一張天文照片的誕生

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本文於2005年在香港的astrofarm發表，現在重新發表，給天文同好一個參考。

一張天文照片的誕生            2005.10.23
這數年來，在國內牧夫論壇和天之文論壇看過不少這樣的貼文：
「剛買了一枝天望，怎樣才能拍攝到一張有水準的木星？」
「剛買了一個網絡視像器，只要把它放在望遠鏡後就能夠拍攝到那些美麗的天文照片嗎？」

1. 技術與儀器並重
其實，天文攝影是一整套技術，不論使用膠卷或時下最流行的數碼攝影器材，要有好效果，有了儀器還須掌握一定的技術。又有些人以為，某人能拍攝到精美的天文照片，只是因為他有好的儀器，如果自己擁有同樣的儀器，也能拍攝到同樣水準的照片，這是一種很錯的想法。所謂工欲善其事，必先利其器，好的儀器固然重要，但技術往往比儀器更重要！本文會以一張月齡8的照片為例子，講述由籌備、拍攝到圖像處理的過程，而重點會放在籌備和拍攝上。

1.1選擇拍攝用的望遠鏡
以下的照片使用一枝焦比F12，3英寸口徑的普通消色差折射鏡，加一部300萬像素數碼相機，於2002年4月20日拍攝，由兩張2048X1536像素照片拼合而成。有人會認為，既然我手上有14英寸口徑的折反射鏡C14，為甚麼反而用一枝小口徑的折射鏡拍攝？原因有三個：

第一，我原來計劃用同樣方法拍攝整套月相，操控一枝小口徑折射鏡比操控一枝大口徑折反射鏡容易得多，較容易完成整個拍攝計劃。
第二，3吋折射鏡焦距有910毫米，我可以用兩張照片拼合出任何一個月相，而C14焦距達3910毫米，是3吋折射鏡4倍有多，即是在同樣的拍攝組合下，影像會大了4倍，要用很多張照片才可以拼出一個月相，工作量大增、難度亦大增。
第三，C14有光軸與熱平衡問題，表現有時失準，但這枝3吋折射鏡表現非常穩定，用它拍攝可說得心應手。


1.2選擇照相機與拍攝方法
在數年前數碼單反仍未普及，尼康Coolpix990曾是當時最佳的數碼相機，因此我選用它拍攝這月相照片。
第二張照片左邊是高橋5英寸折射鏡加Vixen VX1相機，右邊即為拍攝月球用的Astro 3英寸折射鏡加尼康Coolpix990數碼相機。由於尼康Coolpix990不能卸下鏡頭，別無選擇，筆者採用了「無焦點法」拍攝，即把數碼相機接駁在目鏡之後，先以目鏡成像，然後以數碼相機把影像拍攝下來。如果改用現今最流行的數碼單鏡反光機，則可以選擇另外三種方法，分別是：
直接焦點法：卸下目鏡和相機鏡頭，以望遠鏡物鏡為鏡頭，接駁數碼相機，直接在CCD上成像；
負鏡投影法：卸下目鏡和相機鏡頭，以望遠鏡物鏡為鏡頭，在目鏡位置加上2X或以上的增距鏡，在CCD上成像；
目鏡投影法：先在望遠鏡加上合適焦距的目鏡，然後接駁卸下了鏡頭的數碼相機，讓目鏡的成像投影在CCD上。


1.3選擇拍攝用的目鏡
筆者原來想以單禎照片，用盡300萬像素拍攝月齡8的月球，但經測試，用K40目鏡拍攝的月球照片場曲嚴重，邊緣像質欠佳；改用OR25目鏡，在3倍光學變焦下又不能拍下整個月球，若採用2倍以下光學變焦，雖然可以拍下整個月球，但拍攝視場又出現了明顯的黑角現象，亮度不均勻，故最後改用OR18目鏡拍攝。以下照片便是分別以K40目鏡和OR18目鏡拍攝的月球，可見視場邊緣像質有明顯的分別。


為了測試OR18目鏡的素質，筆者在4年前用5英寸折射鏡拍攝一片位於1000英尺外的鐵網，發覺照片有明顯的黑角和畸變現象。這表示OR18目鏡用於拍攝時，可用的視場並非百分之百，如果用這個組合拍攝行星要取得最佳效果，行星應該放在視場的正中；我用它來拍攝月球，以兩張照片拼合出一個上弦月，同樣不能用盡視場，否則由畸變而來的輕微變形，會令月球邊緣不能重合。鐵網左下角照片便是用作拍攝的OR18目鏡。


針對場曲和畸變兩種像差，有些望遠鏡品牌生產了一些以「平場」著稱的目鏡，如Pentax的XP系列目鏡。其中一款XP8目鏡經測試，平場方面的確表現良好，但論中心結像，這兩款售價相差超過5倍的目鏡只是不相伯仲。測試目標仍是一片位於1000英尺外樓房天台的鐵網。
XP8目鏡在「平場」方面的表現。


XP8目鏡和另一款五分一價錢OR9目鏡在中心結像方面的表現。



選定了拍攝用的望遠鏡（3吋折射）、相機（尼康Coolpix990）、目鏡（OR18）、拍攝方法（無焦點法）後，有人會問：「為甚麼選用數碼相機拍攝？網絡視像器不是更強嗎？」就讓我簡單分析一下兩者的長處和短處：

1.4世界上沒有一部萬能的照相機
世上沒有萬能的照相機，沒有一部適合拍攝任何天體，並且各方面都能表現優異的。
現今世界上最多人使用的兩款網絡視像器是Philips的ToUcam740K和840K，俱只有30萬像素，最大解像度只有640X480，拍攝高倍的月球行星非常合適。但它每次只能拍攝月球上的一個小區域，若用它拍攝整個月相，便需要先把月球劃分為多個區域，分開多次拍攝，然後把所有照片拼合起來，拍攝區域的4邊更必須互相重疊，否則拼不出完整的月球。再者，每張照片由一段視頻短片而來，拍攝容易，圖像處置卻花費大量時間；反觀民用的數碼相機，以300萬像素為普遍，不少更達7百萬像素甚至以上，只要選擇適當的方法拍攝，當你按下快門後，已經得到一個二千甚至三千像素直徑的月球。結論是，拍攝大面積的月球和太陽宜選用數碼相機，拍攝小面積而高倍的月球和太陽宜選用網絡視像器。

2. 照片的拍攝過程
2.1數碼相機的各項設定
設定框幅
Coolpix 990有效像素是315萬，有三種框幅選擇：2048 x 1536像素、1024 x 768像素、640 x 480像素。以低倍率拍攝大面積的月球，應選擇2048 x 1536像素。
設定像質
如果數碼相機有Raw或Tif檔的設定，便應選擇Raw或Tif檔，否則應選Jpg檔壓縮最少的模式。我為了採用連續拍攝模式，故選擇了Jpg檔壓縮最少的模式。
設定白平衡
月球是近乎黑白的影像，故可採用黑白或者日光模式。我採用了日光模式。
設定光圈、快門、感光速度（ISO設定）
其實選擇用OR18目鏡拍攝，除了因其成像大小適中外，最重要是考慮在ISO100下，可以採用1/15秒快門。此外我還有兩個選擇：ISO200，曝光1/30秒；ISO400，曝光1/60秒。
雖然曝光時間愈短愈能夠捕捉清晰的影像，但增益愈大，雜訊亦愈大，經過了另一番測試，我選定了ISO100，1/15秒快門。

拍攝模式
採用連續拍攝模式後，在2048 x 1536像素下，Coolpix990拍攝速度約為每秒一張，雖然不理想，但已是對抗不穩定大氣最佳的方法。

設定相機焦點
相機焦點要設定為無限遠，否則在自動對焦功能下，拍攝過程中相機會不斷尋找焦點，令原來已準確對焦的影像變得模糊。

2.2對焦
先通過目鏡對焦，然後加上相機，從彩色顯示屏精確對焦。如果想對焦的準確度再提高一些，可以用數碼變焦把拍攝物放大2倍，調焦後再取消數碼變焦。

2.3包圍曝光
有人會問：「我怎知道應該用那一檔快門？」
我會答他：「你不要浪費時間在空想，亦不要浪費時間在天文論壇上反覆提問，快拿出望遠鏡和照相機親自嘗試吧！」
只要把照相機設置為「光圈先決」模式，光圈盡量開大，再隨便選取一檔快門按下去。若曝光不足便增加曝光，曝光過度便減少曝光。數分鐘之內便可以找出恰當的曝光值，但那一檔曝光才叫適中？答案是CCD或CMOS達至飽和（Saturation）之前的那一檔。
由於我要拍攝的是一個月齡8的月球，光照面和明暗交界光度差異很大，我選取了當時月球上最亮區域作參考，認定在那區域達至飽和之前的曝光為準確曝光。
有了準確曝光值，我便以連續拍攝模式以月球南部為中心連續拍攝了約20張照片，再以完全一樣的設定拍攝月亮的北半球，拍攝了另外約20張照片。

3. 圖像處理
3.1挑選照片
由於只拍攝了約40張照片，只需「二十選一」，然後把兩張照片拼合，再做點圖像處理便可以完成，可說很輕鬆。（如果你試過「二千揀五百」，一個晚上揀過萬張照片，便會知道輕鬆和辛苦的分別。）
首先用圖像瀏覽軟件ACDSee瀏覽一次，把那些明顯較差的照片剔除，然後用Photoshop仔細挑選，南北半球各選一張。

3.2拼合照片與後期處理
從拍攝鐵網的照片看到，OR18目鏡邊緣有明顯的畸變，因此首先要用Photoshop把像質欠佳的部分裁去，然後：
1.在Photoshop開啟一個新檔案，
2.把南北半球照片分別複製至新檔案，
3.把其中一張的圖層調至半透明，
4.移動調至半透明的圖層，令上下兩層月面地形盡量重疊，需要時作輕微的旋轉，
5.當拼合好，把呈半透明的圖層還原至100%，
6.分別調整兩個圖層的亮度，令接合處光度盡量接近，
7.把兩個圖層二合為一，
8.施以輕微銳化，
9.把原來彩色的圖像轉為黑白，
10.調整反差和亮度，
11.除雜訊，
12.旋轉照片，讓南上北下，
13.用Photoshop在照片加上拍攝資料後，一張天文照片便大功告成，可以在網上發表了。.
當然，以上的例子僅是一張用放大攝影方法拍攝的照片的整個拍攝程序，如果拍攝大面積的星野和高倍的星雲星團，需要的又是另一套技術了。
掌握了天文攝影的技術，你要拍什麼就可以拍什麼了。

不論使用膠卷或數碼相機拍攝天文照片，我們都希望能客觀地把天體的面貌記錄下來。2001年1月10日的月全食，我分別以膠卷和數碼相機在差不多同一時間下拍攝全食的月球，發覺用數碼相機拍攝的月球，色彩還原良好，色澤跟目視很接近，但膠卷拍攝的月球色彩太濃艷，顯得失真。

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1# newcanon
這是一輯未完成的月相照片，分別以3吋和5吋折射鏡加數碼相機，在2000至2002年拍攝。

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2# newcanon
月面地形往往需借助陰影才能表現出來。附圖的哥白尼環形山拍攝自4個不同晚上，右下的在滿月拍攝，非常平板，要突出它的特徵便要選擇在最適當的月齡拍攝。

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3# newcanon
雖然在同一時間，我們不能看見超過百分之五十的月球，但天秤動令我們能看多月球9%的面積。從2002年3月21日和4月20日的照片可清楚看到緯天秤動對月面地形的影響。我分別截取了一張照片的東南北三面的地形作比較，東面地形大致一樣，南北兩面卻有著很大的變化。

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4# newcanon

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5# newcanon
除了在不同月相下，月面地形會有不同外，同一個地形在滿月前後，因陽光照射角度相反而有不同面貌，也很有觀測價值。

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6# newcanon
拍攝月球，人們總喜歡找一些著名的地形為目標，某次我在拍攝之餘，在月球邊緣上發現了一個不知名的山（右邊箭咀）和一處盆地（左邊箭咀），也很有趣。