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[天文摄影] 数字天文摄影中的“幸运成像”

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weiguo1688 发表于 2021-7-29 11:30 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自: 广东省广州市 电信

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题图.jpg
题图、博冠1501800马卡搭配QHY5III-290C相机,采用“幸运成像”技术拍摄的星系NGC891
    “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。这一现象对于斯太尔率较低的折反射系统显得更加明显。
图一.jpg
图一、星点在焦平面上的成像(艾里斑与衍射环)

图二.jpg
图二、焦比F12的马卡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n½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100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(600½/10)²,也即6张。或者说需要将单帧曝光时间延长至大约17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.jpg
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.jpg
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。
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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

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图六、博冠1501800马卡搭配QHY5III-290C相机,采用“幸运成像”技术拍摄的针状星系
M16-xx2.jpg
图七、博冠1501800马卡搭配QHY5III-290C相机,采用“幸运成像”技术拍摄的鹰状星云中的“创生之柱”

    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。​​​​

欢迎光临大宝的个人空间光影与星空http://weiguo1688.blog.163.com/(网易)
Enjoy_me 发表于 2021-7-29 14:13 | 显示全部楼层 来自: 北京市 联通
好贴 顶一个
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bee8888 发表于 2021-7-29 16:20 来自手机 | 显示全部楼层 来自: 江苏省南京市 电信
难得的幸运成像系统论述,从理论到实操都作出指导了,学习收藏了
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ywl0409 发表于 2021-7-29 17:31 来自手机 | 显示全部楼层 来自: 上海市 移动数据上网公共出口
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mianbizhe 发表于 2021-7-29 19:39 来自手机 | 显示全部楼层 来自: 湖北省 移动数据上网公共出口
那些行星状星云的中心曝光出来的光点是白矮星/中子星吗

点评

白矮星,或者是即将成为白矮星。  详情 回复 发表于 2021-7-29 20:05
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小六哥 发表于 2021-7-29 19:46 来自手机 | 显示全部楼层 来自: 广东省茂名市 电信
学习了
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 楼主| weiguo1688 发表于 2021-7-29 20:05 | 显示全部楼层 来自: 广东省广州市 电信
mianbizhe 发表于 2021-7-29 19:39
那些行星状星云的中心曝光出来的光点是白矮星/中子星吗

白矮星,或者是即将成为白矮星。
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鬼星团 发表于 2021-7-29 21:55 来自手机 | 显示全部楼层 来自: 陕西省西安市 移动
韦佬 啥设备在您手里 都能玩 牛
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npg 发表于 2021-7-30 11:55 | 显示全部楼层 来自: 北京市 移动
也有一点问题,几千张的数据量对后期处理的设备要求就比较高了

点评

是的,如果是使用当下主流的千万像素深空CMOS相机,那确实对后期处理设备有点要求了。曾经处理过163M拍摄的M51,现用的I5本感觉很吃力。对于290c这种200万像素的相机,处理起来还是比较轻松的。  详情 回复 发表于 2021-7-30 12:59
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 楼主| weiguo1688 发表于 2021-7-30 12:59 | 显示全部楼层 来自: 广东省广州市 电信
npg 发表于 2021-7-30 11:55
也有一点问题,几千张的数据量对后期处理的设备要求就比较高了

是的,如果是使用当下主流的千万像素深空CMOS相机,那确实对后期处理设备有点要求了。曾经处理过163M拍摄的M51,现用的I5本感觉很吃力。对于290c这种200万像素的相机,处理起来还是比较轻松的。

点评

依照在科研天文台的工作經驗 , 曝光秒數太短容易受seeing影響 , 是建議單張至少5秒以上 , 但為了取得lucky image的優點 , 也不能太長秒數 .  详情 回复 发表于 2021-7-30 15:31
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Linqisheng 发表于 2021-7-30 15:31 | 显示全部楼层 来自: 台湾省 中华电信
weiguo1688 发表于 2021-7-30 12:59
是的,如果是使用当下主流的千万像素深空CMOS相机,那确实对后期处理设备有点要求了。曾经处理过163M拍摄 ...

依照在科研天文台的工作經驗 , 曝光秒數太短容易受seeing影響 , 是建議單張至少5秒以上 , 但為了取得lucky image的優點 , 也不能太長秒數 .  

点评

林老师所言极是。太短的曝光时间星点也会明显受到视宁度的影像,这个同行星摄影确实有区别。似乎是点源与面源的区别。  详情 回复 发表于 2021-7-30 15:54
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 楼主| weiguo1688 发表于 2021-7-30 15:54 | 显示全部楼层 来自: 广东省广州市 电信
Linqisheng 发表于 2021-7-30 15:31
依照在科研天文台的工作經驗 , 曝光秒數太短容易受seeing影響 , 是建議單張至少5秒以上 , 但為了取得luck ...

林老师所言极是。太短的曝光时间星点也会明显受到视宁度的影像,这个同行星摄影确实有区别。似乎是点源与面源的区别。
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zgz1988 发表于 2021-7-30 16:07 | 显示全部楼层 来自: 江苏省常州市 电信
太牛了
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 楼主| weiguo1688 发表于 2022-2-13 12:38 | 显示全部楼层 来自: 广东省广州市 电信
翻出这个去年的帖子,补充些图片上来。都是幸运成像拍摄的深空天体。单帧曝光在5~15秒,累计曝光在5~20小时。
M64-12200B4A.jpg
M64黑眼星系

M66a.jpg
M66旋涡星系

M104-42600D2a1.jpg
M104草帽星系

NGC5866.jpg
M102纺锤星系

M8.jpg
M8礁湖星云中心(沙漏星云)

M20.jpg
M20三裂星云

NGC40.jpg
行星状星云NGC40

M17_11000a4a_副本.jpg
M17欧米伽星云

M85_副本.jpg
M85椭圆星系

M94副本.jpg
M94旋涡星系

NGC2022_6.8H02_副本.jpg
行星状星云NGC2022

NGC4361_11H3_副本.jpg
行星状星云NGC4631

ngc7009.jpg
土星星云NGC7009

NGC7635.jpg
NGC7635气泡星云

ngc7662_A_副本.jpg
行星状星云NGC7662

Group1A3_副本_副本.jpg
猫眼星云NGC6543

M57C.jpg
环状星云M57
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 楼主| weiguo1688 发表于 2022-2-13 12:47 | 显示全部楼层 来自: 广东省广州市 电信
目前来看,幸运成像往往是器材性能受限而不得已采用的方法。所谓前期不足后期来补,幸运成像降低了器材的要求,前期拍摄也相对简单。但是后期处理费时费力。光是删除废片就非常耗时。所以,在器材允许的情况下,不太建议用幸运成像。还是老老实实调好赤道仪、认认真真导星。对于使用经纬仪或者导星精度不足的赤道仪,幸运成像可以用,但也就是浅尝辄止,体验一下深空摄影的不易罢了。
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youngler 发表于 2022-2-21 14:13 | 显示全部楼层 来自: 浙江省台州市 电信
单张时间短对相机要求高,5s 单张可以用 533 相机,摄影时间可以缩短为≈1h,720p

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不知道533这样的相机1小时的总曝光量能够达到怎样的信噪比。尤其是那些表面亮度在10等左右的目标,我用290c相机基本都要10小时左右才能有足够的信噪比。  详情 回复 发表于 2022-2-21 14:39
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 楼主| weiguo1688 发表于 2022-2-21 14:39 | 显示全部楼层 来自: 广东省广州市 电信
youngler 发表于 2022-2-21 14:13
单张时间短对相机要求高,5s 单张可以用 533 相机,摄影时间可以缩短为≈1h,720p ...

不知道533这样的相机1小时的总曝光量能够达到怎样的信噪比。尤其是那些表面亮度在10等左右的目标,我用290c相机基本都要10小时左右才能有足够的信噪比。
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youngler 发表于 2022-2-21 14:50 | 显示全部楼层 来自: 浙江省台州市 电信
本帖最后由 youngler 于 2022-2-23 08:51 编辑
weiguo1688 发表于 2022-2-21 14:39
不知道533这样的相机1小时的总曝光量能够达到怎样的信噪比。尤其是那些表面亮度在10等左右的目标,我用29 ...

  533 是制冷相机,根据厂家技术图,芯片最低温度 -20℃-10℃ 时候暗电流 0.0005e/s换算成 1h 热燥声仅 1.34e
  一个有用的结论,摄影时间正比于暗电流指标,n0²/t1 可以看作读出噪声折转成的暗电流分量。利用已有摄影案例,计算各相机 Id+n0²/t1 可以估算其他相机摄影时间。102APO+533CM27 需要 0.5h 作为参考例子。8SE+294C 像素比 p1=0.463102APO+533C 像素比 p2=0.537p1/p2=0.862,曝光时间需要 1.35 倍。294 等老款相机暗电流指标 Id+n0²/t1 = 0.4+0.144 = 0.544,暗电流总量 8 倍于 533 的指标,总共需要 10.8 倍时间才能获得相同的图片质量。8SE+294C 相机制冷拍 M27保证图片质量需要 5.4h 曝光时间
  卡镜短曝多叠玩深空有 2 个弱势,焦比是一个弱势,可以用 减焦镜、黑白相机 or 滤镜轮相机 弥补焦比弱势,
还有 10s 单张读出噪声增加了读出噪声还需要低噪声感光芯片、也需要制冷进一步降低热噪声和读出噪声。方方面面都做好了,玩深空也就是几分钟的事情。赤道仪 f7 533CM27 就是 30min,赤道仪 f7 QHY533M 滤镜轮相机玩 M27 理论上只需要 2min,但是 QHY533M 滤镜轮相机最近才出来新品预告。现有条件下只有 ASI533C 是深空利器,8SE+ASI533CM27 大约需要 1.5h

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按照这个参数是否可以提供实拍的样张可以参考一下?看看实际效果到底如何。  详情 回复 发表于 2022-2-27 23:36
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 楼主| weiguo1688 发表于 2022-2-27 23:36 | 显示全部楼层 来自: 广东省广州市 电信
youngler 发表于 2022-2-21 14:50
  533 是制冷相机,根据厂家技术图,芯片最低温度 -20℃,-10℃ 时候暗电流 0.0005e/s,换算成 1h 热燥 ...

按照这个参数是否可以提供实拍的样张可以参考一下?看看实际效果到底如何。
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youngler 发表于 2022-2-28 09:07 | 显示全部楼层 来自: 浙江省台州市 电信

                               
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FalseZ 102APO+533C 0.5h 拍的 M27

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看来533的低暗电流优势非常明显。新器材的出现也在不断改变传统的摄影方式。  详情 回复 发表于 2022-2-28 11:07
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