拍摄土星恩克缝

本文经刊登在第35期《台北星空》
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。

[ 本帖最后由 newcanon 于 2007-1-31 02:56 编辑 ]

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。
调光轴要选择在良好的大气条件下进行，而精准的光轴唯有在稳定的大气下才可达到。调光轴时应采用尽量高的倍率来检视星点，星点要调至圆盆状，而我们追求的是「完美对称」的影像。留意，如果你的赤道仪刚性足够，最理想是接上 Toucam，在计算机显示屏里调光轴。下面的两个图来自两段 AVI 短片（图十二，十三），在拍摄之前光轴都是精准的（看着目镜调），当然，笔者在调光轴和拍摄时都没有加上棱镜。

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。」

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