[天文摄影] 为何在高光害环境拍摄的深空影像背景是黑的?

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发表于 2022-1-25 17:43 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    这个问题已经看到很多次了,对于初入深空天体摄影的朋友,经常会觉得在高光害的城市环境下拍摄深空天体影像有点匪夷所思。事实上,在王维豪博士的《星野摄影》第二版中对这个问题有过详细的讲解。可能对于初学者来说不太容易理解。我想通过近年拍摄的一些影像以及后期处理的一些经验,尝试一下能不能把这个问题说得明白点。
    关于这个问题,我觉得换一个问法可能更好一点:在高光害的城市中也能够拍摄深空天体影像吗?光害等级的划分经常采用“波特尔暗空分类法(Bortle scale)”,将光害分为9个等级。1级最小,9级最大。一般中型城市的光害等级都在8到9级。例如广州这样的超级城市,内环以内基本都在9级,东南西北环城高速之内的区域也都在8级以上。
    回归到问题的本身,在8-9级光害环境下是否也可以拍摄深空天体?这在胶片时代是不可能的,胶片曝光无法区分光子来自光害还是来自目标天体。但在数字摄影时代这是可以做到的(说的可能有点夸张)。在光害环境下,相机接收到的光子=来自光害的光子+来自目标天体的光子。只要在后期处理的时候把来自光害的光子减去就可以获得黑暗的天空背景了。理论上这没有问题。只不过光害产生的背景天光本身是不均匀的,而且也不容易测量(业余条件下)。所以很难准确测量背景天光产生的光子有多少。简单的方法就是在后期处理的时候把影像中的背景天光“切掉”。这个“一刀切”的操作很简单,就是把图像“色阶”的低光滑块向右拖动。
    那是不是这个“一刀切”就能解决所有问题呢?还真不是。因为实际的情况要复杂得多。背景减多减少问题不大,无非就是背景天空亮一点还是暗一点。更糟糕的是那些来自天光的光子在相机传感器上曝光后还会遗留下很多我们不需要的东西——噪声。“一刀切”的方法充其量也只是把来自光害的光子减掉,而它们带来的噪声都原封不动地保留了下来。更重要的是,这些我们不需要的噪声是随着接收到的光害光子的增加而增加的。也就是说光害越严重,噪声就越多。
    那就找两张近年拍摄的图片来说明问题。我这里正好有两张在不同环境下拍摄的猎户座大星云fit原始数据(相机:QHY5III-183C)。图一是在8级光害环境的广州市荔湾区拍摄的FIT原始数据(MaxIm DL 中的截图,顺带了左上角的直方图)。曝光参数:GAIN(增益)=10,曝光:300s,望远镜:80mm/f6。
光害M42-01.jpg
     看了这张图片估计很多朋友会产生疑问:300s曝光在8级光害的市区,不应该是一片惨白吗?这是因为使用了较低的增益。比较类似单反相机使用了较低的ISO。不过单反相机即便使用ISO100,在广州市区这样的环境下300s估计也是一片惨白了。这就是天文相机的一个优势,可以随意设定增益,而不像单反相机那样只能使用厂家给定的设置。
    图二是在广东省仁化县丹霞山拍摄的的猎户座大星云FIT原始数据(同样是截图)。曝光参数:GAIN(增益)=20,曝光:300s,望远镜:80mm/f6。
无光害M42-01.jpg
     丹霞山地区位于粤北,与湖南省交界。这里的光害大约3-4级。单纯比较这两张图,可以看出光害小的地方背景天空确实暗很多。不过我还是想把这两张图片尽量归一化,看看它们之间到底存在哪些差别。由于图一拍摄时增益是图二的½,因此要给图一所有的像元乘以2。然后再把图一的背景光害“切掉”。于是就有了下面图三这张对比图。
比较1.jpg
    打眼一看,不得了,居然差别很小。貌似8级光害下拍摄的影像与3级光害下拍摄的效果没啥差别。这个合理吗?
    这个真要说道说道了。因为两张图片的曝光时间都是300s,而且又是相同的望远镜。显然两次曝光中接收到的来自天体目标的光子的数量基本相同(当然不可能完全相同)。所以把背景光害切掉后,相对于目标天体来说是相同曝光的影像。所以上面的图片看起来确实是差不多。没毛病!但这两张图片真的差别很小吗?好像不是。我们截取影像中相同区域放大来细看。图四中可以看出这两张影像的最大差别是噪声的多少。
比较2.jpg
    这就是我们在前面说的,光害虽然可以一刀切掉,但它带来的噪声却会毫发无损地保留了下来。应对的方法就是通过拍摄大量的影像来累积曝光时间,然后将这些影像叠加起来便可以提升信噪比。举例说,在3级光害下累积4小时的曝光所获得的影像信噪比,在8级光害环境下可能需要累积40小时的曝光才能达到。
   上面的展示的图片都是尚未校准和阶调拉伸的线性图像。按照正常的后期处理流程,还需要进行大幅度的非线性阶调拉伸。这样一来两幅影像看起来差别就会更大。
    这个问题其实还可以延伸一下。那就是如果我们白天来拍摄深空天体,是否可行?理论上说真的可以。无非就是把天光减去,剩下的不就是目标天体的影像咯。但实际上这并不可行。可以从两个方面来考虑问题。一是相机本身是会产生读出噪声的。这个噪声与曝光时间无关。无论曝光长短,只要一次曝光、读出数据,就会有读出噪声。另一方面由于天空是明亮的,必须使用很短的曝光时间和很小的光圈来限制进入相机的光子,否则相机传感器上的像元会饱和,拍出一片惨白的影像。当然这同时也限制了来自天体目标的光子。这会导致来自目标天体光子所产生的信号比读出噪声还要弱很多。同时大量来自天光的光子也会产生大量的噪声。这些噪声的共同作用,最终会将微弱的来自目标天体的信号完全淹没掉。
    所以说,在高光害的城市中拍摄深空天体,只能以“时间换空间”。当然这篇文章并不牵涉到“窄带摄影”。个别波长的窄带摄影确实受光害的影响比较小,在城市里也可以正常进行。​​​​

发表于 2022-1-25 17:53 来自手机 | 显示全部楼层
请教下大佬所说的噪声是什么意思,一刀切切掉的不是噪声吗

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广义上说,影像中的噪声就是那些在曝光过程中由感光器件(包括胶片)自身产生的、原本并不存在的信息。比较常见的例如影像中的噪点。数字影像传感器常见的噪声类型和产生机理,可以参见其他相关文章,一两句也不容易  详情 回复 发表于 2022-1-25 18:57
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发表于 2022-1-25 18:34 来自手机 | 显示全部楼层
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 楼主| 发表于 2022-1-25 18:57 | 显示全部楼层
Hamilton1992 发表于 2022-1-25 17:53
请教下大佬所说的噪声是什么意思,一刀切切掉的不是噪声吗

广义上说,影像中的噪声就是那些在曝光过程中由感光器件(包括胶片)自身产生的、原本并不存在的信息。比较常见的形态如影像中的噪点。数字影像传感器常见的噪声类型和产生机理,可以参见其他相关文章,一两句也不容易说清楚。在数字天文摄影中,提升信噪比常用的方法就是大量叠加。

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还有个问题要请教下大佬,是短曝多叠好,还是单张尽量长曝光好?  详情 回复 发表于 2022-1-25 19:25
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发表于 2022-1-25 19:25 来自手机 | 显示全部楼层
weiguo1688 发表于 2022-01-25 18:57
广义上说,影像中的噪声就是那些在曝光过程中由感光器件(包括胶片)自身产生的、原本并不存在的信息。比较常见的形态如影像中的噪点。数字影像传感器常见的噪声类型和产生机理,可以参见其他相关文章,一两句也不容易说清楚。在数字天文摄影中,提升信噪比常用的方法就是大量叠加。

还有个问题要请教下大佬,是短曝多叠好,还是单张尽量长曝光好?

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这个问题在王维豪博士的《星野摄影》第二版中也有非常详细的讲解。“短曝多叠”适用于读出噪声小、阱深小的天文相机,“长曝少叠”适用于读出噪声较大、阱深大的天文相机。一般来说CMOS传感器接近前者,而CCD传感器  详情 回复 发表于 2022-1-25 19:37
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 楼主| 发表于 2022-1-25 19:37 | 显示全部楼层
Hamilton1992 发表于 2022-1-25 19:25
还有个问题要请教下大佬,是短曝多叠好,还是单张尽量长曝光好?

这个问题在王维豪博士的《星野摄影》第二版中也有非常详细的讲解。“短曝多叠”适用于读出噪声小、阱深小的天文相机,“长曝少叠”适用于读出噪声较大、阱深大的天文相机。一般来说CMOS传感器接近前者,而CCD传感器接近后者。具体如何去权衡,或者说如何计算哪种方式更加合理,可以参考一下《星野摄影》。
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发表于 2022-1-25 23:06 | 显示全部楼层
老师,请问如果在城市里拍摄深空天体,用cmos传感器(asi2600)开bin2会不会在信噪比方面有所帮助?

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BIN2是可以提升信噪比的。  详情 回复 发表于 2022-1-25 23:35
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 楼主| 发表于 2022-1-25 23:35 | 显示全部楼层
地球小蓝 发表于 2022-1-25 23:06
老师,请问如果在城市里拍摄深空天体,用cmos传感器(asi2600)开bin2会不会在信噪比方面有所帮助? ...

BIN2是可以提升信噪比的。

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谢谢  详情 回复 发表于 2022-1-26 10:12
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发表于 2022-1-26 09:32 | 显示全部楼层
这个光害产生的噪点是不是就是伪噪了?高光害地区拍摄导致图像信噪比低

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光害曝光产生的噪声与目标天体曝光产生的噪声本质上没有区别,都是量子噪声。需要说明的是我们关心的是信噪比的高低而不是噪声的多少。目标天体曝光产生的量子噪声可以通过叠加来提高信噪比。而光害曝光带来的量子噪  详情 回复 发表于 2022-1-26 15:40
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发表于 2022-1-26 10:12 | 显示全部楼层
weiguo1688 发表于 2022-1-25 23:35
BIN2是可以提升信噪比的。

谢谢
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发表于 2022-1-26 11:52 来自手机 | 显示全部楼层
好帖,明白了一些东西。
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发表于 2022-1-26 12:36 来自手机 | 显示全部楼层
看来没钱买导星的人有希望了
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 楼主| 发表于 2022-1-26 15:40 | 显示全部楼层
氵同氵同 发表于 2022-1-26 09:32
这个光害产生的噪点是不是就是伪噪了?高光害地区拍摄导致图像信噪比低

光害曝光产生的噪声与目标天体曝光产生的噪声本质上没有区别,都是量子噪声。需要说明的是我们关心的是信噪比的高低而不是噪声的多少。目标天体曝光产生的量子噪声可以通过叠加来提高信噪比。而光害曝光带来的量子噪声由于我们把光害切掉,只剩下噪声。这相当于把信号删除而只保留了噪声,等于降低了信噪比。
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发表于 2022-2-6 10:44 来自手机 | 显示全部楼层
谢谢分享!
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