天文图像处理全指南（3）：深空天体基础技术
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发布时间：2022-04-20 08:07
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时间：2023-09-06 22:37
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，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。
方法/步骤
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。
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。
图层蒙版
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。
