□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]
在这部分里你会学到：
>多层亮度图层
>图像校正
>恒星处理技术
>窄带摄影
在最后一部分中我们介绍一些处理深空天体照片的高级技术。首先介绍一种称为多层亮度图层的技术，可以处理多种颜色和提取细节。
拍摄深空天体的设备有很多优点不提，但主要的问题之一就是噪声。所以我们会讨论图像校正技术。这个名词是一些列操作的总称，可以降低光学上的各种缺陷和数字噪声的影响。校正技术是深空图像处理中较复杂的部分，但我们将教你怎样简单又高效地掌握。然后我们再介绍一下恒星的处理技术，恒星的处理是检验你的光学质量、赤道仪甚至处理技术的良好标杆。如果有哪一项不好，你的图像中星的形状也就不好。幸运的是有一些方法能够修复较差的恒星形状，我们会介绍集中最常用的方法。最后，我们再看看窄带摄影，这是一种惊艳的、高级的、颠覆深空天体印象的技术。
不管你对深空天体摄影的兴趣如何，我们希望你能从其中学到感兴趣的东西并改进你的图像处理技术。
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。
DeepSkyStacker：如果你对图像校正技术一头雾水，就用这个软件吧。免费版的软件就足够用了。
多层亮度图层
一幅图像可以分解为颜色信息和亮度信息。亮度是提供细节信息的至关重要一层。如果你是用的单色相机和滤光片拍摄，颜色信息通常由R、G、B三色滤镜得到，再加上一个L亮度滤镜拍摄的结果，合成所谓的LRGB图像。
RGB三色图像通过粘贴到一个空白RGB图像的相应颜色的通道里来实现合成。L图像添加到一个独立的图层中，并把图层混合模式设为“明度”。L滤镜看上去就是透明的，它容许所有可见光通过，滤除掉红外和紫外光。
这种处理方法的一个问题是，和亮度信息的锐利相比，颜色的细节信息都没有了，尤其是在颜色层和亮度层曝光不匹配的情况下。这种情况下可以用这种方法改进，即用一个LRGB图像在建立一个高质量的RGB图层。具体方法可以增强它的饱和度，但这样会引入更多的噪声。
图像专家Rob Gendler突出了一种更高级的办法，是先建立一个不完全的LRGB图像，其中L图层的不透明度是50%。合并图层后保存，用这张图替代普通的RGB颜色基础，在其上面在放一层L图层，L层的混合模式设为“明度”即可。这可以看作是LLRGB图像。
这种使用两次亮度图层的技术比普通的LRGB图像有更好颜色的饱和度和颜色的细节。当然，你没有必要就此停手，你可以再加入一个50%的亮度层，如下图所示，做一个LLLRGB图像。饱和度会被进一度增强，最终形成颜色丰富且细节对比强烈的深空图像。
图像校正
数码摄影的致命缺点就是噪声。噪声有好几个来源，本质上噪声就是不该出现在那里的“东西”。大多数噪声来自于CCD芯片本身的特性，也有一些来自于别的地方，比如说光学系统。
降低噪声的影响可以通过拍摄如下一些校正图像，然后和亮帧做一些数字处理来实现。DeepSkyStacker之类的软件可以自动做这些事情。“亮帧”指的就是普通的目标图像，这么叫是为了和其他各种校正帧区别，比如“暗帧”。
暗帧（或暗场、暗流，上图）——去除静态噪声
静态噪声，或“可预测”噪声，出现在固定的地方。可以通过拍摄暗帧，用亮帧减去暗帧去除。静态噪声和温度还有曝光时间有关。因此暗帧要在拍摄亮帧的空档时间拍摄，以保证温度大致相同。拍摄时，盖上镜头盖，使用和亮帧相同的曝光时间和ISO。暗帧中也包括随机噪声（见下面“叠加”），所以应该多拍摄几张暗帧叠加成一张。
叠加（上图）——去除随机噪声
随机噪声，或“不可预测”噪声，是热产生的背景噪声。在展开色阶获得图像细节时，也会产生随机噪声。解决办法是拍摄多张亮帧，曝光时间和ISO要相同，然后叠加。拍摄的数量也多，去除噪声的效果越好，可以认为噪声降低了“叠加张数的平方根”倍。因此叠加4张就能使噪声减半，9张降低三倍。
平场（上图）——去除光学缺陷
光学缺陷包括灰尘的影响和渐晕引起的四周变暗的效果。拍摄平常可以解决问题。拍摄方法是，保持焦距和安装的角度不变，指向一个均匀的光源拍摄（如日出前西方的天空或均匀照亮的白墙等）。曝光量可以参考直方图，使直方图的“主峰”位于50-75%的位置，ISO设到最低。拍摄多张平场叠加，合成一张平场。
其它（上图）——去除热点和其它
其它校正帧包括偏置（或本底），如上图，还包括平场暗帧。拍摄偏置时要盖上镜头盖，曝光时间设为最短。偏置校正的是零曝光时间下，像素的初始值。平场暗帧在平场拍摄完之后拍，保持和平场的曝光时间和ISO相同，镜头盖也要盖上。它们修正的是平场的静态噪声。
第一步：在DeepSkyStacker中点击“Open picture files”载入亮帧，点击下方的各行载入各种校正帧。
第二步：你可以把不同晚上拍摄的图像载入到不同的group中，偏置帧应该载入到Main group。
第三步：预览一下每一张亮帧，如果需要的话可以用右上角的亮度调节工具，这不影响叠加过程。
第四步：你可以单独勾选你需要叠加的图像。如果需要叠加所有，可以点击“Check all”选项。点击“Register checked pictures”（登记勾选的照片），然后勾选“Automatic detection of hot pixels”（自动检测热像素）和“Stack after registering”（登记完叠加），点OK。会出现一个选项窗口。
第五步：点“stacking mode”（叠加模式），选择“Standard”（标准），然后点“Alignment method”（对齐方法），选择“Automatic”（自动）。最后点OK。等待吧。结束后，会显示出一张最终的图像。这张图像还要在Photoshop里进一步处理。点击“Save picture to file”保存结果。
第六步：要处理不同时段的照片，可以通过“Save the file list”将文件列表存下来。完成后点击“Batch stacking”载入你的列表，就可以自动批处理了。
恒星处理技术——四种修复星像的方法
恒星是很脆弱的，赤道仪的不稳定、跟踪误差和光学系统的质量都会导致星像变形。有几种方法可以修复星像。
一种最简单的方法能够修复轻微变长的星像。复制图层，混合模式设为“变暗”，将上面的图层向星像变长的方向轻轻移动，星像就能再次恢复圆形。这种方法容易引入噪声。
上图：修复星像轻微拖长
另一种更精确的方法需要用到IRIS，从www.astrosurf.com/bui/us/iris/iris.thm可以下载，IRIS功能强大，使用方法也需要一些技巧，好在有很多教程可以参考，有一篇www.astrosurf.com/buil/iris/tutorial12/doc30_us.htm介绍了如何使用Richardson-Lucy反卷积恢复星像的方法。
这种方法可以修复严重畸形的星像，适合由风吹或者跟踪不好导致的星像变形。使用时需要在一颗没有饱和的星像周围画一个矩形，然后在IRIS命令窗口输入“RL 15 0”回车，意思是执行Richardson-Lucy反卷积15次。最后输入“Gauss2 .7”回车，能够去除上步操作带来的噪声。
上图：R-L反卷积法修复星像
第三种方法是使用Photoshop或者GIMP修复模糊的星像，复制图层，在上层做一次高通滤波（Photoshop中在滤镜–其它–高反差保留），这时图像变成了灰色背景上的锐化了的星像。将图层模式设为“叠加”即可。
上图：高通滤波锐化星像
最后一种方法是为了分开重叠在一起的两颗星像。在Photoshop中打开图像，创建一个曲线调整图层（图层–新建调整图层–曲线），在蒙板上右键选择“删除图层蒙板”。
选择图像层，用魔棒工具（取消“连续”复选框，容差设为60）选取较亮的那颗星。做4个像素的羽化。然后选择曲线调整图层，将选区设为图层蒙版（图层–图层蒙版–隐藏选区）。此时，曲线调整图层控制的是除了这个星像之外的区域。选择图像层，载入选区（选择–载入选区），然后反选（选择–反向）。创建一个新的曲线调整图层，命名为Stars，选区会自动被认为是个图层蒙版。调整曲线，就会改变星像，向上调会变大变柔，向下调会变小变锐。
上图：调整图层技术修复星像
增强恒星颜色——挽救过曝恒星的颜色
上图：左，M35原图；右，增强颜色后的M35
仔细看照片中的亮星，很有可能是白色的，因为长时间曝光下，亮星饱和了。要想拍到星的颜色，唯一的方法是缩短曝光量，然而这样的话暗星又拍不到了。
幸运的是，即使星过曝了，在星的边缘，仍然有一圈带颜色的像素，保留了星的颜色。按照下面的步骤做，你就能还原夜空的本色，你能把恒星本来的颜色还原，创造出微妙而又真实的结果。
第一步：打开照片，放大仔细看星周围带颜色的环，这就是我们要重造的颜色。
第二步：用魔棒工具（设置不连续，容差60）点选星的中间部位。
第三步：将选区扩展几个像素，包含整个星像，包括带颜色的环。
第四步：将选区羽化几个像素，复制选中的星像，粘贴到一个新图层。
第五步：将新图层饱和度设置到95，做一次1个像素左右的高斯模糊。尝试不同的值，选一个最好的效果。
第六步：混合模式设为“颜色”，调整不透明度，到满意为止，最后合并图层。
窄带摄影
窄带摄影是一种很流行的方法，能够展现深空天体戏剧性的结构，对科研也有一定意义。使用窄带滤光片拍摄时，只有很小波长范围的光线通过，这个范围就是滤光片的带宽，深空天体用的窄带滤光片的典型带宽在10nm到100nm之间。
窄带滤光片的中心波长是精心设计的，它们和最强的发射线的波长是一样的，比如H-α。滤光片的名字也是以发射线的名字命名的。因此滤光片只选择特定原子发射的光线通过，而滤掉其他所有的光线。这意味着窄带摄影也可以免除光污染的影响。
窄带滤光片拍摄的照片可以用来合成伪彩色的图像，就像用RGB滤光片合成RGB真彩色图像一样。合成的方法有很多，有的方法合成的色彩更真实一些。
将S-II、H-α、和O-III窄带滤光片的图像替代R、G、B，就能得到波长顺序正确的图像。理想情况下，你应该调整每个通道的色阶，使它们的直方图范围差不多。要想得到更好的效果，应该用33%的S-II和H-α图像作为红色，O-III作为绿色，33%的H-α和O-III作为蓝色，这样的结果和传统的RGB颜色最相似。还有很多其他的合成方法。有一种双色窄带摄影法，只用两种窄带滤光片合成最后的彩色照片，既节省拍摄时间，又节约成本。因为很多天体没有蓝色发射线，所以H-α作为红色，O-III作为蓝色和绿色的组合就OK了。
上图：窄带拍摄的玫瑰星云
滤镜种类简介
H-α：氢-α，656.28nm，是星云和星系中电离氢的波长。有不同带宽的滤镜，单反相机可使用带宽宽的，CCD和单反该机可使用带宽窄的。
S-II：硫-II，671.6nm和673.1nm，是星云中常见的硫的波长，通常只有CCD和单反该机使用。
O-III：氧-III，495.9nm和500.9nm，是氧的发射线波长，拍摄行星状星云和超新星遗迹时有用，单反和CCD都能使用。
H-β：氢-β，486.1nm，通过蓝光，只有特定的天体需要，像马头星云。单反和CCD都能使用。
上图：从左到右依次为H-α、S-II、O-III、H-β滤镜拍摄的马头星云图像
哈勃调色板
哈勃太空望远镜拍摄的全彩色照片是由窄带滤镜合成的。可以用S-II、H-α和O-III的图像制作出来哈勃图像的效果。
每个通道的色阶形状和范围都应调到差不多。这种合成法的一个副作用就是星的颜色会呈洋红色。这可以通过降低洋红色的饱和度来改善，因为图像中只有恒星是呈洋红色的。然后按照下面的步骤做，就能制造出哈勃效果来。
第一步：按照波长顺序，使用S-II作为红色、H-α作为绿色、O-III作为蓝色通道。打开色阶，调整R、G、B三色通道的色阶，使它们的直方图基本重合。
第二步：复制图层，使用可选颜色工具（图像–调整–可选颜色），从颜色列表里选择绿色。然后将青色调到-100%，洋红调到-25%，这样就把绿色调成了黄色。然后，再选择黄色，将青色调到-100%，洋红调到+25%。
第三步：还用可选颜色工具，选择青色，将黄色调到-100%，点击OK。再次打开可选颜色，选择青色，将洋红调到-25%，点击OK。你可以降低洋红色的饱和度，让星看起来更自然。
总结：
希望你能喜欢我们这四部分图像处理课程，学习到图像处理的主要技巧。做好图像处理，实践和经验很重要。要能知道什么样的照片用什么样的技术去处理。图像处理很重要，也很有趣，你能通过很多方法，将你的天文照片处理的比原来强百倍，是多么激动人心。当你看到平淡无奇的图片处理出很多细节，那处理的过程体验就很美妙。当然，别被冲动冲昏头脑，保持清醒，适可而止也很重要。
真心希望我们讲的内容能助你天文摄影一臂之力，期待你的好作品。
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