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现在时间: 2017年10月24日 15:54:05
天文图像处理全指南(3):深空天体基础技术

(2012年07月24日 00:04:53)
来源:Karajin 星空下

□作者: Karajin

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天文图像处理全指南,是BBC的天文杂志Sky at Night策划的大作,全文分四期刊登于2012年1月~4月刊上。四期的主题分别是:

第一部分:太阳系-基础技术

第二部分:太阳系-进阶技术

第三部分:深空天体-基础技术

第四部分:深空天体-进阶技术

翻译:Karajin   [仅供学习和交流,转载请注明出处:www.karajin.com]

第三部分:深空天体-基础技术

在这部分里你会学到:

>去除光污染

>直方图

>处理颜色

>增强技术

第三部分将跳出太阳系,开始介绍深空天体的处理方法。用到的软件和工具,也和前两部分处理月亮、行星和太阳时有所不同。

深空天体照片往往通过长时间曝光得到,处理起来可不是这么简单。光污染常常在照片上形成一种橘红色的背景污染。这部分中将会讲到怎么去除光污染造成的这种背景,还会讲到如何榨取出图像中的每一丝细节。

本文还会介绍一些技术,能让你的彩色图像更清晰锐利、缩短拍摄的时间,还有如何方便地用直方图检视一幅图像。了解直方图是找到图像中隐藏的细节的关键。

我们还会讨论图像的锐化,如何锐化需要锐化的部分,而保持其他部分不变。最后,再学习下怎样用图层蒙版合成不同曝光量的照片。

重要的软件

Photoshop:Photoshop一直是市场上最好的图形编辑软件,但是价格昂贵。如果你买不起,也可以使用精简版的Photoshop Elements,功能也足够用了。对于天朝公民来说,你可以无视这话。

GIMP:是“GNU图像控制程序”的缩写,也是一款以图层为基础的强大的编辑器。和上面两款不同的是它是免费的,从www.gimp.org上可以下载,支持各种操作系统,还有大量的插件库。

天文图像处理软件:很多天文图像处理软件都好用,比如功能强大的Maxim DL, Astroart和ImagesPlus,还有免费的IRIS等。

去除光污染

星空只在完全黑暗的条件下才最美,而这种条件正离我们越来越远。街灯,建筑物灯,车灯,探照灯都是光污染的来源,这些光污染毁了城市的星空。长时间曝光的星空,都会呈现一种发红的色调,这是灯光被大气中的尘埃反射的结果。

有这么几种方法,可以避免光污染:用单色CCD加窄带滤光片拍摄,或者单反加光害滤镜。如果没有滤镜,还可以在图像处理时来改善图像。

第一步:这幅图显示出光污染造成的典型特征——橙棕色的亮度渐变。

第二步:如果图像中没有那种梯度渐变的现象,就简单一些。打开色阶,选红色通道,把中间调节滑块向右滑动,直到呈现一点点绿色。

第三步:再选绿色通道,将中间滑块向右滑,直到天空背景再次变黑,没有明显的红色和绿色。

第四步:如果你的图像明显有梯度渐变,就复制图层,这时两个图层有相同的图像。

第五步:在上面的图层中,选择滤镜/杂色/蒙尘与划痕,设置半径值为100,阈值为0。这是,一切细节都看不到了。

第六步:将此图层的混合模式改为“差值”,再适当调整一下曲线,最后合并图层。

直方图

在处理图像的过程中,你总会遇到直方图。直方图在处理图像上是非常有用的,它描述的是图像中每种亮度值的像素数。横轴是亮度,黑在左,白在右。图像中所有的亮度值,都按顺序排列在横轴上。纵轴是像素的数量,由于亮度值很多,因此各种亮度的像素值紧密地排列在一起,呈现出一些趋势,像起伏的山一样。而某一种亮度的绝对像素数并不重要。

直方图也提供了图像的很多内容信息。比如一幅图像是黑色背景中的很多星像,直方图就会在最左侧有一个高峰,这是天空背景的信息。

相机拍摄图像的灰度数量,是有bit数给出的,bit数越高,灰度的数量就越多。所以像很多CCD相机拥有较高的bit数,灰度数量能达到成千上万。这并不罕见,对于这种图像,在普通的处理软件中打开时,直方图几乎全部在黑色一端。下面就用直方图展开技术把隐藏在黑色中的图像显示出来。

亮度和对比度展开

增加亮度会使图像直方图向右移动。移动过多时,会使亮的像素达到最大值,就是纯白色。如果这时你点了确定键,那这些白色像素就不可恢复了。

同样,如果将亮度降低,直到直方图向左移动到头,就有像素变成了纯黑色,在深空天体照片中,纯黑色的背景看起来可能不自然。所以应该避免这种情况。

图像中亮度的分布,也就是直方图中那个“主峰”,定义了图像整体的对比度。一幅对比度差的图像,直方图的“主峰”就窄,调节对比度,就是在使这个“峰”展开变宽。

色阶

色阶工具直接在直方图上调整,有三个滑块可调。仔细观察直方图可以确定哪里需要调整。理想情况下,黑色滑块应该正好在直方图开始升起之前,白色滑块在直方图完全落下去之后。此时拥有最佳的对比度。

中间滑块定义的是图像亮度的中值,通过调这个滑块你可以改变图像的亮度,而不会有像素达到极值。

色阶工具对于提取暗弱的细节非常有用,但它也有局限,就是它是一种线性的调整。这就意味着,你不能只改变某些特定的亮度,而保持其他亮度不变。

曲线

曲线工具是功能更强大的色阶。在色阶工具里只有一个中间滑块,而曲线则提供理论上无穷多个中间滑块,也就是一种非线性调整。这就可以只针对某一些亮度来调整了。

使用起来很简单,曲线开始时是一条45度的直线,一般情况下,横轴表示要调整的亮度,纵轴表示将原来的亮度值调到什么高度,也就是曲线的轮廓。默认的45度直线,说明要调的亮度和要调到的目标是一样的。在曲线上添加调节点,再拉动调节点,就可以重新定义曲线的形状。

曲线应该是平滑的,并且要避免曲线达到最顶端或底端,这意味着有像素变成了纯白货纯黑色了。

数字冲印

从图像中提取细节的过程就像从胶片中冲印照片一样。这称作数字冲印过程(DDP)。DDP中的一个重要部分就是非线性直方图展开。

DDP在专业天文图像处理程序能够找到,它可以手动调整直方图的某一部分,而保持其他部分不动。这在很多时候很有用,比如你想增强星系或者星云中暗弱细微的结构,而不让其他亮的部分变的更亮。

不同的软件中,实现DDP的方式不同。在Maxim DL中(下图),DDP是USM和gamma展开的结合。后者能够增强图像的亮部或暗部。

处理颜色——单色摄影省时法

很多相机都能用来拍摄深空天体,单反相机和制冷CCD都能直接拍摄彩色照片,但我们更希望使用单色天文CCD,尽管要拍出彩色照片要换不同的滤光片,因此拍摄时间也大大延长了。

这样做的好处是你能在图像的空间细节中分离出颜色信息,从而可以随意增强某一种颜色的细节。图像的空间细节由亮度(L)信息决定,可以用L滤镜拍摄得到,颜色信息有RGB三色滤镜拍摄得到。这三色图像不如L图像重要,它们并不提升图像细节的质量。听起来很奇怪是吗?事实确实如此,如果你有一个非常好的L图像,那么三色图像甚至可以是模糊的都没关系。

上图:只要L图像清晰,RGB图像模糊不会对图像有任何影响

要使用CCD拍摄L图像,需要把分辨率设为最高,保证能拍到最好的细节。拍摄RGB三色图像时,为了达到和L图像相当的曝光量,理想情况下曝光时间应该是L图像的三倍。因为每个颜色的滤镜只透过三分之一的光线。

但由于三色图像的分辨率并不重要,所以你可以使用CCD的像素组合(binning)功能来提升相机的灵敏度,从而缩短拍摄时间。设置3×3像素的binning,则每3×3个像素和成为一个大像素,这样相机的灵敏度就提高了9倍,同时分辨率变为原来九分之一。所以使用binning之后,每种颜色图像拍摄时间就变成了L图像的三分之一,而结果和你原来曝光三倍于L图像是一样的。

步骤:

第一步,假设你已经有处理好的L、R、G、B四张图像。如果你使用了binning方法拍摄了三色图像,你需要增大图像的尺寸,和L图像相同。如果你是用的2×2 binning,就把图像扩大到200%,如果使用的3×3 binning,就扩到到300%。

第二步,创建一个RGB图像,尺寸和L图像相同,把LRGB四张图像粘贴到不同的图层里,给图层命名防止搞错。隐藏上面两个图层,降下面两个图层对齐。

第三步,重复上步,将上面两个图层也对齐。

第四步,再新建一个RGB图像,将刚才的R图层粘贴到新图像的红色通道里。同样把G、B图层也粘贴到相应的通道里。将这张全彩色的图像(图层)复制,粘贴回原来的图像里。

第五步,把L图层移动到RGB图层上面,图层混合模式设为“明度”。调整饱和度、色阶和曲线,调到满意为止。如果RGB图层有噪声影响了视觉,可以做一下弱的高斯模糊。

第六步,L图层也可以调整一下对比度、亮度、色阶和曲线,还可以锐化一下来增强细节。最重要的是保证这一图层的高质量。所以有必要先复制这个图层并隐藏,做备份。

颜色调整技术

添加Hα信息

要把Hα滤镜拍摄的图像添加到RGB图像里增强Hα细节,在上面六步的基础上,复制R图层放在最上层,设置不透明度到30-50%,再把这个图层和L图层都替换成Hα图像。

红色增强

打开一幅RGB图像,将红色通道复制并粘贴到一个新的图层。打开菜单图像–调整–色相/饱和度,勾选“着色”,色相设为0,饱和度设到50-70,完成后设置图层混合模式为“变亮”,在调整不透明度,到满意为止。

替换颜色

颜替换色工具可以解决紫边的问题,打开替换颜色选项,用取色器选取紫边的颜色,缩略图的下面选择“选区”,增大容差,直到显示出紫边的形状。将替换的颜色选为黑色,再微调饱和度和亮度,直到紫边消失为止。

调节整体颜色平衡

色彩平衡工具工具可以调节图像整体色彩。色彩平衡调节的是三个区域——阴影、中间调、高光的色阶。比如你的图像背景太暗,则选择“阴影”,然后调节三种颜色的滑块。

深空天体增强技术

典型的深空天体照片既包括深空目标又有很多恒星。当然要是拍球状星团或者疏散星团,就差不多只有恒星了。

处理恒星的照片会遇到一些问题,一颗恒星是一个点源,但由于地球大气的影响,照片上的星都是一个圆斑。圆斑的直径正比于星的亮度,边缘不是很明确。

难度在于当你对深空天体,比如星云或星系做处理时,如何使恒星不受影响。USM锐化是常用的锐化手段,原理是提高亮暗区域的对比度。但它会使恒星周围出现黑圈,过度的锐化会使恒星看起来很突兀。

一种方法是把恒星选中,然后反选,对其他区域做处理。把每一颗星都选中,会不会很难?不用怕,有几种方法可以做到,并不像想象般难。最简单的方法是使用色彩范围选择工具(选择—色彩范围),然后选取一颗亮星的中间,应该是白色的。改变颜色容差,就能改变选择范围的大小。点确定,是不是所有的星都选上了?

然后,扩展选区(选择—修改—扩展)2-5像素,然后做2个像素的羽化(选择—调整边缘—羽化)。反选,就可以对你的深空天体做锐化了。

选择完恒星后,有可能出现一种情况。比如大部分恒星都曝光过度了,它们中心是白色的。仔细看星的周围是有颜色的,那是恒星本来的颜色。如果这样的话,就复制原图的图层,用同样的方法将星选中,然后将上层模糊,周围的颜色就扩散到星的中间。将上层的图层混合模式设为“颜色”,饱和度设高,就可以将星的本来颜色还原回来。做这些时确保恒星的选区是始终选中的。

上图:选择每一颗恒星听起来难,实际上很简单;恒星过曝时,还可以把恒星本来的颜色还原出来

图层蒙版

上面介绍了怎么选择恒星,如果深空目标本身的某一部分需要单独处理怎么办呢?

最好的例子就是著名的猎户座大星云,一个亮度范围很大的天体,它的中心很亮,而周围很暗。如果你使中心曝光正确,那么周围的结构根本拍不到,相反,拍到周围的结构时,中心就过曝饱和了。

一种解决办法,是曝光两次,一次使中心曝光正确,一次使外围曝光正确。用图层蒙版技术合成在一起。就能使星云的中心和外围细节都完美展现。

第一步,假设你已经有两张分别对中心和外围曝光正确的照片。将两张照片粘贴到两个图层中。

第二步,将外围曝光正确的一张作为上层。调整位置,使两层对齐。

第三步,选择上层中心过曝的区域。大概选中就可以,不需要太精确地找到过曝的边缘。

第四步,按住alt键,点击“添加图层蒙版”图标,为上层创建图层蒙版。

第五步,点击图层中显示的蒙板,做一次较强的高斯模糊,使边缘渐变。

第六步,点击图层,预览全图,调整两个图层的色阶和曲线,使图像看上去自然即可。



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文章作者:Karajin
责任编辑:skylook

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