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《在SKYMAP中配置Skysensor2000PC》 陈正德(走走看看)

 

多次在网上跟别人谈论到拍摄土星恩克缝的问题,有些人认为,某某人能够拍摄得土星恩克缝,是因为他的镜子口径够大,或者他居住地方的大气稳定度特别好。其实,口径是重要的,大气稳定度是重要的,但是拍摄技术和图像处理技术也非常重要。本文会分析拍摄土星恩克缝的难度,并回顾一下笔者走过的路,看看我花了多少时间才拍下了土星恩克缝(注)。
笔者在 1982 年开始自学天文摄影,1983 年 5 月开始拍摄第一张土星照片。当时的赤道仪没有 GOTO、没有双轴马达、没有极轴镜、没有方位微动、没有仰角微动。而怎样对极轴?应该怎样拍摄?用甚么望远镜拍摄?用甚么照相机拍摄?用甚么菲林拍摄?用甚么焦比拍摄?曝光多少?怎样避免快门震动……
在今天,除了菲林变了 CCD 以外,这些仍然是在网络上很多人提出的问题,但在没有互联网的年代,拍摄者都需要从实践去寻找答案。在当时,能清晰地拍得卡西尼缝已经非常难得,能看到整条卡西尼缝的土星照片绝对是佳作。1986 年,我用借回来的 Celestron C8 拍下了这照片(图一)︰合成焦比约 F300,菲林是富士 1600 度负片,采用「镜前快门」曝光 10 秒。

 

行星、月球、太阳视直径的比较
拍摄行星的难度,在于行星的视直径都很细小,太阳月球约 1800 角秒,但木星最大时只有 49 角秒,土星本体约 20 角秒,火星最大亦只有 25 角秒。要拍得行星表面细节便需要高倍放大。可是经过高倍放大,行星表面变暗,曝光时间变长,受到大气的影响更大。
2001 年 9 月,我用数码相机在白天拍摄太阳,在晚上拍摄月球、火星、土星、木星,然后放在一起比较(图二)。从照片可以看到,土星、木星的视直径便如一个普通月球环形山,在冲期以外的火星更只有那些不知名的环形山大小。要拍摄行星表面细节,存在不少难度。

 

可靠的赤道仪、精准的极轴
在菲林的年代,拍摄高倍行星是最具挑战性的项目,因为操作一枝合成焦距达数万毫米的望远镜拍摄,曝光达数秒钟,绝不容易,需要一台可靠的赤道仪。而且因为曝光过程不容许修正,极轴的任何偏差、赤道仪的任何误差,都会记录在照片上,要拍摄宽度只有 0.5 角秒的卡西尼缝,极轴必须精准。由于笔者的赤道仪并非固定装置,每次拍摄都需要重新架设,调校极轴这例行公事每次都花去约一小时,加上曝光时间长,只有在大气稳定度最好的时候才有机会出现佳作,因此一年可供拍摄的日子实在很少很少。
在 1999 年 10 月 10 日我进行了一个测试,看赤道仪的追踪精度。做法是先把极轴调到精准,以 Meade 10 吋折反射镜,采用合成焦比 F 213 拍摄土星,曝光 50 秒(图三)。土星的短边是南北,长边是东西。从照片可以看到,在 54000 毫米合成焦距下,曝光 50 秒的土星南北没有漂移,东西则有漂移,不能分辨出卡西尼缝。南北没有漂移反映极轴高度准确,东西漂移反映赤道仪的追踪误差。能把极轴调到精准,是在菲林年代拍摄行星需要具备的技术。可是数码相机出现后,多数曝光都在半秒以内,而 Toucam 和 Registax 出现后,每帧 1/25 秒的曝光更不需要漂移法对极轴了,有人甚至能采用杜素式望远镜拍摄出高水平的行星照片。

 

50 秒曝光是一个特别的例子,笔者拍摄的行星曝光一般在 1 秒到 8 秒。2000年 11 月,笔者已开始了数码摄影,某个晚上在其中一张曝光只有 1/8 秒的土星上,有着不寻常的抖动(估计是来自赤道仪的误差),出现了两个卡西尼缝(图四)。如果采用菲林拍摄,这已经是失败的作品,可是有 Registax 的帮作,这些欠佳的照片可在迭合时舍弃,不会影响整体结果。
为了寻找抖动原因,笔者曾伙同朋友拆开G40赤道仪清洁、细细调校一番。确保赤道仪和望远镜时刻保持在最佳状态,是拍摄技术的一部分。

口径愈大,解像力愈高
口径愈大,解像力愈高的道理大家都明白,但具体分别多大却难用言语表示。1999 到 2000 年我做了一个测试,在一些大气稳定度最好的晚上,采用 3 吋到 14吋口径的望远镜以菲林分别拍摄土星,每个晚上都采用不同焦比拍摄,取最好的一张比对效果(图五),从下图可以知道,口径在拍摄上的优势十分明显。
对一个技术成熟的拍摄者来说,只要遇上稳定的大气,提升望远镜的口径便能提高拍摄成绩。

 

数码新世代的来临
下图(图六)的木星和土星都使用 Celestron C14,分别使用菲林、数码相机和 Toucam 拍摄,都是我手上最好的作品。以土星为例,菲林土星曝光 6 秒、数码相机土星曝光 1/2 秒(单张)、Toucam 土星曝光 1/25 秒(迭合 600张)。明显地,Toucam 土星比数码相机土星强,而数码相机土星又比菲林土星强。而且那种超越,不是可以用技术补足的。笔者跟朋友戏言,即使某人能累积 300 年功力,以菲林挑战数码相机仍是难有胜望,用菲林拍摄恩克缝更是完全没有可能(自适应光学技术除外)。以这帧照片为例,如果用数码相机和 Toucam 再拍摄一次,要突破从前的成绩不难,但采用菲林拍摄,要拍得比从前好却极难!
所以,现在仍然有人采用菲林拍摄深空天体,但数年前已经没有人用菲林拍摄行星了,这是理所当然的。菲林的绝路早已出现。

 

大气的影响
根据经验,即使某个晚上大气很稳定也有突然抖动的时候,相反在一些大气极差的时候也有机会遇到数秒到十数秒稳定的大气。下面是受大气影响四个典型的例子:
1.这是用数码相机加 C14 拍摄的两个土星,曝光同样是 1/2 秒,只是下面的相距 10 分钟后拍摄,当中没有再对焦。在大气强力扰动下,后一张土星的细节完全被抹去。(图七)

 

2.抖动的气流可以是大片大片的,使一个大范围模糊起来,也可以是小片小片的,我们甚至可以看到气流流动的方向。(图八)

 

 

3.再看看这三张月球照片:照片以 C9.25 加 Nikon Coolpix 990,以连续拍摄模式拍摄,每张相距大约一秒。请留意虹湾附近两个箭嘴的位置,这张展示的气流波浪比前面的土星大(整个土星视直径比左面的柏拉图环形山稍为小一点)。
不少人抱怨,很难找到两张完全相同的大范围的月球照片,我看这里便提供了一个答案。(图九)

 

4.2000 年 11 月 6 日,笔者用 C14 加上不同焦距目镜拍摄土星,曝光分别是1/8 秒、1/2 秒、1 秒(全是单张)。在非常稳定的大气下,土星细节分别不大,这种大气稳定度是高倍拍摄月球行星梦寐以求的时刻。(图十)

 

一个艰难的开始
笔者用了十多年时间探索,当使用菲林拍摄已经到了得心应手时,菲林的年代亦渐渐过去。学习用数码相机和 Toucam 拍摄,实在是一个艰难的过程,感觉便好像废掉全身武功再上路一样。2002 年 10 月 15 日,在误打误撞下我拍下了第一段 AVI 档案,可是该段视频:曝光过度至饱和、白平衡错误、gamma 设定错误,噪声奇大……结果没有完成图像处理,以失败告终。(图十一)
或许有些人看见我在网络发放的天文照片,会认为我手上一定有甚么秘技,其实,我只是做得比别人多,失败得比别人多,吸收了较多经验,把错误慢慢改正过来。开始的时候,我跟很多天文同好一样,搞得一塌糊涂呢!

 

光轴与对焦
有很多人忽略了光轴与对焦的重要。拍摄要有好效果,光轴与对焦都必须精准,强调:是「精准」。尤其当拍摄用的望远镜是史密特卡式(SCT),而要拍摄的对象是土星恩克缝时,你能调到多准便调到多准吧。我有一个重要的建议:除非你的望远镜在没有棱镜下不能对焦,否则拍摄和调光轴时「一定要除下天顶棱镜」。尽量减少望远镜和照相机中间可能出现的任何偏差。

 


从星点和土星的示范照片可以看到,不论在焦点前后,影像都是高度对称的。在调光轴时,最理想是以土星为对象,因为土星最有「方向感」,很容易知道该往那方向调;其次是木星的四大卫星,那细小的圆面像一个讯号,会告诉你该往那一个方向调节。


笔者不断强调光轴的重要,究竟准确的光轴有多重要?图十四左面的土星是某人用一枝 Meade 12 吋折反射镜加 Toucam 拍摄,光轴严重偏离至向下化开,论成绩不及一枝 5 吋折反射镜甚至 3 吋折射镜在正常情况下的拍摄效果;右边的土星则是 C14 加 Toucam 拍摄的单张照片。大气稳定加上光轴精准,土星环完美对称,两边更可见恩克缝。只要光轴有些微的偏差,土星光环便会像图十五般呈现出不对称。

 

在大气不稳定的时候,不仅要拍摄得好的照片很困难,就连判断对焦是否准确都不容易。下面是同一段视频内的三个土星单帧影像。(图十六)

迭合做成的假像
迭合是为了增加讯噪比,增加了讯噪比便可以为图像施以较重份量的处理。可是,迭合太多会令影像模糊,迭合不准确又会造成假像。下面的A3图便出现了估计由迭合不准确做成的假像(图十七)。笔者尝试把B2加B3做成了B4,实验结果表明,A3出现的假像很可能由Registax迭合不准而产生。

 

怎样拍摄 C 环?
即使一张土星照片拍摄得恩克缝了,但却看不到 C 环,仍然不能称为佳作。要拍摄 C 环须留意:在 Toucam 的操作接口里有一个 gamma 的设定,此设定不要少于 30。看下面的例子(图十八):图片上面的两个土星曾经在网络发表,把它们的亮度调高后得出下面的土星。我们可以看到,左面的土星因为 gamma 设定为 0 兼曝光不足,刻意把亮度调高后仍看不到 C 环;右面土星拍摄时 gamma 设定为 65 而且曝光足够,ABC环齐全,像回一个土星了。

 

恩克缝有多幼细?
在高解像度的天文照片中,拍摄土星恩克缝是难度至高的其中一个项目。就让我们看看恩克缝多幼细,为甚么在 2002 年前在亚洲区内未有人能够拍下它。2001 年 9 月笔者做了一个测试,以下是测试的内容。
下图(图十九)背景是一座二十多层大厦天台的一幅铁丝网(每格铁丝网的阔度是 5 cm),笔者使用一枝口径 12.8 cm 折射镜(高桥 FS128)加上 Nikon CoolPix 990 数码相机把这块铁丝网拍下,当中的土星从互联网下载。为了量度视场的阔度,方便比较拍摄效果,照片中加上了一把 20 cm 长的胶尺。

拍摄的过程是这样的:先在拍摄场地使用数码相机拍摄胶尺,然后把胶尺带到这个天台,用胶纸把它固定在铁丝网上,再返回拍摄的地点使用以上提及的仪器把胶尺和铁丝网拍摄下来。翻查天文年历,拍摄当日土星视直径 47 角秒,我借助菲林年代采用同一方法拍摄的照片,使用计算机软件拼合比较,得到铁丝网和土星视直径的比例,然后使用比例方法计算铁丝网和望远镜的距离。(注意,这仅是一个粗疏的比较)
根据量度,视场的阔度是 379 mm,237 角秒(即 0.625 角秒/mm 或 1.6 mm/角秒)
列出算式:237 角秒 / 360 x 60 x 60 = 视场的阔度 / 2 x 圆周率 x r,算式中的 r 便是铁丝网和望远镜的距离,根据计算,这距离是 330 米。
笔者使用了 3 款目镜和 1 至 3 x 的光学变焦拍摄这幅铁丝网,从 60 多幅照片中选出这幅照片(经过了图像处理)。大家可以看到,视直径 0.05 角秒的恩克缝的阔度约等于这胶尺上毫米的刻度,而这刻度约为 1/4毫米。
虽然这只是一个很粗疏的比较,但简单一点说,无论使用甚么仪器、甚么方法、甚么口径的望远镜拍摄,如果要拍摄土星恩克缝,则所拍摄照片的解像度必须能够分辨 330 米以外的一根头发,有颇大的难度。
在拍摄的时候,偶然拍下了铁丝网上一只小麻雀(图二十),为了方便比较,我把目视效果和采用 2000 毫米拍摄的照片放在一起(三张照片都以同一个位置为中心点)。如果要拍摄土星恩克缝,差不多等如要分解到这小鸟羽毛上一丝一丝的结构。可是这小鸟却在 330 米外!
拍摄恩克缝,绝对是对自己和仪器的一个挑战。

注:
「照片中的恩克缝比理论值0.05角秒粗很多,其实这「恩克缝」包括了恩克缝本身,它在土星环的投影黑边,加上大气稳定度使恩克缝变粗等等因素,所以本文只可以视为一个粗略的示范。」

(为便于浏览,部分图片宽度缩小至820像素)