打开“图像控制”。

由于天文摄影的特殊性和后期处理的因素,首先将“完全自动”选项关闭。

4.1 帧率:帧率的设定有每秒5帧、10帧、15帧、20帧、25帧、30帧、60帧等7个设定。速度越高,表示在单位时间内获取越多的图片,帧速率取决于当前选择的视频格式(分辨率)和 USB 总线上可用的带宽(与USB端口相连的设备数以及它们传送的数据量)。无效帧速率的按钮将自动变成灰色,不能选择。要启用更高的帧速率,需在应用程序中选择更小的视频图像格式。根据经验选择每秒5-15格是最合适的。

4.2 亮度:选项的缺省设置为中点(50%),由于调节会引起画面的灰平衡失调,因此不要去改变。

4.3 伽马/Gamma:向左移,偏灰,向右移则鲜艳,如果大气清澈,以偏左为合适。

4.4 饱和度:愈靠近左边,愈接近于黑白,反之越鲜艳饱和。以偏右为合适。

4.5 模式:选择黑白时,则对于拍摄月球或单色处理时有用。

4.6 镜像:有时,望远镜采用了天顶棱镜,它所成的像是反面的,这个选项就很有用了。

5. 摄象机控制

5.1 白平衡:这个设定非常重要,但又比较难以掌握,调整不好,会令图片颜色失真,并损失许多细节,即使在Photoshop中也难以调整过来。有个简便易行的设定方法:先选中自动,这时软件会自动调整并将白平衡稳定下来,此时再关闭自动,保留这一设定,如有必要,也可以再仔细地手动调节。

5.2 快门速度:速度选择可以控制在1/25秒至1/10000秒间,越慢则越亮,反之越暗。

5.3 增益:在以快门控制图象时,也可以用增益来调节明暗,如1/25秒拍摄时画面比较灰暗,则加大增益。如1/50秒太明亮,则将增益减到零,如果还是太亮,则再缩短快门时间。

合适的曝光控制对获得良好的图像信息是至关重要的。过曝则损失细节,欠曝也一样,而且噪点令人难以接受。在正常情况下,CCD 曝光时间越长,图像的信噪比就越高,看上去更光洁、平滑。 而在大气的宁静度比较差时,长时间的曝光往往会被大气扰动所破坏,这时采用短时间曝光就是一个明智的选择,虽然信噪比较差,却受到的大气影响较小,可以得到更优秀的分辨率,而且在后期处理时可以取得较好的信噪比。不同的快门速度通过增益的调节得到同样的图象亮度情况下,更短的快门比更长的快门速度要分辨率高一些,但如果在大气条件比较良好时,也可以适当加长曝光时间,所有这些调节,都需要根据经验判断调节,来得到一些比较细致的变化。

6. 音频录制

由于开启了录音功能的AVI文件在后期的图象处理中会出现无法正常进行的情况,因此我们必须将录音功能关闭,不用理会这一设定。

 

 

四、拍摄中的问题

ToUcam的USB线并不长,大约在2.5m左右,这就限制了计算机与望远镜之间的距离。对于没有笔记本电脑的用户,而又不想搬动笨重的台式机,就只能在家里的阳台或窗户上拍摄,如果条件不允许,便得将整套电脑全部扛出来,比起笔记本,也是件麻烦的事。但是笨重的CRT显示器也有一个优点,就是颜色显示会比普通的液晶显示器准确的多,很多使用便携电脑的同好,如劣质的LCD或笔记本电脑,在颜色的设置处理上就尝到一些苦头,导致最终的图象颜色失真,损失细节。但不管如何,边调节望远镜,又要一边注视电脑屏幕进行操作是必须同时进行的。

行星摄影是一个需以非常严谨态度对待的项目,并关系到一些其它相关学科。譬如如何战胜平时看来无关紧要的大气抖动,在这里变成了一件头等大事。在晴朗的夜晚,我们有时会看到星星眨眼的情况,而此时,大气宁静度往往是比较差的,空气中的湍流导致气流不稳定,使大气变得象一个不稳定的滤镜,望远镜中看到的星星就象在水里沸腾一样,遇到这个糟糕的天气,想拍摄行星细节的计划就只能泡汤。这些都是自然因素,非人为所能控制,但影响宁静度的,还有场地的选择,如白天被阳光炙烤的水泥地面,到了晚上气温下降,就会导致地面的空气流动不止,应尽量避免这种情况发生。而一大片的草地则是绝佳的场所,甚至在摆放电脑时,由于散发的热量会影响气流,以及操作时,人尽量不要在望远镜指向的迎风面,拍摄时,保持静止状态,不要来回走动。

拍摄的时间长度基于后期处理软件考虑,一般控制为2400帧以内。结合设置的帧率大小。如每秒10帧,则最长时间为4分钟。由于AVI格式比较大,首先保证计算机的硬盘空间是足够的,硬盘或许刚拍摄了几段文件就被占满了,因此理想的硬盘空间最好能有5G以上,以便拍摄后能比较其中的清晰度,选择最好的保存下来。

 

五、 关于对天体的跟踪

地球的自转轴对着南极或北极点,以一天的时间自西向东旋转一圈,所以天体都是东方升起、西方落下。天体在地平坐标中,两个量都随时在变,因此,普通的地平式装置不便于做较长时间的连续观测摄影。赤道仪装置就解决了这个问题,它上面有一固定轴,也是对着北极点(在南半球就是南极点),这个固定轴称为极轴。极轴就等同于地球的自转轴,而绕着极轴旋转的赤经轴就等于是地球的自转了。因此,如果赤道仪的赤经轴旋转方向与地球相反,而且也是一天旋转一圈,那么赤道仪就能一直跟着天体运动,天体也就能一直保持在望远镜的视野内了,这就是跟踪天体的基本原理。显然,这就是克服由地球自转引起的相对位置变化而达到了目的。

赤道仪使用时首先要将其极轴对准北天极,这时望远镜指向任何的星星,开动跟踪系统后,赤纬都不需要再调整,只需要让望远镜在赤经(或称时角)方向按星星的行进速度匀速转动,就可以让这颗星一直保持在望远镜的视野内,当然,这是在理想的情况下。

对于赤道仪的使用,极轴是否精确对准北极点非常重要,对于北半球的人来说,还是幸运的,因为我们熟知的北极星就在那里。现在市场上销售的赤道仪,几乎都配备了极轴望远镜。使用者只需要将北极星放入极轴望远镜的指定位置,几乎就已经算是对准极轴了;纵然赤道仪的轴心不一定完全与极轴望远镜“同轴”,但这是由于机械构造与光学偏差的必然结果。然而,精确的来说,光将北极星对准还不够,因为它与真正的北极点还差那么一点点距离,还要适当微调一下才行,因为每天北极星也在不断做周日旋转运动中。更精确的对准北极点,还有漂移定位等等,不再一一讲述。

也有没有使用电动跟踪的,就只能使用手动操作赤道仪了,得用手不断的调整赤经(或时角)旋钮,而对于高倍的行星摄影,一边操作跟踪,一边操作电脑,还要调节焦距,是极其困难的,而且手动跟踪必定会引起望远镜的抖动,或许,对于行星摄影,这就是致命的。

也有某些拥有大口径镜子的爱好者,由于镜筒的重量或长度问题,无法配备合适的赤道仪,采用了坚固结实的地平式架子,由于无法跟踪,可以把星星放在视野的一边,开始拍摄,在星星慢慢运动到另一面的时间内结束,利用软件加以处理。虽然这样无法拍摄到较长时间的画面,但也总算能把无法跟踪的巨型望远镜用来拍摄一下,发挥了大口径的魅力。

虽然后期处理有针对跟踪不理想而进行自动调校的功能,但还是会影响画面质量。现在有一些高级的赤道仪,在电子控制方面非常优秀,配置了自动寻星、导星的功能,能对被导星进行精确的跟踪修正,使其一直保持在视野中,这样剩下的事就只需操作计算机就可以了。

 

五、后期图象处理

前期的拍摄任务完成了,接下来是更为花费时间的后期处理,本文针对主要功能作一粗略的介绍。

由于ToUcam拍摄的是AVI的视频文件,而不是单张的静态图片,因此还需要其它软件来进行处理。同时由于Webcam的噪点相比起数码相机和冷冻CCD是最大的,因此后期的处理能通过多幅图片的叠加(Stacking)来巧妙地消除CCD所带来的不规则噪点。

天文摄影界里广泛使用的Registax就是一款功能非常强大的免费软件。它的作用就是将一段AVI文件转换成BMP序列格式,并通过挑选、排列、叠加,最终完成一张更为清晰的图片。图九是Registax 2.1.13版本的界面。

关于Registax软件,请查看http://aberrator.astronomy.net/registax/

 

1. 选择文件

打开文件后,会看到AVI被分解成一系列的BMP文件,挑选一张最清晰的作为基准图。并选择合适大小的Alignmeng Box方框,点击拍摄物,软件自动转到下一个界面。

Registax最多只能处理2400帧的文件,如帧速为10帧/秒,则四分钟就有2400帧。

2. 对齐影像

2-1 Optimize unit:数值小,则处理效果好。但得花更多的时间。

2-2 Search area: 数值表示在对齐过程中图片移动的像素距离。

2-3 Lower quality: 与基准图片的比较值,数值表示百分数以外的的图片不参与对齐处理。

2-4 Predict object: 选中会增加对齐的成功率。

2-5 Misalign warning: 如果望远镜的跟踪不精确,导致某些帧数偏离太厉害而离开Alignmeng Box,则发出警告。

设置完毕,点击Align开始处理,如果选中Auto-Optimize,则会在对齐后作更细致的自动调整。

 

3. 叠加图片

横轴的曲线高低表示与基准图片的差异值,纵轴的左右移动可以选择参加图片叠加的数量。点击Stack开始叠加。

4. 图象处理

对最终叠加图片的处理,有亮度、反差以及Gamma的调整。更精彩的是Wavelet的锐化,可以得到比较清晰的图象。存储后就完成了。下图就是两者处理前后的明显变化。

 

当然图象还可以到Photoshop中再进行更细致的图象调整,诸如色彩、大小、滤镜变化等。

 

结束语

天文摄影是一项靠天吃饭的行当,并且涉及了物理学(如望远镜品种的选择优化、光学镜片和CCD的合理组合),地理科学(如怎样选择一个大气湍流稳定的地点或如何避开光害)、大气学科(如怎样判断大气宁静度的优劣)、机械工程(如何提高赤道仪的精密跟踪程度和整机稳固性)、电气(国外的部分望远镜其自动寻星、导星功能、GPS卫星定位已非常先进)、图文处理(后期的图片处理可以令一张原始图片涣然一新)等复杂的学科因素。拥有一流的设备,并不一定能得到一流的摄影图片,还得要艰苦的探索、付出。在欧美国家分布着一批高素质的行星摄影高手,尤其在香港就有一群备受瞩目的天文同好,他们在这个领域取得了非常骄人的成绩,为广大同好所推崇。