天文圖像處理全指南（3）：深空天體基礎技術

□作者: Karajin

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天文圖像處理全指南，是BBC的天文雜誌Sky at Night策劃的大作，全文分四期刊登於2012年1月~4月刊上。四期的主題分別是：

第一部分：太陽系-基礎技術

第二部分：太陽系-進階技術

第三部分：深空天體-基礎技術

第四部分：深空天體-進階技術

翻譯：Karajin [僅供學習和交流，轉載請註明出處：www.karajin.com]

第三部分：深空天體-基礎技術

在這部分里你會學到：

>去除光污染

>直方圖

>處理顏色

>增強技術

第三部分將跳出太陽系，開始介紹深空天體的處理方法。用到的軟體和工具，也和前兩部分處理月亮、行星和太陽時有所不同。

深空天體照片往往通過長時間曝光得到，處理起來可不是這麼簡單。光污染常常在照片上形成一種橘紅色的背景污染。這部分中將會講到怎麼去除光污染造成的這種背景，還會講到如何榨取出圖像中的每一絲細節。

本文還會介紹一些技術，能讓你的彩色圖像更清晰銳利、縮短拍攝的時間，還有如何方便地用直方圖檢視一幅圖像。了解直方圖是找到圖像中隱藏的細節的關鍵。

我們還會討論圖像的銳化，如何銳化需要銳化的部分，而保持其他部分不變。最後，再學習下怎樣用圖層蒙版合成不同曝光量的照片。

重要的軟體

Photoshop：Photoshop一直是市場上最好的圖形編輯軟體，但是價格昂貴。如果你買不起，也可以使用精簡版的Photoshop Elements，功能也足夠用了。對於天朝公民來說，你可以無視這話。

GIMP：是「GNU圖像控制程序」的縮寫，也是一款以圖層為基礎的強大的編輯器。和上面兩款不同的是它是免費的，從www.gimp.org上可以下載，支持各種操作系統，還有大量的插件庫。

天文圖像處理軟體：很多天文圖像處理軟體都好用，比如功能強大的Maxim DL， Astroart和ImagesPlus，還有免費的IRIS等。

去除光污染

星空只在完全黑暗的條件下才最美，而這種條件正離我們越來越遠。街燈，建築物燈，車燈，探照燈都是光污染的來源，這些光污染毀了城市的星空。長時間曝光的星空，都會呈現一種發紅的色調，這是燈光被大氣中的塵埃反射的結果。

有這麼幾種方法，可以避免光污染：用單色CCD加窄帶濾光片拍攝，或者單反加光害濾鏡。如果沒有濾鏡，還可以在圖像處理時來改善圖像。

第一步：這幅圖顯示出光污染造成的典型特徵——橙棕色的亮度漸變。

第二步：如果圖像中沒有那種梯度漸變的現象，就簡單一些。打開色階，選紅色通道，把中間調節滑塊向右滑動，直到呈現一點點綠色。

第三步：再選綠色通道，將中間滑塊向右滑，直到天空背景再次變黑，沒有明顯的紅色和綠色。

第四步：如果你的圖像明顯有梯度漸變，就複製圖層，這時兩個圖層有相同的圖像。

第五步：在上面的圖層中，選擇濾鏡/雜色/蒙塵與劃痕，設置半徑值為100，閾值為0。這是，一切細節都看不到了。

第六步：將此圖層的混合模式改為「差值」，再適當調整一下曲線，最後合併圖層。

直方圖

在處理圖像的過程中，你總會遇到直方圖。直方圖在處理圖像上是非常有用的，它描述的是圖像中每種亮度值的像素數。橫軸是亮度，黑在左，白在右。圖像中所有的亮度值，都按順序排列在橫軸上。縱軸是像素的數量，由於亮度值很多，因此各種亮度的像素值緊密地排列在一起，呈現出一些趨勢，像起伏的山一樣。而某一種亮度的絕對像素數並不重要。

直方圖也提供了圖像的很多內容信息。比如一幅圖像是黑色背景中的很多星像，直方圖就會在最左側有一個高峰，這是天空背景的信息。

相機拍攝圖像的灰度數量，是有bit數給出的，bit數越高，灰度的數量就越多。所以像很多CCD相機擁有較高的bit數，灰度數量能達到成千上萬。這並不罕見，對於這種圖像，在普通的處理軟體中打開時，直方圖幾乎全部在黑色一端。下面就用直方圖展開技術把隱藏在黑色中的圖像顯示出來。

亮度和對比度展開

增加亮度會使圖像直方圖向右移動。移動過多時，會使亮的像素達到最大值，就是純白色。如果這時你點了確定鍵，那這些白色像素就不可恢復了。

同樣，如果將亮度降低，直到直方圖向左移動到頭，就有像素變成了純黑色，在深空天體照片中，純黑色的背景看起來可能不自然。所以應該避免這種情況。

圖像中亮度的分布，也就是直方圖中那個「主峰」，定義了圖像整體的對比度。一幅對比度差的圖像，直方圖的「主峰」就窄，調節對比度，就是在使這個「峰」展開變寬。

色階

色階工具直接在直方圖上調整，有三個滑塊可調。仔細觀察直方圖可以確定哪裡需要調整。理想情況下，黑色滑塊應該正好在直方圖開始升起之前，白色滑塊在直方圖完全落下去之後。此時擁有最佳的對比度。

中間滑塊定義的是圖像亮度的中值，通過調這個滑塊你可以改變圖像的亮度，而不會有像素達到極值。

色階工具對於提取暗弱的細節非常有用，但它也有局限，就是它是一種線性的調整。這就意味著，你不能只改變某些特定的亮度，而保持其他亮度不變。

曲線

曲線工具是功能更強大的色階。在色階工具里只有一個中間滑塊，而曲線則提供理論上無窮多個中間滑塊，也就是一種非線性調整。這就可以只針對某一些亮度來調整了。

使用起來很簡單，曲線開始時是一條45度的直線，一般情況下，橫軸表示要調整的亮度，縱軸表示將原來的亮度值調到什麼高度，也就是曲線的輪廓。默認的45度直線，說明要調的亮度和要調到的目標是一樣的。在曲線上添加調節點，再拉動調節點，就可以重新定義曲線的形狀。

曲線應該是平滑的，並且要避免曲線達到最頂端或底端，這意味著有像素變成了純白貨純黑色了。

數字沖印

從圖像中提取細節的過程就像從膠片中沖印照片一樣。這稱作數字沖印過程（DDP）。DDP中的一個重要部分就是非線性直方圖展開。

DDP在專業天文圖像處理程序能夠找到，它可以手動調整直方圖的某一部分，而保持其他部分不動。這在很多時候很有用，比如你想增強星系或者星雲中暗弱細微的結構，而不讓其他亮的部分變的更亮。

不同的軟體中，實現DDP的方式不同。在Maxim DL中（下圖），DDP是USM和gamma展開的結合。後者能夠增強圖像的亮部或暗部。

處理顏色——單色攝影省時法

很多相機都能用來拍攝深空天體，單反相機和製冷CCD都能直接拍攝彩色照片，但我們更希望使用單色天文CCD，儘管要拍出彩色照片要換不同的濾光片，因此拍攝時間也大大延長了。

這樣做的好處是你能在圖像的空間細節中分離出顏色信息，從而可以隨意增強某一種顏色的細節。圖像的空間細節由亮度（L）信息決定，可以用L濾鏡拍攝得到，顏色信息有RGB三色濾鏡拍攝得到。這三色圖像不如L圖像重要，它們並不提升圖像細節的質量。聽起來很奇怪是嗎？事實確實如此，如果你有一個非常好的L圖像，那麼三色圖像甚至可以是模糊的都沒關係。

上圖：只要L圖像清晰，RGB圖像模糊不會對圖像有任何影響

要使用CCD拍攝L圖像，需要把解析度設為最高，保證能拍到最好的細節。拍攝RGB三色圖像時，為了達到和L圖像相當的曝光量，理想情況下曝光時間應該是L圖像的三倍。因為每個顏色的濾鏡只透過三分之一的光線。

但由於三色圖像的解析度並不重要，所以你可以使用CCD的像素組合（binning）功能來提升相機的靈敏度，從而縮短拍攝時間。設置3×3像素的binning，則每3×3個像素和成為一個大像素，這樣相機的靈敏度就提高了9倍，同時解析度變為原來九分之一。所以使用binning之後，每種顏色圖像拍攝時間就變成了L圖像的三分之一，而結果和你原來曝光三倍於L圖像是一樣的。

步驟：

第一步，假設你已經有處理好的L、R、G、B四張圖像。如果你使用了binning方法拍攝了三色圖像，你需要增大圖像的尺寸，和L圖像相同。如果你是用的2×2 binning，就把圖像擴大到200%，如果使用的3×3 binning，就擴到到300%。

第二步，創建一個RGB圖像，尺寸和L圖像相同，把LRGB四張圖像粘貼到不同的圖層里，給圖層命名防止搞錯。隱藏上面兩個圖層，降下面兩個圖層對齊。

第三步，重複上步，將上面兩個圖層也對齊。

第四步，再新建一個RGB圖像，將剛才的R圖層粘貼到新圖像的紅色通道里。同樣把G、B圖層也粘貼到相應的通道里。將這張全彩色的圖像（圖層）複製，粘貼回原來的圖像里。

第五步，把L圖層移動到RGB圖層上面，圖層混合模式設為「明度」。調整飽和度、色階和曲線，調到滿意為止。如果RGB圖層有雜訊影響了視覺，可以做一下弱的高斯模糊。

第六步，L圖層也可以調整一下對比度、亮度、色階和曲線，還可以銳化一下來增強細節。最重要的是保證這一圖層的高質量。所以有必要先複製這個圖層並隱藏，做備份。

顏色調整技術

添加Hα信息

要把Hα濾鏡拍攝的圖像添加到RGB圖像里增強Hα細節，在上面六步的基礎上，複製R圖層放在最上層，設置不透明度到30-50%，再把這個圖層和L圖層都替換成Hα圖像。

紅色增強

打開一幅RGB圖像，將紅色通道複製並粘貼到一個新的圖層。打開菜單圖像–調整–色相/飽和度，勾選「著色」，色相設為0，飽和度設到50-70，完成後設置圖層混合模式為「變亮」，在調整不透明度，到滿意為止。

替換顏色

顏替換色工具可以解決紫邊的問題，打開替換顏色選項，用取色器選取紫邊的顏色，縮略圖的下面選擇「選區」，增大容差，直到顯示出紫邊的形狀。將替換的顏色選為黑色，再微調飽和度和亮度，直到紫邊消失為止。

調節整體顏色平衡

色彩平衡工具工具可以調節圖像整體色彩。色彩平衡調節的是三個區域——陰影、中間調、高光的色階。比如你的圖像背景太暗，則選擇「陰影」，然後調節三種顏色的滑塊。

深空天體增強技術

典型的深空天體照片既包括深空目標又有很多恆星。當然要是拍球狀星團或者疏散星團，就差不多只有恆星了。

處理恆星的照片會遇到一些問題，一顆恆星是一個點源，但由於地球大氣的影響，照片上的星都是一個圓斑。圓斑的直徑正比於星的亮度，邊緣不是很明確。

難度在於當你對深空天體，比如星雲或星系做處理時，如何使恆星不受影響。USM銳化是常用的銳化手段，原理是提高亮暗區域的對比度。但它會使恆星周圍出現黑圈，過度的銳化會使恆星看起來很突兀。

一種方法是把恆星選中，然後反選，對其他區域做處理。把每一顆星都選中，會不會很難？不用怕，有幾種方法可以做到，並不像想像般難。最簡單的方法是使用色彩範圍選擇工具（選擇—色彩範圍），然後選取一顆亮星的中間，應該是白色的。改變顏色容差，就能改變選擇範圍的大小。點確定，是不是所有的星都選上了？

然後，擴展選區（選擇—修改—擴展）2-5像素，然後做2個像素的羽化（選擇—調整邊緣—羽化）。反選，就可以對你的深空天體做銳化了。

選擇完恆星後，有可能出現一種情況。比如大部分恆星都曝光過度了，它們中心是白色的。仔細看星的周圍是有顏色的，那是恆星本來的顏色。如果這樣的話，就複製原圖的圖層，用同樣的方法將星選中，然後將上層模糊，周圍的顏色就擴散到星的中間。將上層的圖層混合模式設為「顏色」，飽和度設高，就可以將星的本來顏色還原回來。做這些時確保恆星的選區是始終選中的。

上圖：選擇每一顆恆星聽起來難，實際上很簡單；恆星過曝時，還可以把恆星本來的顏色還原出來

圖層蒙版

上面介紹了怎麼選擇恆星，如果深空目標本身的某一部分需要單獨處理怎麼辦呢？

最好的例子就是著名的獵戶座大星雲，一個亮度範圍很大的天體，它的中心很亮，而周圍很暗。如果你使中心曝光正確，那麼周圍的結構根本拍不到，相反，拍到周圍的結構時，中心就過曝飽和了。

一種解決辦法，是曝光兩次，一次使中心曝光正確，一次使外圍曝光正確。用圖層蒙版技術合成在一起。就能使星雲的中心和外圍細節都完美展現。

第一步，假設你已經有兩張分別對中心和外圍曝光正確的照片。將兩張照片粘貼到兩個圖層中。

第二步，將外圍曝光正確的一張作為上層。調整位置，使兩層對齊。

第三步，選擇上層中心過曝的區域。大概選中就可以，不需要太精確地找到過曝的邊緣。

第四步，按住alt鍵，點擊「添加圖層蒙版」圖標，為上層創建圖層蒙版。

第五步，點擊圖層中顯示的蒙板，做一次較強的高斯模糊，使邊緣漸變。

第六步，點擊圖層，預覽全圖，調整兩個圖層的色階和曲線，使圖像看上去自然即可。

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