 题图、使用“幸运成像”技术拍摄的星系NGC891（三幅拼接） “幸运成像”（luckyimaging或lucky exposures）是数字天文摄影中常用的一种成像技术。这一技术对于行星摄影爱好者来说一点都不陌生。当下主流的行星摄影，一般是采用高灵敏度、低噪声行星相机拍摄单帧曝光时间小于100毫秒的高速视频，然后使用专用工具软件对影像筛选、叠加和锐化，以获得高清晰度、高信噪比的行星影像。这就是典型的“幸运成像”技术。 一、“幸运成像”技术的优势 在行星摄影中，“幸运成像”可以通过短时间曝光的来固定大气视宁度最佳时的天体影像。再利用后期工具软件将那些视宁度不佳时拍摄的单帧影像剔除，选择最佳的单帧影像进行叠加。显然，这比使用较长时间曝光拍摄的行星影像更加清晰。因为大气视宁度总是在不断变化，只有曝光时间足够短，才有可能遇到视宁度最佳的拍摄窗口。但短曝光的单帧影像信噪比很低，因此需要通过所谓的“短曝多叠”来累积曝光时间，以获得足够高的信噪比。 随着数字影像传感器技术的发展，“幸运成像”技术逐渐被应用于深空天体摄影。但在深空天体摄影中“幸运成像”技术就不单单是为了把握转瞬即逝的大气视宁度了。 传统的深空天体摄影需要采用高精度的跟踪装置和相机长时间曝光。单张影像曝光时间有可能是几分钟，也有可能是几十分钟。如此长的曝光时间不仅仅是对相机的考验，同时也是对望远镜的支架系统、跟踪装置、导星系统、光学结构等等多方面的考验。因此在传统的深空天体摄影中对于整套器材有着较高的性能要求。 另一方面，对于恒星这样的点光源，光学系统在焦平面上的成像不是一点，而是一个很小的亮斑。又称艾里斑。艾里斑的外围是多级衍射环。其能量分布以艾里斑最大，衍射环越靠外侧（级数越高）能量分布越小（图一）。于是我们会发现，随着曝光时间的增加，拍摄到的星点会变得粗大（图二）。这里除了有视宁度的因素之外，最主要的就是拍摄到了级数更高的衍射环。对于小口径、大焦比的望远镜来说，这一现象更加明显。根据艾里斑半径的经验公式：r=1.22λf/D。这里f/D就是望远镜的焦比，显然，焦比越大，艾里斑的半径越大，衍射环的半径也越大。  图一、星点在焦平面上的成像（艾里斑与衍射环）  图二、焦比F12的望远镜在不同曝光时间下，实际拍摄到的星点大小对比 综合以上两点，如果能能够采用较短的单帧曝光时间，一方面可以降低对跟踪和导星系统的精度要求，甚至可以取消导星系统；另一方面也可以获得较小的星点成像，改善影像的视觉效果。 二、“幸运成像”技术中天文相机的选择 如前所述，“幸运成像”技术在数字天文摄影中的优势非常诱人。但值得注意的是，并非所有天文相机都适用于“幸运成像”。“幸运成像”技术最明显的特点是短时间曝光。但对于暗弱的天体来说，由于较短的曝光时间，数字影像传感器接收到的天体发射出来的光子非常有限。这必然会导致影像信噪比偏低。要提高信噪比只有通过大量的影像叠加来积累曝光时间。大量是多少？简单说那就是数千张、甚至数万张。如此大量的叠加会带来一个问题。我们知道数字影像传感器的噪声来源主要包括以下三个方面：读出噪声（也称量化噪声）、暗电流噪声（也称热噪声）和光子噪声（也称量子噪声）。这三种噪声中的读出噪声是与环境温度和曝光时间无关的。它只同读出的次数有关。每次的读出噪声是不变的（注：对于CMOS数字影像传感器在增益设置变化时，读出噪声会有变化）。当n张影像叠加后，目标天体的信号增加n倍，而读出噪声则增加n1/2倍。如果只看后者，显然叠加的数量越多，读出噪声积累的也越多。对于数千张、甚至上万张影像的叠加，这将是一个不可忽略的因素。 因此，当我们考虑要采用“幸运成像”技术来拍摄天体的时候，一定要选择读出噪声更低的数字影像传感器。在拍摄前设置参数的时候，还需要考虑相机增益设定对读出噪声的影响。 举一个简单的例子。假设有两台天文相机，一台的读出噪声是10e，而另一台的读出噪声是1e。拍摄某一个天体需要累积10分钟的曝光。采用“幸运成像”技术设定单帧曝光时间为10s，则需要累积拍摄600张单帧影像。这600张影像叠加后，第一台相机拍摄的影像中读出噪声将是第二台相机的10倍。换一个说法，如果要获得与第二台相机相同的读出噪声，第一台相机设定的拍摄帧数应该是6001/2/10，也即2到3张。或者说需要将单帧曝光时间延长至3到5分钟。显然，读出噪声低的相机使用“幸运成像”技术更加具有优势。 现今市场上能够选择的天文相机很多。大多数CMOS天文相机的读出噪声都很低。尤其是新一代的CMOS天文相机，像QHY183系列、ASI533系列等相机，都可以在特定增益下获得1e甚至更低的读出噪声。还有像290、462系列相机，在特定增益下也可以轻松获得＜1e的读出噪声（图三）。这些相机应用在“幸运成像”技术上，可以获得相当不错的效果。  图三、天文相机读出噪声与增益GAIN的关系（数据来自厂商官网） 三、“幸运成像”技术在深空天体摄影中的实际应用 笔者经常使用的一套远程天文台系统，由于原本设计的观测目标以行星为主，所以在器材配置方面是以长焦折反射望远镜搭配小幅面的290c彩色天文相机。而且跟踪系统中并未安装自动导星装置。主望远镜焦比达到了F12，口径为150mm。如果采用传统的深空天体摄影方式，F12的焦比将会大大延长单帧影像的曝光时间，而没有导星系统的赤道仪根本无法满足长时间曝光的稳定性。于是转而尝试采用“幸运成像”技术拍摄一些视面积较小的深空天体，例如一些行星状星云与河外星系。QHY5III-290C相机虽然幅面很小，但较低的读出噪声却也是它在“幸运成像”中的优势。 根据厂商提供的相机增益GAIN与读出噪声曲线，当增益大于320后，读出噪声将会小于1e。所以在设置拍摄参数时，一般会将GAIN值设定在320以上。当然，高增益带来的问题是影像的宽容度明显下降。当拍摄光比较大的天体时，需要在后期处理中考虑采用“高动态光照渲染”（HDR）技术，以满足影像中不同亮度区域对细节的要求。 根据系统配置的实际情况，单张曝光时间选择在5-15秒之间。如果赤道仪性能更好一点、望远镜焦比更小一点的话，选择30-60秒也没有问题。笔者曾经在一台EQ8搭配RC14的望远镜上采用“幸运成像”技术拍摄星系M51。在无导星的条件下，单帧选择60s拍摄也比较成功。 在实际拍摄过程中，单帧影像在预览的时候往往看起来噪点遍布。毕竟单张曝光时间很短，信噪比低是必然的。还需要后期进行大量的叠加来积累曝光时间。只要总曝光时间足够长，就能够获得信噪比足够高的影像（图四）。笔者使用的拍摄工具是FireCapture。预先制作好了暗场和平场数据。在实际拍摄时将这些校准帧直接加入，这样就无需在后期处理的时候另外校准了。亮场采用了分组拍摄的方式。以100-200帧为一组。可以直接拍摄FIT影像数据；也可以拍摄SER视频数据，后期再用PIPP工具进行拆解。在后期处理时先将拍摄的一组影像筛选和叠加获得一张合成影像。然后再将多组合成的影像叠加。这样做的原因，一方面是考虑到后期处理的计算机性能有限，如果数千张影像一起叠加，可能会出现异常。另一方面，就目前来看这样拍摄的单帧影像还需要人工来筛选。剔除其中拖线的或者是虚焦的单帧影像数据。如果数千张影像一次性筛选实在有些吃不消。  图四、“幸运成像”技术拍摄的单帧影像（上）与5000帧叠加处理后的影像（下） 更麻烦的是这样拍摄的天体影像在常用的叠加软件中无法自动对齐。这个问题曾经困扰了很久。如果完全依靠人工手动对齐数千帧单张影像，几乎是不可能完成的任务。变通的方法是在MaxIm DL的叠加工具中先采用1星人工选星对齐的方式叠加一组影像，之后再将每一组合成的影像采用2星人工选星对齐的方式叠加。之所以这样设定对齐模式是因为一组影像连续曝光的时间并不长（一般10分钟左右），由于视场比较小，即便存在场旋也不会太明显，采用一星对齐完全可以满足需求。而每一组影像之间相差的时间可能就比较大了，有可能超过数小时。这么长的时间，场旋将不可忽略，因此要采用2星对齐。  图五、博冠1501800马卡搭配QHY5III-290C相机，采用“幸运成像”技术拍摄的一组行星状星云  图六、采用“幸运成像”技术拍摄的旋涡星系NGC4564（三幅拼接） 经过尝试，“幸运成像”技术在采用大焦比望远镜和赤道仪盲跟的条件下，拍摄小视面的行星状星云、河外星系等目标是可行的（题图、图五、图六）。在拍摄的过程中，因为不再使用导星系统，操作起来也比较简单。唯一比较繁琐的是后期叠加处理，需要依靠人工选择对齐的星点。当然，这是在大焦比望远镜和小幅面天文相机条件下，星点的形态不易被叠加软件识别而导致的。如果能够使用小焦比的望远镜或者是幅面较大的天文相机，并适当合并像元，那么星点的形态将比较容易被叠加软件所识别。完全可以采用自动对齐来进行单帧影像的叠加。 总之，当你的器材配置比较偏向于行星摄影，但又想尝试深空天体摄影的时候。可以采用“幸运成像”来试一试。也许能带给你不一般的惊喜。 |
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