详细教程：如何拍摄好看的行星照片？

行星摄影教程

USTC Astronomy

如何拍出好看的行星照片

1 

行星摄影与普通摄影的区别

在之前的观测活动中，我们常常以木星作为观测对象，大家有没有看到我们在木星观测活动中拍摄的木星照片呢？例如下面这张照片是我们在上学期的一次活动中匆忙拍摄的一张木星照片，在经过后期处理后仍可以得到较好的效果。这就是一幅较为优秀的的行星摄影作品。

2022年木星观测活动拍摄的木星照片

如果只是简单地使用手机进行拍摄，即使操作和参数设置都没有任何问题，拍出来的照片往往会像下面图二一样惨不忍睹。即使使用画质更好的相机拍摄，一般也只能得到类似图三的效果。

图二(左上)：使用手机在望远镜目镜后拍摄的木星照片，对比之下画质明显较差。

图三(右下)：使用相机拍摄的木星图片，画质虽有提升，但仍然不尽人意。

那么如何才能拍出清晰满意的行星照片呢？

我们都知道星星会“眨眼”。这是因为来自遥远天体的光线透过大气时会被扭曲。由于大气中存在湍流 (不规则的随机运动) 和对流 (温度, 湿度不均匀导致的流动)，大气的折射率一直处于变化之中。但对于天文摄影所要求的精度，我们面临的问题就不是“眨眼”这么简单了，大气的湍流和对流会使图像变得模糊 (如下面视频所示)。

解决这种模糊的方法是一种被称为幸运成像法的技术--拍摄大量短曝光的图像，挑出其中大气稳定，受湍流影响较小的几张，从而组合成一张受大气影响尽量小的照片。

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视频一：由于大气抖动，行星的像也出现了抖动、模糊的情况。

2 

行星摄影需要什么？

如果大家也想拍摄行星，应该如何做呢？

（1）首先，要有充足的信息渠道，以了解天气和天象信息。晴朗夜晚是观测必不可少的一部分。如果想要拍摄木星的大红斑，或者木卫影子掠过木星盘面之类的景象，我们也需要提前知道大红斑何时面向我们，木卫影子何时经过木星等信息。手机上有许多软件，如天文通、虚拟天文馆都可以实现这样的功能。

（2）其次，选择合适的观测设备。由于行星的角直径都比较小，如果想要捕捉到细节的话，望远镜的焦距必须要大。焦比 (焦距/口径) 至少应该达到F/20。但是几乎所有望远镜都没有这么大的原生焦比，因此我们必须使用一种叫巴罗镜的配件，可以比较节省成本地增加焦距。

当然，并不是焦距越大效果越好。过大的焦比也会导致像质下降。此外，巴罗镜本身需要较高的品质，否则会严重拖累整个系统的画质。

同时，尽量用更大口径的望远镜。

在跟踪方面，相比深空摄影，行星摄影对赤道仪并不太高，只要有过得去的自动跟踪即可，无论是赤道仪还是经纬仪都可以。因为行星摄影的单张曝光时间很短，赤道仪的跟踪精度并不会影响到成片的质量。 

（3）对拍摄所使用的相机的要求和深空摄影有所不同。在拍摄行星的时候，曝光时间一般约为几十毫秒。相应地，我们希望它在一秒钟之内能拍摄并保存尽可能多的 (几十张) 图片。因此，行星摄影在相机上主要要求高帧率，更高的帧率可以在相同的时间内保存更多的信息。

除了专业的行星相机，一些摄像头也可以满足类似的要求。不过想要安装到望远镜则需要进行一些改装。而各种单反和微单则往往不太适合于行星摄影。

另外，虽然黑白相机相比于彩色相机有更高的灵敏度，但因为受到行星自转的影响，处理起来会相当困难。因此。如果不是进阶的拍摄者，一般还是选择彩色相机。

最后，在存储设备方面，拍摄得到的最终视频长度往往会有几十到几百个GB乃至更大。而且现代的高帧率相机写入速度很容易达到每秒几百MB乃至几GB，因此需要腾出足够大的电脑内存空间，并且要配备写入速度足够快的固态硬盘。

3 

行星摄影参数的设置

在进行行星摄影时，我们希望单张图片曝光时间稍微短一些。对木星的曝光时间大概只需要在在20毫秒左右，对于较暗的土星则可能采用较长的曝光时间。而相机的增益 (相当于摄影里说的感光度) 则一般可以调整到到200-300，过高的增益会导致噪声的增加而得不偿失。总而言之，具体的参数设置还是要以相机图像中显示的亮度来进行调节。调整完成后再进行视频的录制 (未压缩的视频一般是avi或ser格式) 。

另外还需要考虑的是总的曝光时长。对木星而言，如果不打算拍摄自转效果的话，一般只允许进行两三分钟甚至短至一分钟以下的曝光。如果想要进行自转则可以增加这一时间。但是，曝光也不宜非常长，长曝光会导致边缘和中心画质相差过大，从而坑到自己。

而对于火星的拍摄，这些限制则没有那么严格。同时，由于土星盘面没有太复杂的细节，因此曝光时长选择一般也不会对拍摄效果产生太多影响。

4 

行星摄影的后期处理

在完成拍摄后，我们就可以通过后期处理将视频处理成清晰的单张图片。基本流程是这样的：自转修正 (WinJUPOS) — 叠加 (AS3!, registax, avistacker) — 锐化与降噪 (PS, astra image, registax) — 调色 (PS等)。

（1）自转修正

由于行星的自转，行星表面的特征也会不断变化，想要减少这种变化对最终成片带来的影响，需要对行星自转进行修正。如果要求比较低，或者本身曝光时间并不长(比如1分钟以下)，不太需要考虑自转的影响，可以先进行后面的全部处理工序。最后对图像进行补偿性的去自转。

进行去自转一般使用的是WinJUPOS。这个软件有多个工作模式，如果希望追求更高的分辨率，最好则是用“De-rotation of video streams” 的功能。将视频中的每一张都去自转，然后将去过自转的视频用来叠加。

同时注意，这个软件需要用到一个参考帧，最好先做一次不太认真的叠加，用这次叠加获得的照片来作为参考帧。

（2）叠加

幸运成像的关键在于叠加。

个人倾向使用AS3!。前面说过由于存在大气湍流，大部分的行星成像是模糊的，只有很小一部分是清楚的。那么我们选出这一部分图像进行处理。

如何确定合适的叠加比例是一个很考验经验的问题，目的是力求信噪比和视宁度对分辨率的限制大致处在相同的水平，没有哪一方面会成为短板。如果信噪比是短板，我们进行锐化还意犹未尽之时就已经满是噪点，无法继续处理了。相应地，就应该选取更多图像进行叠加 (相当于进行更长的总曝光)。如果视宁度是短板，那么锐化到极致也没有明显的噪声，这样就需要考虑选取少一点的、平均质量尽量高的帧数——如果没有方向的话，不妨试错几次，看看大概。

图四：AS3! 的界面

图五(上图)和图六(下图)：叠加了所有帧的图与单帧锐化后的图进行比较。从左边的参数显示看，图五的锐化程度远高于图六。然而，即使图片已经处理到相当不自然了，虽然没有明显的噪点，但还是感觉不够清晰。而图六轻微锐化就是因为噪点过重而无法继续处理了。

图七：叠加后的图片，使用了全部单张照片中15%的大气抖动程度较弱的一部分。

（3）锐化与降噪

(USM滤镜、高反差保留滤镜、高斯模糊、wavelet和反卷积等方法)

锐化这一步则是行星处理的难点。现在有很多的锐化算法。我们这里主要介绍三大类。USM锐化：提取图像的高频部分，增加高频部分的占比，从而使得细节显得相对清晰。许多软件都可以做这个工作，但在这里为了说明这种提取的原理，我们用PS来进行演示。

首先是PS自带的USM滤镜，半径是指锐化的细节尺度。阈值则一个点与周围像素反差的临界值，反差低于这个值的细节将得不到锐化，有助于防止锐化过多导致的噪声。

图八：PS内的USM滤镜。

我们也可以手动完成这一点，方法是复制原图层，使用滤镜中的高反差保留滤镜，这样就可以提取出高频部分作为一个新的图层。接下来选取混合方式为叠加，就能起到锐化的效果 (如图九和图十所示)。

图九和图十：利用PS中的高反差滤镜进行锐化操作。

如果你要用这个方法来做锐化的话，实际上会发现在小尺度上只叠加一层高反差图层往往不够，而在大尺度往往叠加一层也显得过多。对于前一种情况我们可以多复制几层，最后把这些图层合并，而如果觉得锐化过后显得不自然了，则可以降低涂层的透明度。

然而高反差保留滤镜本身也可以用更手动的方式操作。方法是先对原图做一个高斯模糊 (也可以是别的模糊方式，各自会有不同的特性) 处理。这样，高频的细节被抹平了。每个像素的值都是周围像素的加权平均。接下来，设置混合方式为差值，用原图减去高斯模糊后的涂层，得到的就是每一个像素相对周围平均值的差值，也就是图像高频、小尺度的细节部分 (如图十一和图十二所示) 。

图十一和图十二：通过高斯模糊进行锐化处理。

进一步地，有时候高频细节已经充分锐化，但我们还希望对一些没那么高频的细节进行锐化，或者超高频的部分已经包含了过多的噪音。这时我们希望只锐化频率介于某个范围之间的信号，我们可以对高反差保留的图像做高斯模糊。抹去小于某个尺度的细节。这个其实更接近所谓的wavelet。也就是将图像按不同频率成分全部分开，分别处理并按比例重新叠加。这样，增加高频比重就可以突出小细节. registax的锐化就是一个wavelet的过程 (如图十三所示) 。

图十三：使用registax的锐化

最后再介绍一种称为反卷积的锐化方法。天体图像因为视宁度和望远镜分辨率产生模糊的过程可以理解为一种卷积。而反卷积，就是从卷积后的图像中推算原图的情况。这种算法，可以提取出一些并不直接存在于图像但是却现实存在的超小尺度细节 (当然也会产生很多假信号)。对于用线性的wavelet和USM滤镜已经处理到极限的图像，就可以尝试着用反卷积来突破极限。

图十四：PixInsight中的反卷积插件。

各种锐化手段往往会在不同情况下交替使用，很考验处理者的经验。也容易成为行星摄影最能体现差距的一部分。

锐化到极限之后，往往会产生很多噪点，我们需要使用各种降噪手段来消除它们 (PS里有减小杂色，蒙尘与划痕，中位数，表面模糊等滤镜。但是好一些的降噪插件则往往是额外付费的) 。

图十五：降噪与锐化之后的木星，

可以明显地看到更多的表面细节。

（4）调色

仅仅是锐化过后的图像，往往还需要进一步的调整色彩 (尤其是相机没有设置好，或者因为气象和观测条件有较严重偏色的情况，比如我们上面这张就显著地偏黄) 。调整好对比度、饱和度、曝光度、亮度，才能得到一张好看的照片。这一点，各自按个人的审美来做就好了。

不过比较值得注意的是，不要轻易掉转调色与锐化的顺序，因为锐化阶段最好能保持图像的线性性。此外，图像可能还会因为过度锐化，以及去自转和错误叠加 (尤其出现在视宁度低，但叠加时选用的分区过小的情形) 产生的一些瑕疵。如图十五的左边的光环似乎就是去自转的遗迹。可以考虑手动修去以弥补这一不足。最后就可以得到一张比较不错的木星照片。

图十六：最后木星照片的成品。

最后再附带一张土星的美图。

图十七：美丽的土星

本文所用图片由陶柏钧、卢闻涛提供。

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