使用CCD做RGB三色合成Tricolor影像



        ■使用CCD做RGB三色合成Tricolor影像                  林宏欽


                最近在美國天文雜誌 ASTRONOMY,Sky & Telescope 上常看到介紹
        如何使用 CCD 影像做 R 、 G 、 B 三色合成彩色影像 , 突破了 CCD  影
        像顯示只能是黑白灰階及假色處理的層次;重要的是這是業餘天文家不需昂
        貴的設備就可以達成的工作 . 以往照相使用攝影術加上暗房技巧做 R,G,B
        三色合成,只有在專門天文臺及極資深的業餘天文家才能夠辦到的 .  而且
        就算積累了無數的經驗 , 仍然需從持續的試驗中,得到最佳的結果 . 除了
        技術經驗,時間經費上的花費也是很可觀的 . 使用電腦做 CCD  影像的  R
        、 G 、 B 三色合成簡單容易,消耗的只有電費,沒有化學物質惱人的氣味,
        而且可以迅速一試再試, 直到滿意為止 .

                國立中央大學天文研究所天文臺自 1990 年開始使用冷卻 - 積分
        型 CCD 相機,取代攝影術從事天文觀測,初期使用 LYNXX CCD  得到大量影
        像資料 . 其中於火星大接近及土星衝時,分別嘗試以 R 、 G 、 B 三色濾
        鏡 (MARUMI 製 RGB set 一般攝影用濾鏡 ) 攝取影像,經過斷續兩年經營,
        始初步完成 CCD 的 R 、 G 、 B 三色合成影像 .


        濾鏡之選擇

                傳統的 RGB 濾鏡組合對於攝影而言已經足夠.對於  CCD G 、  B
        二種濾鏡仍舊適用, R 濾鏡就有所考慮因為  CCD  對於紅光區,非常敏感,
        而且一直延伸至紅外區, 所以, 必須濾去紅外光才能得到真實的色.所以需
        使用特殊濾紅外光的濾鏡.一般紅色濾鏡僅單邊過濾, 對紅外光區以底片本
        身截止波長特性 ( 對紅外光區不感光 )來屏蔽紅外的影響.


                使用一般攝影用濾鏡攝取影像,對底片沒有問題的;因為一般底片,
        對紅外波段都不敏感;一般攝影用濾鏡設計上就不另外對紅外波段加以阻隔
        . 對 CCD 而言卻不確實 , CCD 對近紅外波段非常敏感 , 一般 CCD  頻率
        響應的峰值約在 8000 埃,而且一直延伸到 10000 埃以外 . 所以必須加一
        片隔絕紅外波段的濾鏡,這一片特殊的濾鏡價格甚貴 . 以  Corion  Corp.
        製 NR-400 interference 為例 : 它容許約 85% 以上的可見光, 但屏蔽了
        7000 埃以上的波段,一吋直徑需 $130. 所有的彩色濾鏡都會透過 7500 埃
        以上,如果不加隔絕紅外波段的濾鏡 . 使用一般攝影用濾鏡攝取的 CCD 影
        像,會深受紅外波段影響,產生全面矇昏,嚴重影響對比 .  合成的顏色就會
        失真 .

                像 M8, 馬頭星雲 ... 等紅色散光星雲,則直接使用 R64 或 R60
        等深紅色濾鏡,再以 PHOTOSTYLER 直接設  IMAGE  　  TUNE  GRAY/COLOR
        CORRECTION... 將 G ,B 頻道值至 0 ,R 保持不變,得到純粹紅光發射的結
        果 . 大部分的星雲 nebulae 紅外光很弱,所以不加隔絕紅外波段的濾鏡 .
        還是可以得到夠好的彩色分離影像 . 而一般星星有很強的紅外輻射, 就一
        定要加隔絕紅外波段的濾鏡 .?

                因為專用濾鏡很貴,也可以改使用 Kodak Wratten gelatin  濾片
        (47 blue,58 green, 25 red) 其設計與一般攝影用玻璃濾鏡有一點很不同
        : 它只容許一個波段範圍內光線通過,嚴格要求透過的顏色區域 .  便宜而
        且厚度很薄 . 對焦點影響很小 . 在變換濾鏡時,不會改變焦點, 這一點很
        重要 . 可以避免重新調焦的困擾 . 就算買同一廠牌同一系列濾鏡,還是有
        厚度不同的可能 . 可是這類濾片不耐用,易磨損,而且綠及藍波段減光嚴重
        .

        CCD相機

                LYNXX  CCD 本身類比轉數位  (A/D  convert)  為 14 位元 (14
        bits).實際用於 R 、 G 、 B 三色合成時, 只要 8 位元 (8 bits)類比轉
        數位就夠了.  所以 ST-4 CCD 的類比轉數位為 8 位元, 也同樣適用.曝光
        比, 由於  CCD 對 RGB 三色光區敏感程度不同, 曝光時間的比例需加以考
        慮.

                根據 "/ 日本 / 月刊天文ガイド 1992.12 P.102" 使用的系統如
        下: Kenko 製三色分解攝影用濾鏡,

       R: R-60
       G: PO1
       B: 改用comet 濾鏡

                以實測同一標準星  ( 白色?) 光強度值, 按加上各濾鏡後曝光所
        得光強度值為比例, 得曝光比為 R:G:B=1.0:3.0:2.3


                用 Kodak Wratten gelatin  濾片 (47 blue,58 green, 25 red)
        得曝光比為 R:G:B=1:1.5:4


        Corion Corp. RGB broad-band interference filter set
        得曝光比為 R:G:B=1:2:2.5

                ST-6 搭配專用的 RGB 濾鏡轉輪盒是目前業餘最佳的組合之一.專
        用的  RGB 濾鏡轉輪盒包含有一片隔絕紅外波段的濾鏡,厚度一致, 在變換
        濾鏡時, 不會改變焦點.加上三片特殊的 RGB 濾鏡, 規格如下:

        Filter          Passband(nm)

        Red             585-680
        Green           496-585     ｝  + IR blocking filter
        Blue           <380-502 望遠鏡 個人電腦pc 雖然用 at
即可,但是 386( 最好要有 387), 486 在運算速度影
像處理上可以迅速得多, ram (4m 以上 ) 越多越好 .
軟體 aip(introduction to astronomical image processing)
進入天文影像處理的第一步,有詳細的手冊及軟體,
可供處理多種 ccd. lynxx,st-4, ms-photostyler 需在
ms-windows 下執行 . photostyler
pc史上最佳影像處理軟體之一 . photoshop 原本為
macintosh 上著名的影像處理軟體, 和 pc 的 photostyler
齊名 . 目前也發展了給 pc 用的版本 .
曝光時間之決定 利用 kodak
灰卡及色盤置於日光或月光下以 ccd
系統攝取影像, 比較灰卡部份的亮度值, 在 rgb
三色對曝光時間的變因.不同的濾鏡組合,
須重新測試得不同的曝光時間比,色盤部份用來檢驗合成顏色正確程度.
用 lynxx ccd 攝得的影像,可以用 aip 讀取 . 我們用
aip 做的 工作主要有兩件 : 1.影像增強 2.unsharp mask
為一種突出細微結構的特殊處裡,將原影像模糊化後得一正像,
與
原影像相加減.對於顯現行星表面,雲氣細節非常有效.
三色合成 將處理完的影像儲存為 tif
影像檔形式,以 photostyler 做 r 、 g 、 b 三色合成.
photostyler 是在 windows
視窗環境下使用的一個專為影像處理 的軟體,
功能強大,在此只述及三色合成時主要使用到的指令.
首先讀出 ccd 的 r 、 g 、 b 三色三個影像,再用
image 項 combine rgb true color
by...合成由於三個影像的合成要求高精確度位 置,
而我們攝得的影像像往往因震動, 風吹,
追蹤不準度,等等問題而略有 移位. 我兩兩用 image
項 combine rgb true color by... rem 合 成之後,
比對位置差, 再用 shift... 指令一一調整位置, 用
image 項 combine rgb true color by...合成之後,
比較同一顆星的 r g b 不同位 置.使用 photostyler
提供的座標顯示, photostyler 提供了 transform 之
shift... 指令,調整 r g b 各影像上下左右位置,
最後再用 image 項 combine rgb true color
by...合成三色為真原色 (true color). photostyler 要求
rgb 影像合成時三個影像須有相同的規格, 即 aaa x
bbb pixel, ccc dpi, 如果有所出入, 可以利用 resample
調整 aspect 及 dpi 達成 . 在 st-6 存檔成 tif
檔時,就必須如此 . 理論上, 合成 rgb 三個 8 bits 256
色影像為一 2^24="1670萬色" 影像, 但這是在使用.
et-4000 167m (2^24="16777216)" true-color super vga
card並且有適當軟體及顯示卡驅動程式
(driver),高水平的螢 幕才能得到. photostyler
本身可以應用到 1670萬色, 最後, 尚須使用 image 之
tune 中 color correction 調整 色彩平衡.
及使影像略做模糊效果, image 之 smoothing
filters.這樣就 可以得到幾乎接近相片品質的 ccd
影像.
photostyler另外還有很多工具可以讓你玩得很過癮.
最後, 尚須使用 image 之 tune 中 color correction 調整
色彩平衡. 及使影像略做模糊效果, image 之 smoothing
filters.這樣就 可以得到幾乎接近相片品質的 ccd
影像. 科學意義 星雲色是hα發射線
■「電子暗房」 林宏欽
翻閱最近的國外天文雜誌,越來越多人將拍攝得的相片及底片,
以 高解析度的桌上型 scanner(1200 dpi) 或底片
scanner(2000 dpi), 將相
片掃瞄到電腦內,經影像處理之後,增加對比,強調細節,
再經由輸出設備得 到傳統暗房無法做到的效果 .
這些人都還是業餘的天文愛好者呢 !
國內天文搞電腦的想必也不少,就算不用 ccd,
時下彩色 scanner
已經很普遍,商業的影像處理軟體也十分成熟 .
可以將自己的天文攝影作
品進一步提昇,加字,修色,合成,無限可能 .kodak 的
photo cd 實際上就
是一種電腦科技在傳統攝影上的應用,此舉並非否定以往的照相術及暗房
, 相反的,提供的一個永久的,無失真的保存之道 .
更具威力的「電子暗房」 .
在電子暗房中,無化學,無色素,任憑創意奔騰 .photo
cd 不僅儲存影像, 輸出相片 .
也可以再生底片,供沖洗一般相片,再生的底片極接近原作的品
質 . 比傳統複製品質控制穩定的多 . 顯示介面
基本上,輸出的顏色多寡,更比多少 dpi 重要,
就好比望遠鏡的口 徑比倍率要有意義一樣 .
目前的標準是 1670 萬色或以上 . 全彩演色性
佳,更能達到接近裸眼所看到的真實世界 .
電腦螢幕的選擇,以使用多頻 (multisync) 顯示器尤佳
. 一般單 頻彩色顯示器亦可 super vga monitor ,
彩色顯示器選購時, 注意比較效 果,可以以 nec fg
series.. 等高品質為參考 . 目前一些高級機種如nec
fg 系列
,附有色彩自動校正的功能,使螢幕上所見和列印的結果一致,十分
重要 . et-4000 32k color super vga card
一定要使用能夠顯示 32k (2^15="32768)"
色以上的彩色顯示卡,才能夠顯示接近真實完美的影像畫質,
目前的彩色顯示卡中曾氏 (tseng)et-4000 系列已有 32k
(32768), hi-color 64k (2^16="65536)," super hi-color 167m
(2^24="16777216)" true-color, 價格各相差一千元左右 .
目前彩色顯示已卡是成熟的產品 .
但是,合成的結果為 rgb 三個 5 bits 32 色影像為一
2^15="32768" 色 .
沒有完全顯示真原色,但是肉眼已不容易分辨出來,真實度極高
. 以往這一 類彩色顯示卡價格相當昂貴 .
拜科技之賜,這些彩色顯示卡的誕生,我們才
有物美價廉的設備 .
從事以往只有在專門研究單位才做得到的效果 .
具有色彩調整, 色溫控制的功能 .
色彩調整是可控制紅藍綠 (rgb)
三原色的調整裝置,使螢幕上所看到的顏色和週邊輸出設備的顏色完
全一致 .
色溫控制的功能讓使用者可以選擇顯示不同的色彩溫度,
一般提 供 9300k,6550k兩種. 輸入裝置 使用 scaner
掃描傳統天文攝影術攝得的 r 、 g 、 b 三色相
片,存成 8 bits影像檔格式,再依上述方法,以
ms-photostyler軟體做 r 、 g 、 b
三色合成.這是新興的技術,免除了傳統暗房化學試驗之苦.適當
的處理還可以使作品生色不少. 輸出裝置
彩色印表機可以到 300dpi. 正負片輸出機可以到
4000dpi.fuji 有一款機器 pictrography 乾脆輸出相紙,
強調數位式全彩 (digital fullcolor printer),
以銀鹽相紙雷射曝光熱顯影轉寫方式,為數位彩色輸
出裝置劃下句點 . 如果有彩色印表機或是硬拷機
(hard copy), 就可以印出彩色影
像,目前的輸出設備中,熱昇華 (thermal sublimation dye
transfer) 的
彩色印表機效果最為卓越,接近照片品質 .
但是成本相當昂貴, a4 規格大 小成本約需 100 元 .
熱轉印型 (thermal transfer) 的機器成本較低 .
效果當然就打了折扣 .
正負片輸出機是另一種極為出色的彩色輸出裝置 .
將電腦影像輸 出成底片,規格從 135,120 至 4x5,
可供放大印相製版之用 . 目前最尖端
的電腦化多媒體及印刷前完稿,這是一種標準化的程序
. 由於要求高水平
的輸出,影像檔本身相當大,可以從幾十 mb 到上百
mb. 非得用可讀寫光碟 片儲存 .
由於這些輸出機器很貴,購買常備並不划算,有些廠商可以提供輸
出服務 . 以電腦處理改善天文攝影作品
天文攝影可以經由電腦的適當處理得到大幅度的改善,原理和暗房
沖放相片一樣,改變色調,對比,明度,
強調細節的特殊技巧,許多提供比暗
房為高竿方便的處理工具 . 舉例說明如下:
以c14直焦點於中央大學天文台所攝得m27啞鈴星雲,hg400底片曝
光30分鐘的效果仍不理想.
受中壢當地光害影響,夜空背景蒙蔽星雲雲氣的
呈,對比顏色都不佳. 首先用 scaner 將相片以 300dpi
,24bits 全彩掃瞄,一般3x5大
小的相片約需3x5x300x300x24 bits
,約mb.將m27本體以外部份crop捨去,
節省記憶體及減少電腦處理上的負擔.
將此影像spit三色分離為rgb三個單獨原色的灰階影像之後,再個
別一一做 auto tonal adjust
,此步驟將增強每一單獨原色的灰階影像,凸
顯所有暗部細節,最後將之combine三色合成.比較一下和原相片便知其威力
. 翻拍螢幕
對業餘而言,翻拍螢幕是物美價廉的方式 .
不須昂貴設備,而且效 果很好 .
螢幕宜選擇平面直角,翻拍的影像才不會變形,螢幕要高品質高析
像力,才不會有很明顯掃瞄線,目前螢幕的最小像元為
0.25mm. 約為 100 dpi.
所以直接翻拍的缺點是解析度會受到限制降低 . 1.
曝光時間要大於1/8秒,大於螢幕的掃瞄頻率 ,
相機垂直對 準螢幕. 2.
加一片修正電視色調的濾鏡,如kneko tv-cc. 結語
在持續漸進的過程中「閱讀文獻」及「動手做」是不二法門
. 不 只是在這方面,在天文攝影 ,
或是其他方面,「閱讀文獻」是借鏡於別人的 經驗
,
在從無到有的過程中,參考別人成功的作法可以省走許多冤枉路,並
且累積知識.「知識就是力量」.
「動手做」是親自實踐的信念,自己親身去做的樂趣遠大於看別人
怎們做.所以業餘天文愛好者不辭辛勞地攜帶沈重的望遠鏡滔滔大老遠地奔
赴高山觀測,看人家坐雲霄飛車總不如自己坐來的恐怖,就是這樣.--雖然到
現在我還不敢坐雲霄飛車 .
最大的樂趣無非是自我的突破,每一次有了新的進展,
那滋味令人
回味在心,雖然口裡說沒什麼,實質上心裡非常得意
. 第一次拍天文照片,
第一個精彩的星跡攝影作品,首次追蹤得成功不拖線的星點像
, 甚至第一 次對焦準確,在在都耐人尋味 .
參考資料: aip(astronomical image processing) 手冊 astronomy
1992.7 sky & telescope 1993.2 st-6で天體を寫す/日本
月刊 天文 1992.12 p.20 冷卻 ccd カメラ (st-6)
による三色分解攝像カラー合成畫像 / 日本 /
月刊天文ガイド 1992.12 p.102 [圖] m27 ccd tricolor image
1993.10.20 / 20h40m 林宏欽攝於中央大學天文台
c-14+reducer (d="350mm" , f.l.="3910" 減焦至?～ 2737 mm ,f11
減焦至 ～ f7 ) st-6 ccd camera + color filter wheel cfw-6
曝光時間: 紅red:360sec 綠green:420sec 藍blue:600sec color
eilter passbands (sbig cwf-6 rgb series) 濾鏡種類
透過波長範圍 filter passband(nm) 紅(red) 585-680
隔絕紅外波段的濾鏡 綠(green) 496-585 ｝ + ir blocking
filter 藍(blue) <380-502 *在pc 上使用 photostyler
軟體作成rgb三原色合成影像
最高品質的數位影像輸入,一為 kodak photocd,
二為底片掃瞄機 , 如 nikon cool scan , microtek scanmaker
35t (600 dpi 24bit), 倘
若洗成相片之後再以彩色掃瞄機間接輸入,則其效果往往大打折扣
.底片掃
瞄機價格昂貴,需要頻繁使用才有購買價值.一般想要嘗試數位影像的同好,
kodak photocd是絕佳的抉擇. 電腦圖像 rgb
最高品質輸出有兩種,分別為 (1) 相紙輸出, (2)
正片輸出 . □以 pictrography 3000
相紙輸出為例,(見月刊天文ガイド廣告)
┌────────────┬────────────────────────┐
│pictrography 相紙 │ pictrography 相紙輸出解像度 │
│ │ (以3:2底片比例最大影像為例) │
├─────┬──────┼─────┬─────┬──────┬─────┤
│用紙 │最大影像尺寸│133dpi │200dpi │267dpi
│320dpi │ │尺寸(mm) │橫x縱(mm) │ │ │ │ │
├─────┼──────┼─────┼─────┼──────┼─────┤
│ │ │788x539 │1185x811 │1582x1083 │1896x1298 │
│156.5x112 │150.5x106 │(1.22mb) │(2.75mb) │(4.90mb)
│(7.04mb) │
├─────┼──────┼─────┼─────┼──────┼─────┤
│a4 │ │1141x754 │1717x1134 │2292x1514 │2746x1814 │
│224x156.5 │218x150.5 │(2.46mb) │(5.57mb) │(9.93mb)
│(14.3mb) │
├─────┼──────┼─────┼─────┼──────┼─────┤
│b4 │ │1566x1037 │2354x1559 │3143x2081 │3767x2494 │
│305x224 │299x218 │(4.65mb) │(10.5mb) │(18.7mb)
│(26.9mb) │
├─────┴──────┼─────┼─────┼──────┼─────┤
│用 途 │觀賞用 │鑑賞用 │直接相片品質│
印刷用 │
└────────────┴─────┴─────┴──────┴─────┘
另提供 ohp 透明片 ( 底片 ) 輸出 . 35mm 正片輸出
(以3:2底片比例最大影像為例)
┌───────┬───────┐ │2k │4k
│ ├───────┼───────┤
│2048x1366 │4096x2731 │ │(3:2) │(3:2) │ │(8mb)
│(32mb) │ ├───────┼───────┤
│放映用 │印刷用 │
└───────┴───────┘ 2k 係指
35mm 正片輸出時,底片比例為 3:2 ( 長邊 : 短邊="36mm"
: 24mm) ; 長邊 36mm 所對應的輸出解像度為 2 x
1024="2048" 像 元 , 短邊 24mm 所對應的輸出解像度為
1366 像元 (1k="1024)" . 影像 的大小為 2048 x 1366 x 24
bits="8,392,704" bytes, 即 8mb. 4k 即 35mm 正片長邊 36mm
所對應的輸出解像度為 4096 像元 . 4k 以上 (8k,16k)
或 120 正片之輸出乃為最高品質印刷用等級的水準
. 影像檔格式要求一般以 tiff,tga
等為標準,但仍視各公司而異 ,
一般也提供影像格式轉檔服務,酌收費用 .
需輸出之影像檔以著名的影像 處理軟體 photoshop
可以讀寫的格式為準,photoshop 廣泛受到使用,是業
界公認標準 .
等待輸出之影像檔因為很大,一般磁片容量有限,通常必須儲
存於可讀寫光碟片 (mo)上攜帶 .