商用掃描儀在天文底片數(shù)字化中的測(cè)試*

于 涌，趙建海，唐正宏，廖石龍，2

（1.中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

商用掃描儀在天文底片數(shù)字化中的測(cè)試*

于 涌1，趙建海1，唐正宏1，廖石龍1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

我國(guó)的天文底片數(shù)字化工作已正式啟動(dòng)，選取高精度的掃描儀是該工作首要和基本的任務(wù)。對(duì)Epson公司的V750 Pro和10000XL，以及Phase One公司的PowerPhase FX+掃描儀開展了測(cè)試，結(jié)果表明，PowerPhase FX+具有較高的掃描精度，一方面，該掃描儀掃描方向的穩(wěn)定性與線陣CCD方向相當(dāng)，均優(yōu)于0.5μm；另一方面，通過(guò)UCAC3參考星歸算結(jié)果顯示，盡管PowerPhase FX+的照相式掃描會(huì)帶來(lái)像場(chǎng)畸變，但考慮3階底片模型后，掃描星像的位置精度較高。對(duì)于上海天文臺(tái)佘山40 cm折射望遠(yuǎn)鏡1987年拍攝的M79底片，掃描星像的位置精度優(yōu)于0.1″。

天文底片；數(shù)字化；照相天體測(cè)量；掃描儀

在19世紀(jì)中葉至20世紀(jì)80年代末CCD被廣泛應(yīng)用前，照相底片是天文觀測(cè)最主要的探測(cè)器件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界約有300萬(wàn)張?zhí)煳恼障嗟灼?，其中我?guó)有3萬(wàn)余張。天文照相底片記錄了100多年來(lái)天體的位置及活動(dòng)的信息，它們是不可復(fù)制的原始觀測(cè)資料。利用照相底片所得的信息不僅可作為現(xiàn)代CCD觀測(cè)遙遠(yuǎn)天體的基礎(chǔ)，而且還可用于相關(guān)天文課題的研究，例如太陽(yáng)系動(dòng)力學(xué)［1］、恒星運(yùn)動(dòng)學(xué)［2］、長(zhǎng)周期雙星、聚星的動(dòng)力學(xué)［3］和長(zhǎng)時(shí)間尺度下天體光變［4］等方面。天文照相底片因其特殊的物化特性，對(duì)保存條件十分苛刻，要求底片庫(kù)房保持恒溫、恒濕、無(wú)塵、無(wú)霉等。一旦保存條件不理想，天文底片易發(fā)生霉變損壞、藥膜脫落、甚至整張報(bào)廢。而且，天文照相底片只有通過(guò)掃描變成數(shù)字化資料后，才能更好地被天文學(xué)家用于科學(xué)研究。因此，天文底片的數(shù)字化工作對(duì)永久保存和充分利用這些寶貴的觀測(cè)資料極其重要。

過(guò)去，天文學(xué)者曾采用PDS測(cè)微密度儀進(jìn)行天文底片的高精度測(cè)量。但是，PDS不僅價(jià)格昂貴，而且掃描速度慢，掃描一張?zhí)煳牡灼枰獢?shù)小時(shí)，使得這類掃描儀在天文底片數(shù)字化中的應(yīng)用受到限制。近些年，各國(guó)天文臺(tái)紛紛研制快速測(cè)量方法來(lái)實(shí)現(xiàn)底片的數(shù)字化，其中利用高端商用掃描儀是一條簡(jiǎn)單而有效的途徑［5-6］。

市場(chǎng)上有多種掃描儀，在我國(guó)天文底片數(shù)字化工作啟動(dòng)前期，有必要對(duì)不同的商用掃描儀進(jìn)行測(cè)試，分析儀器的穩(wěn)定性和掃描精度，以此作為掃描儀選型的依據(jù)。作為該工作的一部分，針對(duì)3臺(tái)高端商用掃描儀開展了掃描測(cè)試，本文第1節(jié)介紹掃描儀的主要參數(shù)、底片信息和試驗(yàn)方法，第2節(jié)和第3節(jié)分析儀器的掃描穩(wěn)定性和掃描星像的位置精度，最后為結(jié)束語(yǔ)。

1 掃描儀參數(shù)、底片信息和試驗(yàn)方法

被測(cè)試的掃描儀為日本Epson公司的V750 pro、10000XL平板式掃描儀和丹麥Phase One公司的PowerPhase FX+照相式掃描儀。表1列出Epson掃描儀的主要參數(shù)。

Phase One公司的PowerPhase FX+掃描儀同樣采用線掃描方式，CCD有效像素為10500 pixel，線陣CCD列方向的長(zhǎng)度為8.4 cm，掃描最大行程為10 cm。與平板式掃描儀工作原理不同，PowerPhase FX+的掃描分辨率和掃描尺寸取決于鏡頭的對(duì)焦參數(shù)，當(dāng)鏡頭越靠近底片，掃描分辨率越高，掃描尺寸也越小，反之亦然。

表1 Epson掃描儀的主要參數(shù)Tab le 1 M ain param eters of two Epson scanners

試驗(yàn)底片采用的是中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)佘山40 cm折射望遠(yuǎn)鏡（焦距6 895mm）1987年2月4日拍攝的球狀星團(tuán)M79天區(qū)底片，底片編號(hào)為CL87038，整張底片的大小為12 cm×15 cm。

試驗(yàn)方法為，首先利用這3臺(tái)儀器對(duì)試驗(yàn)底片作多次掃描（分辨率設(shè)為2 400 dpi），根據(jù)星像位置的變化考察掃描的穩(wěn)定性。考慮到線掃描方式下，線陣CCD列方向與掃描方向的精度情況可能不同，因此將底片旋轉(zhuǎn)90°后再作掃描，通過(guò)旋轉(zhuǎn)前后的數(shù)據(jù)，考察兩個(gè)方向上的差異。另外，借助于高精度的天體測(cè)量星表對(duì)掃描圖像進(jìn)行歸算，通過(guò)參考星殘差的中誤差，進(jìn)一步測(cè)試和比較這三臺(tái)儀器的掃描精度。需要說(shuō)明的是，為了充分測(cè)試掃描儀的性能，僅對(duì)試驗(yàn)底片中央10 cm×10 cm質(zhì)量好的區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，避免由底片質(zhì)量問(wèn)題引起的不必要麻煩。

2 掃描穩(wěn)定性分析

利用這3臺(tái)掃描儀，對(duì)試驗(yàn)底片各作10次掃描。受到現(xiàn)階段試驗(yàn)環(huán)境的限制，在掃描過(guò)程中，環(huán)境溫度沒(méi)有嚴(yán)格保持恒定，并且，掃描儀所在平臺(tái)也可能受到輕微震動(dòng)（由操作人員走動(dòng)和掃描儀本身的機(jī)械傳動(dòng)引起），這些因素使得不同次掃描出來(lái)的圖像存在系統(tǒng)性的平移、旋轉(zhuǎn)和尺度差等。為了排除這些因素的干擾，對(duì)于每臺(tái)掃描儀的掃描，均以最后1次掃描圖像為參考，通過(guò)共同星，消除其余9次掃描與第10次掃描之間的系統(tǒng)性變化。之后，計(jì)算出10次掃描下每顆星像量度坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，標(biāo)準(zhǔn)偏差反映了掃描儀的重復(fù)掃描精度。圖1繪出這3臺(tái)掃描儀線陣CCD列方向和掃描方向的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨星像亮度的分布，其中橫坐標(biāo)為“以10為底的星像強(qiáng)度的對(duì)數(shù)”，表2列出所有星像的標(biāo)準(zhǔn)偏差的均值?？梢姡诰€陣CCD列方向上，這3臺(tái)掃描儀的重復(fù)掃描精度均較高；在掃描方向上，Epson兩臺(tái)掃描儀的重復(fù)精度明顯變差，這表明，在掃描過(guò)程中，Epson掃描儀信號(hào)讀入端在掃描方向上的運(yùn)動(dòng)存在較大的不穩(wěn)定性。而PowerPhase FX+在控制線陣CCD運(yùn)動(dòng)方面配備了精密的傳動(dòng)裝置，掃描方向的重復(fù)性與線陣CCD列方向基本一致，均達(dá)到較高的精度（優(yōu)于0.5μm）。

表2 所有星像位置的標(biāo)準(zhǔn)偏差的均值Table 2 Standard deviations of positions of stellar images

以精度高的線陣CCD列方向?yàn)閰⒖?，利用角度相?0°的掃描圖像，進(jìn)一步考察掃描方向的特征。具體做法為：通過(guò)共同星，將旋轉(zhuǎn)角90°的掃描圖像轉(zhuǎn)換至旋轉(zhuǎn)角0°的量度坐標(biāo)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換殘差則包含了兩個(gè)方向的差異，考慮到線掃描方式?jīng)Q定了線陣CCD列方向的掃描精度高且穩(wěn)定，因此該差異主要體現(xiàn)了掃描方向的誤差。分別取10組角度相差90°的掃描圖像，圖2繪出3臺(tái)掃描儀X方向（線陣CCD列方向）的轉(zhuǎn)換殘差隨Y方向（掃描方向）的分布。可見，Epson兩臺(tái)掃描儀的殘差均表現(xiàn)出明顯的系統(tǒng)性分布，振幅可達(dá)20μm，說(shuō)明在掃描底片過(guò)程中，掃描儀信號(hào)讀入端在導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)存在較大幅度的低頻擺動(dòng)，這將導(dǎo)致掃描方向的坐標(biāo)產(chǎn)生周期性的誤差。通過(guò)比較可知，10000XL的系統(tǒng)性殘差更大，可能原因是10000XL可掃描更大尺寸的底片，因此配備了更長(zhǎng)的信號(hào)讀入端，且最大行程也較長(zhǎng)，它在掃描時(shí)更易產(chǎn)生幅度較大的擺動(dòng)。對(duì)于PowerPhase FX+，殘差無(wú)明顯系統(tǒng)性，說(shuō)明該掃描儀在掃描過(guò)程中，線陣CCD能夠保持良好的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 星像位置的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨星像亮度的分布，其中X方向和Y方向分別對(duì)應(yīng)線陣CCD列方向和掃描方向Fig.1 Standard deviation of positions of stellar images as a function of stellar brightness.The X direction is along columns of the linear CCD array，and the Y direction is the scanning direction

圖2 轉(zhuǎn)換殘差隨掃描方向的分布Fig.2 Conversion residual as a function of the position along the scanning direction

3 掃描星像的位置精度分析

前面一節(jié)考察了3臺(tái)掃描儀的掃描重復(fù)性，以及掃描方向上系統(tǒng)差情況，這主要反映了掃描儀機(jī)械部件的性能。掃描儀的另一關(guān)鍵部件為光學(xué)成像部件，主要包括光源、鏡頭和線陣CCD相機(jī)。對(duì)天文底片的掃描來(lái)說(shuō)，該部件功能相當(dāng)于對(duì)恒星做二次照相，這不僅可能會(huì)引入成像畸變，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)額外的星像位置誤差。

以高精度的天體測(cè)量星表為參考，利用實(shí)際的恒星位置分析掃描星像的位置精度。具體做法為：根據(jù)“心射投影”規(guī)則，計(jì)算得到參考星的理想坐標(biāo)，它代表了參考星在焦面上的理想位置；選用合適的模型，擬合掃描圖像量度坐標(biāo)系與理想坐標(biāo)系之間的系統(tǒng)差，系統(tǒng)差主要包括平移、旋轉(zhuǎn)、比例尺差和畸變，其中畸變主要由三方面因素引起，一是觀測(cè)時(shí)較差大氣折射和較差光行差引起的星座形變，二是望遠(yuǎn)鏡成像畸變，三是掃描帶來(lái)的畸變；通過(guò)參考星擬合殘差的中誤差結(jié)果，分析比較這3臺(tái)掃描儀的性能。需要指出的是，在畸變扣除之后，剩余誤差主要包括星表位置誤差、天文底片上星像的觀測(cè)誤差和掃描帶來(lái)的誤差。由于考察對(duì)象為同一張?zhí)煳牡灼?，主要誤差中前兩部分基本一致，因此根據(jù)擬合殘差的中誤差結(jié)果，可間接對(duì)這3臺(tái)儀器的掃描精度作出評(píng)估。

圖3 三臺(tái)掃描儀掃描圖像在不同階模型歸算時(shí)的參考星中誤差Fig.3 Standard deviations of the residual positional errors of the reference stars resulting from the conversions with variousmodels and scanners

為了選擇合適的底片參數(shù)模型，需要考察在不同模型下，參考星殘差的中誤差結(jié)果，認(rèn)為參數(shù)最少且中誤差最小的模型為最佳。從第2節(jié)可知，對(duì)于線掃描方式，掃描方向易受到機(jī)械部件的影響，因此這里只通過(guò)線陣CCD列方向的結(jié)果確定成像模型。參考星表為UCAC3星表［7］，保證有足夠數(shù)量的參考星（400顆以上），UCAC3星表的位置精度15mas～100mas，自行精度1mas/yr～10mas/yr。圖3示出不同階模型下，3臺(tái)掃描儀線陣CCD列方向的中誤差結(jié)果?？梢?，Epson 10000XL的成像畸變較小，采用二階模型時(shí)，參考星殘差的中誤差與更高階模型結(jié)果一致；對(duì)于Epson V750 pro和PowerPhase FX+，則需要采用三階模型，此時(shí)中誤差結(jié)果趨于穩(wěn)定。根據(jù)各自的底片參數(shù)模型，表3列出對(duì)于3臺(tái)掃描儀旋轉(zhuǎn)角相差 90°的兩批圖像，線陣 CCD列方向和掃描方向的中誤差結(jié)果?？梢?，受機(jī)械部件的誤差影響，Epson掃描儀的掃描方向中誤差明顯差于線陣CCD列方向；而 PowerPhase FX+兩個(gè)方向的中誤差結(jié)果相近，并且明顯好于 Epson的結(jié)果，說(shuō)明PowerPhase FX+的光學(xué)成像也具有較高的精度。對(duì)于試驗(yàn)底片，扣除參考星的星表位置誤差，可估計(jì)出PowerPhase FX+掃描得到的星像位置精度優(yōu)于0.1″。

表3 三臺(tái)掃描儀掃描圖像的參考星中誤差結(jié)果Table 3 Standard deviations of the residual positional errors of the reference stars for the conversionsw ith 3 scanners

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)絕大部分天文底片還未被數(shù)字化，這制約了第一手觀測(cè)數(shù)據(jù)的價(jià)值發(fā)揮。天文底片上的藥膜以溴化銀為主，環(huán)境的變化會(huì)使藥膜變黃、發(fā)霉甚至脫落。即使保存在理想的恒溫、恒濕環(huán)境中，底片藥膜也會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸變質(zhì)。因此需要盡快對(duì)這些天文底片實(shí)現(xiàn)數(shù)字化保存，而選取高精度的掃描儀是天文底片數(shù)字化工作中的關(guān)鍵。

本文對(duì)Epson V750 Pro、10000XL和Phase One公司PowerPhase FX+掃描儀開展了測(cè)試，結(jié)果表明，PowerPhase FX+具有較高的掃描精度。一方面，該掃描儀掃描方向的穩(wěn)定性與線陣CCD方向相當(dāng)，優(yōu)于0.5μm；另一方面，通過(guò)UCAC3參考星的歸算結(jié)果顯示，盡管該掃描儀的照相式掃描會(huì)帶來(lái)一定的像場(chǎng)畸變，但是考慮三階底片模型后，掃描星像的位置精度較高。對(duì)于上海天文臺(tái)佘山40 cm折射望遠(yuǎn)鏡1987年拍攝的M79底片，掃描星像的位置精度優(yōu)于0.1″。本文從天文定位角度測(cè)試了不同掃描儀的性能，為天文底片數(shù)字化的掃描儀選型提供了重要的參考依據(jù)，后續(xù)工作還將對(duì)掃描儀測(cè)光性能做進(jìn)一步測(cè)試和分析。

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A Test of Commercial Scanners for Digitization of Astronom ical Plates

Yu Yong1，Zhao Jianhai1，Tang Zhenghong1，Liao Shilong1，2
（1.Shanghai Astronomical Observatory，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200030，China，Email：yuy@shao.ac.cn； 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Digitization of astronomical plates has started in China，and the selection of high-precision scanners is a primary task for the digitization.We have tested 3 scanners，Epson V750 Pro，Epson 10000XL，and Phase One PowerPhase FX+.We have found that the PowerPhase FX+has the highest scan precision，with the stability of scanning direction better than 0.5μm which equals to that of the CCD linear-array direction.We use the UCAC3 catalog as the reference in the test.Our results show that the images resulting from the scanning of a PowerPhase FX+have complicated distortions，which need to be corrected with a 3-order plate model.Using such corrections the positionalmeasurement accuracy of stars is 0.1″for the M79 astronomical plate taken with the Sheshan 40cm Telescope of the Shanghai Astronomical Observatory in 1987.

Astronomical plates；Digitization；Photographic astrometry；Scanner

P123.1+4

：A

：1672-7673（2013）03-0288-05

國(guó)家自然科學(xué)基金（11043001）；上海市空間導(dǎo)航與定位技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（06DZ22101）資助.

2012-05-20；修定日期：2012-06-12

于 涌，男，博士.研究方向：天體測(cè)量.Email：yuy@shao.ac.cn

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673