數位相機與天文攝影
97/08/04
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傅學海｜
臺灣師範大學地球科學系
在電子產品日新月異的帶動下，數位相機已經取代傳統相機成為主流。只要在聚會和旅遊景點稍稍留意，就會發現使用的相機大多是數位相機，傳統相機已經成為少數「機族」了。目前，數位相機也隨著數位產品的發展深入天文攝影。
攝氏零下40度的震撼
在 2002 年的春節過後，筆者有機會遠赴加拿大白馬市觀賞極光。當然也做了一些功課，估計可以觀賞到極光的機率，以及準備好拍攝極光的相機和底片。在臺灣的高山，溫度常降至攝氏 10 度以下，當初，筆者認為在如此低溫時，數位相機會失效而無法使用。因此，除了為極光之旅準備了數位攝錄機做為一般拍照用之外，另外準備了一具機械式快門的傳統單眼相機專為拍攝極光之用。
筆者運氣很好，連續兩個晚上都看到了極光。不過，除了令人驚艷的極光外，也見識了數位相機的威力。
在白天時，看到好幾位年輕人使用數位相機。問他們用什麼拍晚上的極光，他們揮揮手上的數位相機，但筆者提醒他們電子設備在低溫環境時可能失效。當晚，室外氣溫攝氏零下 40 度。筆者非常興奮，因為在小學 6 年級時，便學過攝氏零下 40 度等於華氏零下 40 度。將近 40 年後，親自處於這個場合，特別拍下溫度計的指示做為留念。
震撼則來自數位相機和數位攝錄機。筆者在戶外使用傳統機械式快門相機拍攝極光，同時也有許多年輕人使用數位相機拍攝極光。令筆者意外的是，他們的數位相機竟然不受低溫的影響，曝光 4 至 8 秒，輕鬆地拍下極光，而且效果不錯。在整整兩個多小時中，這些數位相機都能正常拍攝，一點問題也沒有，除了極光，也拍攝到星座。另外，數位攝錄機的表現也讓我意外，在如此寒冷、低溫的環境中，數位攝錄機仍然可以運作，絲毫不受影響。
極光之旅結束後，回到臺灣，二話不說，申購數位相機。而且引進大學部的天文觀測課程中，讓學生可以輕鬆地拍攝星座，例如北斗七星、獵戶座等。
數位「底片」
攝影使用的器材已經改頭換面，從傳統相機轉向數位相機，從「傳統底片沖洗成照片」，走向「電子晶片訊號轉成數位影像或照片」，而且後來居上，不論在品質、感光度和便利性上，都已經獲得攝影愛好者的肯定。尤其在感光度和便利性上，更是傳統底片無法企及的。原先的價格障礙，也由於近年來電子產品的急速降價而逐漸掃除，而且儲存影像的電腦記憶體的容量和價格都已經不是大問題。對於辛勤的拍攝者，單幅影像的成本比傳統底片購置、沖洗的費用便宜許多。
現在的數位攝影，不論在便利性、敏感度和事後影像處理的技術上，都開創了一個新的境界，讓人可以輕易嘗試天文攝影的樂趣。即使在城市光害嚴重的地區，不需要望遠鏡，直接使用數位相機，也能輕鬆拍攝到星座。如果使用影像處理軟體，把多幅影像疊加，也能夠輕易拍到銀河。當然，在光害稀少的高山海濱，更能輕易留下滿天銀河的倩影。
數位天文攝影能夠躍為主流，有一些配合的因素。其中，數位相機和個人電腦的功能及價格最具關鍵性的影響。其次是 1 萬美元以下、具有冷卻系統的 CCD 和數位相機的問世，加速了業餘人士拍攝出令人驚豔的天體影像。
數位相機最大的方便，就是可以即時檢驗拍攝影像的好壞。使用傳統底片相機，必須等到照片沖洗後才知道拍攝成功與否。不論是曝光時間過長而泛白，或是相機腳架被碰到而使得影像晃動等的失敗作品，總要等到照片出來後才能看到，但那時已經回天乏術了。要重新回到現場再來一次，那可難了。而使用數位相機，可以當場觀看拍攝的結果，不用擔心拍不好，不理想時馬上重拍，一直拍到理想為止。
數位相機和數位單眼相機
一般所稱的數位相機，是指機身和鏡頭連在一起、不能分開的機型。而機身和鏡頭可以分離的，則稱為數位單眼相機。對已經擁有傳統單眼相機的人來說，購置單眼數位相機的最大好處是可以直接使用原有的各式鏡頭與設備，不用再添購。
目前，相機大廠都已經推出各種類型的數位相機和單眼數位相機，型式繁多。有興趣的新手宜仔細比較個人的需求，上網查看各種機型的規格和測試報告，最好問問有經驗的朋友，比較不會在面對五花八門的型錄時不知如何選擇。
星座和銀河
天文攝影的最佳入門當然是星座攝影了。
許多人總認為在城市、都會區無法看見星座。但是，只要抬頭看看，就會發現即使在臺北市中正紀念堂元宵燈會的場合，都能看見雙子座、金牛座的一些亮星。而且相機可以長時間曝光，很輕鬆便能拍下肉眼看不見的天體。雖然一般數位相機沒有冷卻系統，無法拍攝到比較黯淡的天體，但還是很輕鬆地便能拍攝到四、五星等的恆星，或是以事後影像處理的技巧，呈現出美麗的銀河倩影。在比較沒有光害的高山或海邊，星座或銀河更是輕鬆地隨拍隨得。
使用 Sony F717，在臺北市國宅頂樓陽台上拍攝夜空。把數位相機架設在三腳架上，對向北斗七星，感光度設定在 ASA100，曝光 4 秒鐘，北斗七星便輕鬆入鏡，而且輕易地便把北斗第６顆肉眼可以辨識的雙星「開陽」和「輔」分開。把鏡頭經過光學放大 5 倍後，竟然拍攝到「開陽」和「輔」之間的另一顆暗星。這是筆者第一次不用望遠鏡，直接用相機鏡頭拍攝到這 3 顆星，興奮之情油然而生，久久不能平息。
在春夏的夜晚，北斗七星高掛天空，是非常理想的入門對象。冬天當然拍攝獵戶座，夏夜則是天蝎座，這兩個星座都是很好的測試對象。另外，獅子座、雙子座等也能一一進入電子數位相簿中。
所有星星都跟太陽、月亮一樣會東升西降，如果沒有使用赤道儀追蹤，鏡頭就無法跟著星星跑，因此曝光時間不能太長，免得星星拖曳成為線狀。這時，就可以充分利用數位相機的優點了，儘量多拍幾次，例如一次 10 秒，拍個 30 次，就相當於累積曝光 5 分鐘，這對於星座攝影來說，算是長時間的曝光了。
如果使用傳統相機，拍個30張，一捲底片就差不多用完了。先沖洗成照片，再一一掃描成數位影像，哇！這可是個大工程。使用數位相機就不一樣了，拍完後，用 USB 傳輸線或讀卡機直接把影像傳輸到電腦中，便可以進行「後製作」的程序了。
日落或日出過程
拍攝日落或日出過程並不需要用到望遠鏡，直接使用相機就可以得到不錯的效果。
但是拍攝太陽時，要十分小心，因為太陽明亮耀眼，經過鏡頭聚焦，亮度常會過度而無法留下太陽圓盤影像，因此建議只拍攝夕陽或旭日。即使如此，如果拍攝時天清氣爽、萬里無雲，太陽仍然十分刺眼，必須使用減光濾鏡才能拍攝到呈現圓盤的太陽。
天文數位影像後製作
在影像保存、展示和處理方面，數位影像都和傳統相機不同。另外，傳統底片沖洗所需要的暗房技巧，也已經被數位影像處理軟體所取代。
數位相機和傳統相機的差異，還不只是顯影和儲存方式的不同，在拍攝後的處理和保存方面也有很大的差異。傳統相機攝影者，在洗出照片後，通常只是把照片依據日期或性質安置在相本中保存，並供自己或親朋好友觀賞。要給朋友時，就必須加洗。但是數位相機得到的影像，除了在相機本身的小螢幕觀賞外，通常都會傳到電腦中暫存，再燒錄成光碟永久保存。要觀賞時，則以影音光碟的方式觀賞。要給朋友時，則複製一份光碟，或以電子信件方式傳給朋友，或由朋友在個人網頁上自行瀏覽。
對於一些玩家，拍攝影像只是一個開始，事後的影像處理，像是疊片、圖案化、編成專輯、數張影像結合成全景等，更是一種樂趣和自我成就感。
在購置一些數位相機時，便附有影像處理軟體的光碟，供攝影者進行影像簿或影像目錄之類的處理，有的也有一些影像編輯軟體。而市面上也有許多影像處理軟體，比較知名的有繪聲繪影、PhotoShop、PhotoImpact 等。在天文攝影方面，也有許多天文影像處理軟體。
影像後製實例：疊片
許多攝影愛好者，或是比較專業的業餘攝影者，在拍完影像後，大都喜歡進行一些事後的處理，浮現影像中的特點，或玩弄各種影像技巧，以凸顯主題或風格。在傳統攝影中，玩的是暗房技巧和底片重疊；在數位影像中，這些「影像後製作」已經成為每個玩家的基本要求了。
為了具體比較傳統影像和數位影像的後製作，以下以「疊片」或「重疊影像」說明傳統底片暗房技巧和數位影像處理的差異。
在星座攝影中，沒有使用赤道儀追蹤時，常用短時間曝光拍攝數張至數十張影像，再疊合起來呈現長時間曝光的效果。即使用赤道儀追蹤，以長鏡頭或望遠鏡拍攝星雲星團，一般天文攝影好手也常以 10 分鐘或 20 分鐘的曝光時間拍攝數張，事後再加以疊片產生小時級以上的曝光效果。
把數張（傳統）底片重疊，可以使微弱的細節浮現，但是能重疊的底片有限，超過三、四幅底片，背景便太暗而失效，這時只能採用暗房技巧處理。在暗房中，把每一張底片的影像採用適度的曝光時間投影在相紙上，累積 30 幅的影像後，再使相紙顯影。如果失敗或效果不理想，則整個過程重來一次。通常完成一幅理想的作品，不知殺掉多少時間、死掉多少細胞。
大約在十多年前，個人電腦的處理器效能、記憶體容量達到可以處理影像以後，許多攝影暗房就變得空蕩而成為廢室。因為，用掃描機把底片或照片上的影像數位化後，用電腦影像處理軟體進行影像疊合、遮罩之類的工作，不但快速方便，還可以即時看見效果，做為嘗試、修正的依據。
單純地把多幅影像重疊，就可以得到傳統的多重曝光影像。把每隔 1 至 5 分鐘的落日影像，一連取 5 幅重疊在一起，一眼便可以看出夕陽是以一個角度落入地平線。許多人的印象是「落日是垂直落入地平面」，這其實是一個迷思，落日軌跡和鉛垂線的夾角反映了拍攝地點的緯度。
21 世紀已經進入電子數位的時代，數位相機已經普及，連行動電話附加的相機也已經達到3百萬畫素的規格。數位天文攝影也成為擋不住的主流，並模糊了專業和業餘的界線。有數位相機的讀者，何不試試天文攝影，找一個晴夜，就在住家附近拍攝星座，只要短短數秒，你就會發現已經跨入天文攝影之門了。這便是現代科技所展現的威力，數位相機讓人人都能一嘗天文攝影的樂趣和成就。
暗電流
數位相機的核心是一個電子晶片。只要有溫度，電子零件本身一定會產生電流，這是屬於雜訊的一種，溫度越高，雜訊越大，而且隨著時間拉長而累積。電子晶片也是一樣，即使沒有任何光線照射，也會產生雜訊，專有名詞稱為「暗電流」。
在拍攝影像時，必須把這個「暗電流」的雜訊去除。曝光多久，便要扣除同樣曝光時間的「暗電流」。
高階的數位相機大都具有自動扣除「暗電流」的功能。一般攝影的曝光時間大多在百分之幾秒，「暗電流」也須累積同樣的時間，由於時間短，許多人不會感覺到有什麼不同。但是如果是進行長時間曝光的夜間攝影或天文攝影，就可以清楚感受到這項功能的存在。例如曝光時間長達 10 秒，則在曝光結束後，相機本身處理影像的時間便需要 10 秒，它便是利用這段時間累積 10 秒鐘的「暗電流」數據，並加以扣除。
一般說來，暗電流受溫度影響很大。溫度常因不同時間和地點而變化（例如從戶外進入有冷氣的室內），因此每次拍攝以後，都需要扣除當時環境下的暗電流。
白平衡
在彩色繽紛的光影中，所有的「光之色」都可由紅、綠、藍 3 種色光調配而成，紅、綠、藍因此被稱為「光的三原色」。電視螢幕、電腦螢幕等呈現的多彩影像，就是由紅、綠、藍三原色混合而成。數位相機也是利用這個原理，利用對紅、綠、藍三色感光的像素，混合出彩色繽紛的影像。
如果把相同分量的紅光、綠光及藍光疊加，便呈現「白光」。因此，可以用「白光」來校正或修正顏色。例如，室內的日光燈偏藍，因此在室內燈光下拍攝的影像都偏藍。這時需要一個已經確定是白光的物體做為修正的參考，通常是用一張色調均勻的白紙或白絨布（專業則使用灰卡）做為白光源。把數位相機對著「白紙或白絨布」拍攝一張影像做為參考，專門術語稱為「白平衡」。簡單地說，「白平衡」就是在和拍攝時相同的光源下，做為修訂或校準色彩之用，重現自然色彩。
如果照相機本身有白平衡模式設定，拍攝前把模式設成和光源一致，便可以得到不錯的色彩效果。要留意的是，在不同情境下，有不同的色調。例如黃昏時色調偏紅、日光燈下色調偏藍、電燈泡下偏橙等。在不同情境下，必須使用不同的「白平衡」。數位相機本身內建有數種情境下的「白平衡」，例如黃昏、雪地等，選取適當的白平衡模式設定，數位相機在拍攝時會自動修正，把影像走調的色彩還原為正常的色彩。
但是，環境不在數位相機內建的情境中時，或者加了一些特殊濾鏡時，拍攝者想要獲得正常的色調，就必須自己建立「白平衡」。如果選擇自拍的「白平衡」影像，則數位相機內建的程式會自動地以「白平衡」為參考，把影像中各點的顏色一一修正，使原來偏離原色調的影像調整為正常的顏色。
