Computing Life

1月19日北美迎来2019年唯一的一次月全食。月食前半小时竟然云出现了一条缝，自然是要出门拍照的。但从摄影的角度说，单独拍一个月亮是非常没有意思的。当时月亮也已经高悬在半空了，没有什么地景可以用。所以就开始被迫思考有没有什么方法能把月亮拍的有意思一点。我有望远镜倒是可以把月亮拍大，但想想1200像素的高清月亮其实遍地都是了，也不是特别独特。循着这个思路继续思考，如果我们把“拍大”这件事在现有设备下做到极致，会不会变得更有意思呢？网上流传的1200像素的高清月亮也许可以打印成一个6寸的照片。那如果我们能拍出来一张照片印成1米x1米呢？如果能印成2米x2米呢？从艺术的角度来说，这种巨大的红月是否可以给观众带来独特的冲击力呢？从技术上来说，这在现有条件下能不能做到呢？

这个可行性的核心就是尽可能提升照片的光学分辨率，数码分辨率和信噪比。把它推到极限来满足打印的需求。我们之前也有一系列文章来介绍如何计算光学系统的光学分辨率极限，提升照片的数码分辨率和信噪比。用同样的方法在我的系统（8寸望远镜）上计算出来，如果用最小像素的相机正好可以在极限光学分辨率下实现打印1米x1米的目标。如果配上巴洛镜会有些过采样，不配会有些欠采样。考虑到月球在全食的时候是非常暗的，加了巴洛镜（Barlow Lens）以后会更加黯淡，一方面会降低信噪比，另一方面视野的减小也会严重降低拍摄速度。所以最终采取的方案是不用巴洛，而是多拍一些照片，回头用drizzle debayer来把欠采样的光学分辨率给榨取出来。

拍摄的手法和一般的月面摄影都比较类似了，先对极轴配平，然后goto校准。因为我是折返镜，所以进行了光轴校准 …

从数码相机的发源开始，我们就一直在问，如何有效提升相机的分辨率。在它的背后其实是一整个（甚至数个）领域的发展。这个文章就从四个部分介绍和超高分辨率数码摄影相关的故事：

1. 什么场景需要几百亿像素的照片？
2. 如果一次性拍摄（非拼接，这样就可以拍摄动态场景），有什么设备和方法可以使用？
3. 如果允许拼接，有什么方法可以使用？
4. 如果只有手头的设备，有什么方法可以拍出高分辨率的图像？

几百亿像素的场景

这个场景其实不多见。想想也知道，现在绝大多数的照片浏览都在手机端完成，要那么多像素搞个毛。一般在生活中我们能看到的有以下几个例子：

1. 星球级别的卫星地图，比如NASA的高分辨率月面图，谷歌地球/月球/火星。这种主要是因为星球太大了，即使光学分辨率很低（哪怕100m/像素），乘出来的分辨率也相当可观。因此一般也要求有特殊的浏览手段，一次只下载和浏览一小块区域。受到卫星和飞机设备的限制，这种场景只能使用多次拍摄然后拼接。
2. 文物的保护，比如微软亚洲研究院对敦煌石窟的高分辨率扫描。这个项目在2010年左右就用了10亿像素的机器进行拍摄，用的是单轨大画幅+微距+扫描传感器+景深合成。随着近十年电子传感器的飞速发展，同样的方法在今天达到百亿像素分辨率应该不成问题。
3. 艺术项目，比如微软和西雅图的艺术家们合作做了这个200亿像素的图像 …

在某些特定的情况下，可以通过后期的方式来提升数码分辨率，把光学系统的光学分辨率榨取出来。这种提高分辨率的方法叫drizzle，在天文摄影和医学图像处理中被广泛使用。

懒人版摘要：

• drizzle要生效的基本要素有：镜头给力传感器不行+抖动
• 考虑到现代彩色相机的bayer matrix，drizzle有对应的彩色版本叫drizzle debayer。它的基本思路一致，可以提升色彩准确度和有效分辨率。
• 相关的工具有photoshop，deepskystacker

详细分析和算法介绍：

drizzle要生效的基本要素有：

• 首先这个光学系统应当是欠采样而不是过采样的。也就是说艾里斑的大小需要小于像素的大小（准确的说应当小于2倍像素的大小，这牵涉到奈奎斯特采样定律。搜索关键字是光学分辨率和传感器分辨率的匹配）。在这种情况下，前面光学系统给了足够的信息给传感器，只是传感器不够给力没办法精确记录这些信息。这个可以类比于解一个方程组，你有1000个方程，但只有200个未知数。此时就可以人为增加未知数的数目，把一个大像素切成4个小像素。但如果光学分辨率不够的话（俗话就是镜头喂不饱传感器），这时候需要的操作是反卷积。反卷积是个under-constrained线性问题，也就是你有900个方程但有1000个未知数。这种情况就不能再加更多的未知数了。 比较早的相关工作是NASA给哈勃望远镜做的，这主要是因为地面望远镜系统的光学分辨率限制在口径大到一定程度以后就不再是艾里斑，而是大气抖动。哈勃望远镜因为没有大气扰动问题，所以光学分辨率远超地面的望远镜，一不小心就欠采样了，非常适合做drizzle。
• 然后这个光学系统需要有一定的“抖动”。比如下面是一个典型的欠采样的例子。我们有一个圆形的物体的像落到了左边的像素网格中。这四个像素都感光了 …

没想到在西雅图的郊区也能看到壮美的银河。

在做任何事情以前，都要想清楚目标是什么，或者说做成什么样算是“好”的。对拍照这种事来说，当然没有一个“正确”的目标，或者说什么照片就是“好”的。对我而言，因为没什么文化，我在看到银河的时候只有连呼卧槽。所以我在照片里也想把这种卧槽的思想感情表达出来，希望也能感染观众。让看到的人也说一句卧槽，这个照片就成功了。作为一个理工男，我也希望在技术上这个照片是没有错误的，或者说照片的瑕疵要少，经得起放大：星星没有拖尾，整个幅面的星星看起来都是一个个点而不是糊成一坨，照片干净没有噪点没有杂色。此外，我也希望这个照片有点意思，最好是一组组图，从不同的角度表达卧槽的思想感情。比如不要只是单纯一个星空，最好有点有意思的前景，或者有银心特写等等。

定义好了想要实现的目标以后，下面就是具体实施了。因为这个目标比较宽泛复杂，我们需要进行一定程度的分解。具体地说，我们可以把目标分成三个阶段：

• 要把银河拍出来
• 把银河拍清楚
• 把银河拍的有意思

下面我们一个一个分析怎么实现。

要把银河拍出来，基本有天时地利即可。所谓天时是晴天，新月，银心足够高，大气宁度高 …

在知乎上看到有人问，为什么大家都用胶卷拍照然后转印到相纸上，而不是用相纸直接拍照？学到了其实有一种正像相纸可以不用胶卷转印直接拍照冲印（https://www.zhihu.com/question/56987928/answer/151291646）。正好这段时间在想着试试放大机转印，于是就被种草买了两盒回来玩。

上图就是现在能买到的伊尔福哈曼直接成像相纸的包装。印象里这种相纸在十几年前停产了，原因是原料缺乏可靠的来源。但后来网上各种人吵着要复刻，所以伊尔福/哈曼花了几年时间终于稳定了工艺，开始重新生产。现在卖的基本上都是重新投产的。我买的是4x5英寸的版本，包装的大小和4x5底片的大小一致。价格大约是一张相纸6块人民币。也有8x10的规格。

上图是一张相纸长什么样。相纸分两面，一面白，一面粉红。粉红的那面是有曝光材料的。显影定影以后会褪色，就剩下黑白的影像了。注意和一般的银盐相纸一样，正像相纸的处理也是要在红色的安全灯下面进行的。我这里只是为了演示一下相纸长什么样（其实是拍废了一张 网上的评测有的提到相纸的大小和4x5底片的大小有些微不同，所以要先剪一下才能放到片夹里去。但我拿到的不需要剪，而且装片比底片快很多，大概因为225g的纸就给人一种很耐操的感觉。一个要注意的地方是这个片子的ISO大约是3，但一般需要打一个test strip测试一下。下面是我在日光下打的test strip，分别对应ISO 0.75 …