[天文摄影] 空间站摄影系列零基础教程【3】空间站凌日月的拍摄

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旋风RDX 发表于 2023-1-20 14:17 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 旋风RDX 于 2023-1-20 14:33 编辑

拼接封面.jpg
       前文提过,空间站过境在正午和午夜时,是难以被直接观测到的。但是,太阳和月亮在天空中提供了一个明亮的“背景板”,让空间站悄声无息的过境能得以显形。
一、拍摄时间和地点的选择
       即使是空间站凌日和凌月,空间站的距离与高度角的关系也与前文讨论的类似:更高的观测角度意味着更近的距离,空间站的剪影尺寸也就更大,更容易拍到细节。但是,空间站凌日月不仅要考虑空间站的高度,“背景板”太阳和月亮的高度才是决定性的。因此,如果我们通过天文通搜索最近的空间站凌日月预报,我们会发现纵使机会不少,但是能以较高角度发生的凌日月是很难得的。更难得的是尽管这样的凌日月可能在我们的常用观测点附近几十公里发生,但是时间和空间都很难匹配到各拍摄者的出动窗口。(大型设备运输困难、工作日无法抽身等)
       空间站摄影师需要明白:拍摄空间站凌日月,与简单的过境观测相比,需要更强的机动性和更加充足的准备。因为它在时间和空间上是高度专一的。
       在时间上:常见的空间站凌日月总时长在一秒以内,必须提前掐表触发拍摄,可能几天的计划最后浓缩在半秒之内,只允许一次成功。如果是第一次进行远距离的“追”凌日月,一定要提前预留非常充足的设备调试时间。因为长焦寻找太阳非常慢,难度也很高;设备装配、电脑启动和稳定工作、精确对焦、相机调整和参数设置都需要消耗大量时间;望远镜热平衡也十分重要,不能赶最后的半小时紧张部署。即使所有的调整已经完成,也最好预留五分钟等待时间进行最后的检查。
       在空间上:每次凌日月都有一条“中轴线”和两侧的“可见区”;越靠近中轴线的地方,空间站飞过就越是正中日月的“靶心”,即完美穿心。而在中轴线两侧的地区,越远离中轴线空间站就会越在日月边缘经过。中轴线两侧的可见区宽度不大,一般仅为数公里。另外,并不是中轴线观测永远是最优解,考虑凌月的月相特征情形下,也许在两侧区域观测也有独特的优势。在寻找合适的观测点时,为了保证和模拟地图的精确匹配,可以挑选地图上与中轴线最接近的地标性位置。
中心线对比.JPG

                               
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图1 空间站凌日中心线与两侧的区别
       除了常规的空间站凌日月,对于凌月来说还有一种特殊的区别称为“亮凌”和“暗凌”。第一节中曾讨论过空间站过境的出地影现象,是经过晨昏线附近才会产生的。因此,在凌晨和傍晚时分,就可能会发生一种更加罕见的凌月现象:空间站亮凌月:它并不是以剪影的方式经过的,甚至可能比月面还要亮!对此,还有一个有趣的事实是空间站亮凌月从来不会在满月时发生,大多都是在弦月和峨眉月状态下发生的。请读者自行思考原因(提示:画出空间站亮凌月时,地、月、日和空间站四者的相对位置示意图)。
CSS 亮凌月.jpg


                               
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图2 中国空间站亮凌月 作者:郭辰洋
二、拍摄规划与主镜
       要进一步讨论空间站凌日月的拍摄,首先要明白自己的可用设备情况。对于光学成像设备望远镜或长焦镜头来说,焦距越长能拍到的细节显然越多;同时,口径也非常重要。考虑到空间站的典型尺寸在几十角秒左右,大口径和小口径的拍摄策略不尽相同,兵分两路:
      1. 凌日月轨迹全貌的拍摄:低于6寸的口径大部分情况(折反如127slt例外)焦距也不长,适合搭配大画幅相机拍摄凌日月的全貌,因为它有更大的视野。典型案例是102apo、长焦单反镜头等。但是,这样的口径和焦距下拍摄到的空间站剪影可能只有几个像素(尤其是中国空间站尺寸较小),天气条件较差时甚至难以分辨形状,仅是一个小黑点飞过。更低的口径如70-80mm左右更适合拍摄国际空间站这种尺寸较大目标的高角度凌日月。
穿越满月.jpg


                               
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图3 国际空间站凌月全貌作者:郭辰洋 设备:107apo+ASI174mm
      2. 局部特写的拍摄:高于6寸,尤其是8寸以上的镜子很难使用相机将日月面完全包揽,这时如果使用大画幅相机,拍摄时数据量太大一般连拍速度很慢(后文详细讨论相机选择),与其去随机碰运气拍不到几张剪影,不如转战小画幅高像素密度的相机,尝试凌日月局部特写的拍摄。
iss06042.jpg


                               
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图4 国际空间站凌日特写作者:郭辰洋 设备:信达小黑+ASI224mc
      如果是多人联合出摊观测,可以支设一台特写拍摄设备和一台全貌拍摄设备,最后组合出图,则可以兼顾细节和全貌;如果只有特写设备,可以在凌日月拍摄完成后立刻进行马赛克拼接拍摄,补全日月面。(但是剪影轨迹可能不完整)。
      局部特写在取景时,常会遭遇空间站究竟从哪里经过的疑问。凌月时,可以观察月相,同时辅以星图模拟软件对比天文通的凌月预报来利用月面细节确定空间站的过境方向。如果是峨眉月,可以适当调整拍摄地点,使空间站轨迹与“月牙尖”重合,更加方便空间站经过轨迹的准确定位。但是若是凌日的拍摄,一般应尽量选择在中心线上观测,然后用望远镜对准日面中心可以达到极高的命中率。若条件不允许在中心线上观测,则利用望远镜赤道仪的赤经赤纬高速摆动测试,旋转相机使视野中的太阳能在水平和垂直方向移动,再结合凌日预报图和星图模拟(StarWalk2和Stellarium都有人造卫星库)进行凌日方向的预估。注意一些望远镜存在倒像(如牛反上下左右倒像,折反左右倒像上下正像)需要特别留意。可以帮助你判断凌日方向的另一个参考是空间站自西向东运动,可以作为一个实际环境方向的参考。
      注:Stellarium需要在设置-插件-人造卫星-上选项卡“人造卫星”-左栏下面的+号按钮中搜索空间站,才能较好地定位和显示空间站位置。
天文通与StarWalk2对比.JPG
Stellarium.JPG

                               
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图5 空间站方向的判断(天文通、StarWalk2和Stellarium的同一次过境模拟)
      WARNING:拍摄空间站凌日时,要确保使用合适的减光措施以避免望远镜损坏甚至人身伤害!一般来说,拍摄空间站凌日需要使用巴德膜,并且要求巴德膜必须完整无损,有任何细微穿孔破损的巴德膜禁止使用!除了巴德膜,还有一些拍摄日面的方法如赫歇尔棱镜、日珥镜或者Quark滤波器,使用任何附件均要在保证安全的情况下进行拍摄。
三、拍摄相机的选择
       对于相机的选择,由于凌日月在时间上的瞬时性,必须使用尽量写入速度越快越好的相机。首选专为高速摄影设计的天文用行星相机,其最高写入速度能超过300MB/s;除此之外,此类行星相机的优势在于较小的像元大小(2~3um),意味着极高的像素密度,能尽量压榨设备的光学采样极限,对于拍摄极小的空间站细节十分有利。最后最大的优势则是其低廉的价格,行星相机的价格仅在几千元,远低于普及化的高性能单反、微单相机。
特写模拟.png

                               
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图6 廉价特写组合模拟:信达150/ 750 + 行星相机ASI290mc
(每像素0.8”,20”左右的中国空间站能拍到25像素,足够分辨太阳能板等细节)
       另一种选择是使用传统的单反/微单相机。这类相机画幅较大,适合凌日月全貌的拍摄;但是,必须使用匹配的长焦镜头或望远镜才能使日月的分辨率更高,不浪费其画幅、达到尽量高的分辨率。同时,高分辨率下必须能维持高连拍速度,这样顶配的相机一般是索尼的A7R3、佳能R6等。但是其连拍速度有上限(10~20fps),远不及行星相机(100fps)。
全貌模拟.png

                               
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图7 顶配级全貌模拟:星特朗C8HD+SONY A7R3
(达到每像素0.4”,分辨率不输特写组合)
       深空摄影使用的大画幅冷冻相机一般不适合此类拍摄,其连拍写入速度太低(全画幅及C画幅低于10fps)不敌单反无反;像素密度不及行星相机拍摄清晰度不足。非特殊情况不考虑使用此类相机拍摄空间站凌日月。
       使用行星相机时,还有一个重要的考虑因素是全局快门和滚动快门。目前全局快门的行星相机典型代表是IMX174芯片的ASI174mm、QHY174M等,其余相机基本是滚动快门。全局快门相机拍摄时,全部像素一次性感光读出;而滚动快门拍摄时,是逐行感光读出的。在逐行读出的时间差内图像若发生变化,则会产生扭曲和变形,这也被称作“果冻效应”。理论上,空间站凌日月速度极快属于超快时域摄影,应当使用全局快门相机最佳,IMX174芯片的相机是常客。但是,应当指出的是,在实际的拍摄实践中,暂未见滚动快门相机出现严重变形失真,因此也可以使用滚动快门相机拍摄空间站凌日月。
果冻效应.jpg


                               
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图8 拍摄高速旋转的风扇时,左侧全局快门正常,右侧滚动快门会导致“果冻效应”

四、拍摄参数的选择
      1. 快门速度:经验表明,空间站凌日月速度极快,以40’/s的运动速度,20”的空间站成像25像素为例,不拖影超过一像素时,快门速度最大为20”/25/(40*60”/s)=0.3ms。每次过境时,可以根据自己的设备组合(Stellarium模拟)和实际过境速度(天文通预报)来计算最佳的快门速度。一般最常使用的参数为0.1~0.5ms,若使用短焦和大像素的摄影组合,则快门速度可以适当放宽。
拉垮的凌月.jpg

                               
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图9 不合理的快门速度导致的空间站拖影 作者:郭辰洋
       2. 增益/ISO:主要由快门速度和日月面的亮度决定。在剪影凌日月时,亮度不会超过日月面,因此应调整iso或增益使日月面正确曝光即可。
       3. 对焦:在空间站凌月时,焦点可利用月面特征进行调整;但是空间站凌日时,需要尽量利用太阳黑子进行对焦。太阳活动不活跃时表面缺少黑子,此事对焦较为困难,只能利用日面边缘进行对焦。应当注意的是,尤其是在正午凌日时,镜头温度变化较大,应在凌日发生的最后5-10分钟重新检查对焦,防止由于温度升高导致的焦点偏移。
       4. 白平衡校准:彩色相机会遇到白平衡问题,应提前尽量使用白光光源对相机的白平衡进行软件内校准,有利于减少后期的调整难度,增大后期空间。
       5. 减少丢帧:由于行星相机拍摄凌日月快门速度远高于极限帧率、电子快门而非机械快门、数据传输速度有波动并不稳定等原因,实际拍摄时摄影师常遭遇丢帧现象。即空间站在画面中并不是等距分布,会有一部分图像帧丢失未被记录。即使是全局快门的ASI 174mm也报告了类似的现象频发。
凌日终图NAAA RDX.jpg

                               
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图10 多因素造成的行星相机丢帧(ASI 290mc)
     丢帧应尽量减少,难以难以彻底解决,本文提出一些尽量减少丢帧的经验:
1)如果是彩色相机,记录原始数据,可以减少转色造成的CPU负担、也缩小了需要记录文件大小,提高了理论最高帧率。建议提前测试同条件下不同的拍摄软件如ASICAP和SharpCap 的最高写入帧率何者最高。另由郭辰洋大佬的经验表明,使用可调USB带宽的相机时,拍摄软件中不要把带宽拉满,略低于最大带宽能改善丢帧现象。
2)对于电脑的硬件上也要尽量进行升级,选择较新的笔记本电脑,避免使用老旧的笔记本,其USB口可能天生带宽不足;硬盘使用固态,NVME协议最佳;注意预留100~150GB空间。选择高质量、长度适中的USB3.0线,避免廉价低质量产品,USB线过长也会损失带宽。
3)尽量使用有缓存的行星相机,如QHY,头号玩家的相机等
4)尽量避免设备的过冷与过热所导致的带宽损失。正午空间站凌日时需要特别注意过热问题,一定要使用遮阳伞对相机设备和电脑进行保护(同时,白天环境亮度太高,若无遮阳措施笔记本的屏幕会不够明亮,难以看清屏幕,更难以准确对焦);午夜凌月也要避免电脑久置于低温环境下导致电池功率不足。
遮阳.jpg

                               
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图11 日光下推荐使用电脑遮阳措施(遮阳产品一例,非广告)

五、凌日月作品信息统计
      本文作者统计了截至2023年1月17日在巡星客平台上发布的空间站凌日月作品共65张的详细信息,分类统计了爱好者们在两年中拍摄此类作品的倾向,以期望对未来的作品起指导作用。
      1. 全貌和特写的选择:全貌作品46幅,占比70%;特写作品19幅,占比30%(包括空间站凌行星),期待未来出现更多空间站凌日月的特写作品。
      2. 凌月33幅,凌日28幅,在日月目标的选择上基本概率平均,无显著倾向。
      3. ISS目标40幅,CSS目标25幅,ISS显著更受摄影师欢迎,但是随着时间发展和中国空间站的建成,CSS作为主体的频率呈现上升趋势(2021年9月前仅有ISS作品;2022年9月后16幅CSS作品,10幅ISS作品)。
      4. 行星相机作品47幅,单反及无反相机作品18幅,行星相机具有显著优势;其中ASI585mc出现7次,IMX174芯片相机出现12次,IMX290芯片相机出现11次,这些相机在统计中较受欢迎。
      5. 牛顿反射镜出现9次,单反镜头出现10次,apo望远镜出现31次,长焦折反望远镜出现13次,折射望远镜以其便携性取得显著优势,但其作品中空间站清晰度大多较低。
excel统计.png


                               
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图12 凌日月作品在巡星客平台上的统计
(注:排名为时间倒序,清晰度为主观评判,仅供参考)

六、空间站凌日月的后期处理
       当我们成功拍摄到空间站凌日月的高质量素材后,首先使用pipp进行转色、拆帧,选出拍到空间站的几帧后,可以将这些帧放入ps,全选图层转化为一个智能对象后,进行“最小值叠加”(剪影凌日月)即可获得所有空间站剪影的叠加轨迹。
ps设置.png


                               
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图13 PS中的最小值堆栈
       但仅几十帧进行最小值叠加,获得的日月面背景信噪比会较低,应该使用无空间站出现的帧进行日月面基本的叠加和锐化,以提升信噪比。这也同时说明了不能只录到空间站过境的几秒就收摊,应顺势多拍摄一些日月面背景的素材。对于日面来说,借此可以得到更清晰的太阳黑子(或是日珥镜下的日面Ha波段细节);对于月面来说,可以得到更清晰的环形山,甚至可以做“彩色月亮”的饱和度强化。
       如果遇到空间站亮凌月,可以使用最大值叠加或探索其他方法;最困难的处理是涉及亮凌月时空间站明暗的处理,以及空间站和背景交界处的信噪比突变带来的不自然感。目前仍待爱好者们探索空间站凌日月的新型后期手段。
信噪比不匹配.png


                               
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图14 亮凌月背景和空间站信噪比难以匹配一例 作者:郭辰洋
七、特殊空间站凌摄影简介
       除了空间站凌日月外,思路还可以进行进一步的拓展。在空间站凌日月的拍摄中,日月面的作用其实是充当一个天空中易于寻找的固定坐标。类似地,一些易于寻找的行星和明亮恒星,也可以挑战空间站凌的拍摄。但是,此类目标面积太小,想要和空间站完美相遇,地面观测的误差必须在几米之内。天文通中就有“空间站凌木星”“空间站凌土星”以及其他行星和亮恒星如天狼星、织女星等的相应预报栏目。
       该类特殊空间站凌摄影,首先要考虑命中率。考虑到轨道精度、预报精度、大气折射等复杂因素的影响,目前还难以准确获得能准确命中的观测预报。因此,是否命中只能靠运气。在理想中,还有一种解决方案是布置一排望远镜沿垂直于中心线的方向同时观测,以提高命中精度。只有一台望远镜的情况下,就只能多尝试,来靠运气命中。
       除此以外,空间站凌行星必须注意曝光参数的设置。在凌日月时,日月面的亮度极高,因此为了保证日月面不过曝的曝光时间(<1ms)足以匹配空间站的运动速度而不拖影;但是凌行星时,行星摄影时要保证增益适中,常用的曝光时间是10-20ms,在此条件下空间站必定拖影。所以,必须改变行星摄影习惯,把曝光时间调到<1ms(或者用前文凌日月中的计算方法准确估计合适曝光时间),同时用较高的增益才能保证行星可见。最终拍摄采用的增益也有一定的运气成分,因为空间站凌行星发生前是无法准确预估其亮度的,因此只能用行星的亮度和空间站亮度预报对比,最终使用行星的曝光情况来预估合适增益。
       空间站凌恒星时,相对凌行星来说,精确对焦较为困难。若使用牛反,可以将曝光调高以使亮星的十字星芒可见。牛反的星芒类似于鱼骨板,当不准确对焦时,高倍下可看出星芒分叉重影,是重要的合焦参考。若使用折射镜或折反镜,则建议使用鱼骨板进行辅助对焦,防止最终因对焦不准确而错过了一张完美作品的诞生。空间站凌恒星如果近一步拓展,其实就是下一节的“守株待兔法”空间站摄影。所以,不同的摄影思路之间都有相通之处。
凌木星.JPG


                               
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图15 空间站凌木星时不佳和正确的曝光结果  作者:郭辰洋
       文章内容仅代表个人理解和经验,可能有一些部分的内容有误尽请指正,也欢迎更多对空间站摄影感兴趣的朋友们讨论和分享自己的经验。
       本文特别鸣谢空间站凌日月的大佬摄影师@郭辰洋 提供了大量作品作为图片素材(封面图为其作品合集)。
       本文作者@RDX,版权所有未经许可禁止转载,您的分享传播是我更新的动力,谢谢!


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xinghai 发表于 2023-1-21 01:10 | 显示全部楼层
感谢楼主分享!学习了!  
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jp1969 发表于 2023-1-21 09:12 | 显示全部楼层
好文,学习
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