怎樣以 ToUcam 拍攝火星
以下文章會刊載於上海《都市星空》雜誌一‧導言
長期以來，冷凍CCD相機（Cooled CCD camera）一直是拍攝深空天體和高解像行星、月球照片的主要設備。但使用冷凍CCD相機拍攝一張彩色照片，需要分別使用紅、綠、蓝濾鏡拍攝，再把三種照片按比例疊合成一張（各拍攝數張至數十張）。拍攝前還需要先做「平場（Flat field）」、Bias calibration，拍攝後又要做除「暗流（Dark frame）等重要工序，技術要求非常高；而且售價昂貴，每台冷凍CCD相機售價由數千至數萬元，甚至以上，因此以往要參與數碼天文攝影並不容易。直至民用的「靜態數碼相機（Digital still camera）」漸趨普及，天文愛好者可說多了一個選擇。可是由於CCD在曝光過程中會出現「雜訊（Noise）」，曝光時間愈長、拍攝場地的溫度愈高、雜訊便愈大。論拍攝效果，沒有冷凍裝置的數碼相機遠遜於冷凍CCD相機。
直至網絡視像器（Webcam）普及，情況又有了改變。它不僅只需數百元，比冷凍CCD相機便宜很多，在拍攝月球、行星方面，效果更媲美、甚至超越冷凍CCD相機。事實上，現今世界上最高水平的月球、行星照片很多都是使用網絡視像器拍攝的。
本文有兩個重點，除了會介紹當今最多人採用、口碑最好的一款網絡視像器Philip的ToUcam Pro 740，具體介紹其操作，還會介紹現今最流行的一款影像處理（image processing）軟件Registax（V 1.1 beta）的使用方法。
二‧網絡視像器的拍攝原理
底片、數碼相機、冷凍CCD相機拍攝的是定格照片。網絡視像器則除了可以拍攝定格照片外，還可以拍攝AVI格式的短片。以每秒5格、10格或以上的速度把拍攝物記錄下來，曝光則可以設定為數十分之一秒到萬分之一秒。若以每張定格照片比較，網絡視像器的雜訊是最大的，但雜訊可以通過「疊合（Stacking）」方法大幅減少。做法是先用軟件把AVI短片轉作一幅幅BMP格式的硬照，把這些硬照用軟件疊合起來便成為一張原始影像（raw image）。有了原始影像便可以運用Photoshop等軟件作進一步的影像處理。
三‧ToUcam Pro 的各項設定與操作
1. 開啟Philips VLounge程式，點擊VRecord2. 開啟新檔案，為新檔案命名
路徑（path）：File / Set Capture File建議AVI檔案採用「拍攝物_年月日時分」的方式命名，時間採用24小時制。如：Mars_200307300325，便表示這段火星短片在2003年7月30日凌晨3時25分拍攝。這樣命名的好處是檔案名稱不會重複，兼容易翻查紀錄。
3. 選擇拍攝用的框幅
路徑：Options / Video FormatToUcam的CCD只有30萬像素（pixel），最大的框幅有640 x 480像素，但你可以把它設定為不同的框幅拍攝，如160 x 120，176 x 144，240 x 176，320 x 240，352 x 288，640 x 480等6項。而它預設（default）在 320 x 240像素。請留意，只有352 x 288和640 x 480兩項，影像的大小會保持不變，若點選其他框幅，經望遠鏡放大的影像會按比例縮小。舉例，若火星在640 x 480像素框幅下直徑有100像素，在352 x 288下仍是100像素，但在320 x 240像素下火星只有50像素，故建議採用352 x 288像素的一項。但有一點必須留意，檔案大小與框幅面積成比例，即拍攝同一物體，同一長度的AVI短片，640 x 480的檔案大小是320 x 240 的4倍。
4. 關閉ToUcam的錄音功能
路徑：Capture / Capture Audio（沒有剔號代表已關閉）ToUcam能同時錄下聲音和影像，但當開啟了錄音功能，錄取AVI短片時往往會出現掉幀（drop frame）的情況；若掉幀出現在短片的最初幾張，圖像處理軟件Registax便不能辨認和開啟這個檔案，因此拍攝前必須先關閉ToUcam的錄音功能。
5. 設定拍攝速度（frame rate）
路徑：Capture / Set Frame RateToUcam的拍攝速度可以設定為每秒5格、10、15、20、25、30、60等7個速度。拍攝速度高，表示在固定時間內可取得更多影像；供疊合的影像多便能減少噪音，增加訊噪比（S/N ratio）；可是，當電腦的運算速度跟不上，便會出現一種名叫read out noice的噪音。經過權衡，每秒10格是最佳的拍攝速度。
6. ToUcam的其他設定_Image controls
路徑：Options / Video Properties / Image controls1. Frame rate（拍攝速度）：確保拍攝速度已設定為每秒10格。
2. Control：當第一次開啟ToUcam，它操作介面內各項設定都是全自動的，點擊Control下的方格，取消全自動操作設定。
3. Brightness（光度）：預設值是50，記著任何時候也不要動它。
4. Gamma：愈往左推，反差愈高。當大氣透明度高，便應推向左一點，反之便向右推。我的設定一般在10至40之間（設最左為0，最右為100）。
5. Saturation（色彩飽和度）：我的設定一般在60至90之間，當大氣透明度高，便應推向右一點，反之便向左推。
6. Modes（模式）：拍攝月球時可選取黑白模式。
7. ToUcam的其他設定_Camera controls
路徑：Options / Video Properties / Camera controls1. White balance（白平衡）：這設定十分重要，若錯了火星便會失去很多細節。调校方法一：先點擊Auto，讓它自動调校，認為顏色正確便再點擊Auto，保留這設定。方法二：以目視的火星顏色為參考作调校。記著，因動幅太大，不要用滑鼠直接推動操作介面上的调節桿，應點擊调節桿，用鍵盤上的箭咀逐格移動。
2. Exposure and Gain（曝光與增益）：先點擊Auto取消自動曝光，手動曝光設定由1/25秒到1/10000秒。以1/25秒開始，若火星太亮便減少增益，太暗便增加增益（即把Gain的調節杆向右推）。若增益是零仍然曝光過度，曝光設定便改為1/33秒甚至1/50秒，餘此類推。
3. Audio controls：一開始我們已取消了ToUcam的錄音功能，故不用理會這個版面。
四 Registax 的各項設定與操作
1. Registax是甚麼？Registax是一個在網上供自由下載的免費軟件，功能強大。除了可以自動選擇影像與疊合影像，還具備其他影像處理的功能。除了AVI短片，Registax （V1.1beta版本）還能處理BMP、JPG和FIT格式的檔案。
Registax可從以下網址下載：
http://aberrator.astronomy.net/registax/html/download.html
2. Registax能處理長度多少的AVI短片？
AVI短片以2400幀（frame）為上限，過長的部分它不能處理。設每秒拍攝10格，2400幀便等於一段4分鐘的AVI短片。考慮到行星的自轉，當疊合一段過長的AVI短片，便會「抹去」了圖像的細節，因此我們會以3分鐘，甚至2分鐘為時間上限；拍攝10小時自轉一周的木星時，有些同好的AVI短片甚至不會超過1分鐘。
3. 開啟檔案，選取參考影像
點擊Select input（在Registax首個版面的左上角），選取要開啟的檔案後，它隋即會跳到如下畫面，這時軟件會自動把AVI檔案轉換成一列BMP的序列。如檔案未能開啟，請重複做多一次（這是Registax內的一個Bug），若仍未能開啟，多半是短片最初的數幀出現掉幀的情況，這時便要改用軟件avi2bmp以人手操作。因篇幅關係，這些留待下期介紹。
點擊Colour processing，點擊Show frame list，從序列中選取一張較為清晰的作參考影像，你可從序列逐格點選，亦可用滑鼠快速移動底部的橫杆點選。這裏選取了第72個影像。
4. 對齊影像（Align images）
選取適當的Alignment box（位置在右下角），方框應比拍攝物稍大，只要在火星上左擊一下，便會跳至如下的畫面。請留意，點選的方框愈大，影像處理所需時間愈長。 1. Optimize until的數值愈小，則Align和Stacking的效果便愈細緻。通常我把它設定為10%；當設定為1%時，電腦用作處理的時間便會增加數倍，速度在P3以下的電腦，可能要5至6小時才能完成Align的步驟！2. Search area表示在對齊影像的過程中，每Align一次移動兩像素。
3. Lower quality：與參考影像比較，清晰程度相差在80%以外的frames，Registax不會為你Align，即Registration properties右邊虛線的部分。
4. Track object：如赤道儀追蹤準確度欠佳或未對準極軸，拍攝物會在視場來回移動，離開了Alignment box的範圍，啟動了Track object，Align的步驟便較為準確。
5. Predict track：軟件會估計拍攝物移動的方向，增加Align的準確度。
6. Misalign warning：當點選了，若拍攝物離開Alignment box時，Registax會發出提示訊息。
7. Quality estimate：移動上下箭咀，使數值介乎1至2之間。
8. Optimize（優化影像）：在對齊影像後，Registax會再作細緻的调整。
5. 疊合影像（Stack image）
Stackgrgph 上有兩條軸，橫軸是數量，由AVI短片轉化的影像按清晰程度由左至右排列；移動橫杆，選取疊合的數量。縱軸是每幅影像跟參考影像比較的分別，模糊的影像會呈現出較長的直線。Registax會疊合XY軸交點以下左面的部分。白色箭咀指著的白點名死點（dead pixel），是CCD上不能感光的部分。
6. 影像處理
Registax除了调校光度、反差等，還可以把影像銳化，這功能稱為wavelet，分作6層调校。簡單來說，使用較上層位置的wavelet銳化影像，會得出愈細緻的細節。以下是一幀示範作品，當中可見實際的設定。至此，用Registax處理的部分已經完成，進一步的影像處理要借助Photoshop等軟件。
7. 使用紅外線濾鏡
要拍得好的火星照片，紅外線濾鏡是一個很重要的因素。 火星是顆紅色的行星，地形特徵在紅光部分最明顯，火星大氣的現象則主要在蓝光部分；本年7月5日我曾做了一個測試，以14吋折反射鏡加ToUcam先用紅外線濾鏡拍了一張火星照片，然後除下濾鏡再拍一張，重新對焦，把增益由20減至5，曝光1/25秒，其他設定，包括白平衡完全無變。隨後用Photoshop把火星影像分拆為紅、綠、蓝三色比較其效果。大家可以看到，沒有紅外線濾鏡，蓝
光影像中出現了紅光影像和綠光影像的地形，更多了一些「鬼影」，這正是紅外線做成的污染。
8. 疊合影像要適可而止
雜訊在一幀CCD照片中是隨機地出現，把影像疊合起來便能互相抵消，只要疊合大量影像便能把雜訊大幅減少。用Registax疊合時，它會按清晰程度把所有影像由左至右排列（即愈左愈清晰，愈右愈模糊），疊合的影像愈多，代表把右邊那些不夠清晰的影像也疊加起來，雜訊雖然愈來愈少，但拍攝物的細節亦愈來愈少。怎樣從拍攝物的「細節」與「雜訊」中取捨，取得一個平衡，便要拍攝者自行判斷。附圖在2003年7月19日以14吋折反射鏡加ToUcam拍攝，合成焦比F44，
所有火星取自同一段約三分鐘的 AVI 短片，先以Registax分別疊合200 至1850幀，再施加同等份量的 Wavelet。現在由你取捨，你認為那一幀的效果最好？
後話
後話：筆者由本年一月才正式學習使用ToUcam和Registax，雖然累積了一些經驗，但仍有很多功能未懂使用，本文僅是一點經驗分享，如有錯漏，懇請各方同好不吝指正。 8月底是人類有史以來火星最接近地球的時刻，如天文同好對筆者拍攝的火星感興趣，可以到以下的討論區：
1. 牧夫天文論壇
http://amateur.lamost.org/bootes/bbs/forumdisplay.php?forumid=27
2. 香港天文學會討論區
http://groups.yahoo.com/group/hkas/
3. 坐井會討論區
http://groups.yahoo.com/group/soahk/
劉佳能
香港天文學會 太好了，也非常及时。