商用扫描仪在天文底片数字化中的测试*

于 涌，赵建海，唐正宏，廖石龙，2

（1.中国科学院上海天文台，上海 200030；2.中国科学院大学，北京 100049）

商用扫描仪在天文底片数字化中的测试*

于 涌1，赵建海1，唐正宏1，廖石龙1，2

（1.中国科学院上海天文台，上海 200030；2.中国科学院大学，北京 100049）

我国的天文底片数字化工作已正式启动，选取高精度的扫描仪是该工作首要和基本的任务。对Epson公司的V750 Pro和10000XL，以及Phase One公司的PowerPhase FX+扫描仪开展了测试，结果表明，PowerPhase FX+具有较高的扫描精度，一方面，该扫描仪扫描方向的稳定性与线阵CCD方向相当，均优于0.5μm；另一方面，通过UCAC3参考星归算结果显示，尽管PowerPhase FX+的照相式扫描会带来像场畸变，但考虑3阶底片模型后，扫描星像的位置精度较高。对于上海天文台佘山40 cm折射望远镜1987年拍摄的M79底片，扫描星像的位置精度优于0.1″。

天文底片；数字化；照相天体测量；扫描仪

在19世纪中叶至20世纪80年代末CCD被广泛应用前，照相底片是天文观测最主要的探测器件。据统计，全世界约有300万张天文照相底片，其中我国有3万余张。天文照相底片记录了100多年来天体的位置及活动的信息，它们是不可复制的原始观测资料。利用照相底片所得的信息不仅可作为现代CCD观测遥远天体的基础，而且还可用于相关天文课题的研究，例如太阳系动力学［1］、恒星运动学［2］、长周期双星、聚星的动力学［3］和长时间尺度下天体光变［4］等方面。天文照相底片因其特殊的物化特性，对保存条件十分苛刻，要求底片库房保持恒温、恒湿、无尘、无霉等。一旦保存条件不理想，天文底片易发生霉变损坏、药膜脱落、甚至整张报废。而且，天文照相底片只有通过扫描变成数字化资料后，才能更好地被天文学家用于科学研究。因此，天文底片的数字化工作对永久保存和充分利用这些宝贵的观测资料极其重要。

过去，天文学者曾采用PDS测微密度仪进行天文底片的高精度测量。但是，PDS不仅价格昂贵，而且扫描速度慢，扫描一张天文底片需要数小时，使得这类扫描仪在天文底片数字化中的应用受到限制。近些年，各国天文台纷纷研制快速测量方法来实现底片的数字化，其中利用高端商用扫描仪是一条简单而有效的途径［5-6］。

市场上有多种扫描仪，在我国天文底片数字化工作启动前期，有必要对不同的商用扫描仪进行测试，分析仪器的稳定性和扫描精度，以此作为扫描仪选型的依据。作为该工作的一部分，针对3台高端商用扫描仪开展了扫描测试，本文第1节介绍扫描仪的主要参数、底片信息和试验方法，第2节和第3节分析仪器的扫描稳定性和扫描星像的位置精度，最后为结束语。

1 扫描仪参数、底片信息和试验方法

被测试的扫描仪为日本Epson公司的V750 pro、10000XL平板式扫描仪和丹麦Phase One公司的PowerPhase FX+照相式扫描仪。表1列出Epson扫描仪的主要参数。

Phase One公司的PowerPhase FX+扫描仪同样采用线扫描方式，CCD有效像素为10500 pixel，线阵CCD列方向的长度为8.4 cm，扫描最大行程为10 cm。与平板式扫描仪工作原理不同，PowerPhase FX+的扫描分辨率和扫描尺寸取决于镜头的对焦参数，当镜头越靠近底片，扫描分辨率越高，扫描尺寸也越小，反之亦然。

表1 Epson扫描仪的主要参数Tab le 1 M ain param eters of two Epson scanners

试验底片采用的是中国科学院上海天文台佘山40 cm折射望远镜（焦距6 895mm）1987年2月4日拍摄的球状星团M79天区底片，底片编号为CL87038，整张底片的大小为12 cm×15 cm。

试验方法为，首先利用这3台仪器对试验底片作多次扫描（分辨率设为2 400 dpi），根据星像位置的变化考察扫描的稳定性。考虑到线扫描方式下，线阵CCD列方向与扫描方向的精度情况可能不同，因此将底片旋转90°后再作扫描，通过旋转前后的数据，考察两个方向上的差异。另外，借助于高精度的天体测量星表对扫描图像进行归算，通过参考星残差的中误差，进一步测试和比较这三台仪器的扫描精度。需要说明的是，为了充分测试扫描仪的性能，仅对试验底片中央10 cm×10 cm质量好的区域进行数据采集，避免由底片质量问题引起的不必要麻烦。

2 扫描稳定性分析

利用这3台扫描仪，对试验底片各作10次扫描。受到现阶段试验环境的限制，在扫描过程中，环境温度没有严格保持恒定，并且，扫描仪所在平台也可能受到轻微震动（由操作人员走动和扫描仪本身的机械传动引起），这些因素使得不同次扫描出来的图像存在系统性的平移、旋转和尺度差等。为了排除这些因素的干扰，对于每台扫描仪的扫描，均以最后1次扫描图像为参考，通过共同星，消除其余9次扫描与第10次扫描之间的系统性变化。之后，计算出10次扫描下每颗星像量度坐标的标准偏差，标准偏差反映了扫描仪的重复扫描精度。图1绘出这3台扫描仪线阵CCD列方向和扫描方向的标准偏差随星像亮度的分布，其中横坐标为“以10为底的星像强度的对数”，表2列出所有星像的标准偏差的均值。可见，在线阵CCD列方向上，这3台扫描仪的重复扫描精度均较高；在扫描方向上，Epson两台扫描仪的重复精度明显变差，这表明，在扫描过程中，Epson扫描仪信号读入端在扫描方向上的运动存在较大的不稳定性。而PowerPhase FX+在控制线阵CCD运动方面配备了精密的传动装置，扫描方向的重复性与线阵CCD列方向基本一致，均达到较高的精度（优于0.5μm）。

表2 所有星像位置的标准偏差的均值Table 2 Standard deviations of positions of stellar images

以精度高的线阵CCD列方向为参考，利用角度相差90°的扫描图像，进一步考察扫描方向的特征。具体做法为：通过共同星，将旋转角90°的扫描图像转换至旋转角0°的量度坐标系统中，转换残差则包含了两个方向的差异，考虑到线扫描方式决定了线阵CCD列方向的扫描精度高且稳定，因此该差异主要体现了扫描方向的误差。分别取10组角度相差90°的扫描图像，图2绘出3台扫描仪X方向（线阵CCD列方向）的转换残差随Y方向（扫描方向）的分布。可见，Epson两台扫描仪的残差均表现出明显的系统性分布，振幅可达20μm，说明在扫描底片过程中，扫描仪信号读入端在导轨上的运动存在较大幅度的低频摆动，这将导致扫描方向的坐标产生周期性的误差。通过比较可知，10000XL的系统性残差更大，可能原因是10000XL可扫描更大尺寸的底片，因此配备了更长的信号读入端，且最大行程也较长，它在扫描时更易产生幅度较大的摆动。对于PowerPhase FX+，残差无明显系统性，说明该扫描仪在扫描过程中，线阵CCD能够保持良好的平稳运动。

图1 星像位置的标准偏差随星像亮度的分布，其中X方向和Y方向分别对应线阵CCD列方向和扫描方向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

图2 转换残差随扫描方向的分布Fig.2 Conversion residual as a function of the position along the scanning direction

3 扫描星像的位置精度分析

前面一节考察了3台扫描仪的扫描重复性，以及扫描方向上系统差情况，这主要反映了扫描仪机械部件的性能。扫描仪的另一关键部件为光学成像部件，主要包括光源、镜头和线阵CCD相机。对天文底片的扫描来说，该部件功能相当于对恒星做二次照相，这不仅可能会引入成像畸变，同时也会带来额外的星像位置误差。

以高精度的天体测量星表为参考，利用实际的恒星位置分析扫描星像的位置精度。具体做法为：根据“心射投影”规则，计算得到参考星的理想坐标，它代表了参考星在焦面上的理想位置；选用合适的模型，拟合扫描图像量度坐标系与理想坐标系之间的系统差，系统差主要包括平移、旋转、比例尺差和畸变，其中畸变主要由三方面因素引起，一是观测时较差大气折射和较差光行差引起的星座形变，二是望远镜成像畸变，三是扫描带来的畸变；通过参考星拟合残差的中误差结果，分析比较这3台扫描仪的性能。需要指出的是，在畸变扣除之后，剩余误差主要包括星表位置误差、天文底片上星像的观测误差和扫描带来的误差。由于考察对象为同一张天文底片，主要误差中前两部分基本一致，因此根据拟合残差的中误差结果，可间接对这3台仪器的扫描精度作出评估。

图3 三台扫描仪扫描图像在不同阶模型归算时的参考星中误差Fig.3 Standard deviations of the residual positional errors of the reference stars resulting from the conversions with variousmodels and scanners

为了选择合适的底片参数模型，需要考察在不同模型下，参考星残差的中误差结果，认为参数最少且中误差最小的模型为最佳。从第2节可知，对于线扫描方式，扫描方向易受到机械部件的影响，因此这里只通过线阵CCD列方向的结果确定成像模型。参考星表为UCAC3星表［7］，保证有足够数量的参考星（400颗以上），UCAC3星表的位置精度15mas～100mas，自行精度1mas/yr～10mas/yr。图3示出不同阶模型下，3台扫描仪线阵CCD列方向的中误差结果。可见，Epson 10000XL的成像畸变较小，采用二阶模型时，参考星残差的中误差与更高阶模型结果一致；对于Epson V750 pro和PowerPhase FX+，则需要采用三阶模型，此时中误差结果趋于稳定。根据各自的底片参数模型，表3列出对于3台扫描仪旋转角相差 90°的两批图像，线阵 CCD列方向和扫描方向的中误差结果。可见，受机械部件的误差影响，Epson扫描仪的扫描方向中误差明显差于线阵CCD列方向；而 PowerPhase FX+两个方向的中误差结果相近，并且明显好于 Epson的结果，说明PowerPhase FX+的光学成像也具有较高的精度。对于试验底片，扣除参考星的星表位置误差，可估计出PowerPhase FX+扫描得到的星像位置精度优于0.1″。

表3 三台扫描仪扫描图像的参考星中误差结果Table 3 Standard deviations of the residual positional errors of the reference stars for the conversionsw ith 3 scanners

4 结束语

我国绝大部分天文底片还未被数字化，这制约了第一手观测数据的价值发挥。天文底片上的药膜以溴化银为主，环境的变化会使药膜变黄、发霉甚至脱落。即使保存在理想的恒温、恒湿环境中，底片药膜也会随着时间的推移逐渐变质。因此需要尽快对这些天文底片实现数字化保存，而选取高精度的扫描仪是天文底片数字化工作中的关键。

本文对Epson V750 Pro、10000XL和Phase One公司PowerPhase FX+扫描仪开展了测试，结果表明，PowerPhase FX+具有较高的扫描精度。一方面，该扫描仪扫描方向的稳定性与线阵CCD方向相当，优于0.5μm；另一方面，通过UCAC3参考星的归算结果显示，尽管该扫描仪的照相式扫描会带来一定的像场畸变，但是考虑三阶底片模型后，扫描星像的位置精度较高。对于上海天文台佘山40 cm折射望远镜1987年拍摄的M79底片，扫描星像的位置精度优于0.1″。本文从天文定位角度测试了不同扫描仪的性能，为天文底片数字化的扫描仪选型提供了重要的参考依据，后续工作还将对扫描仪测光性能做进一步测试和分析。

［1］Kavelaars J.PDPP Newsletter No.2，2004：15.

［2］Hog E，Fabricius C，Makarov V，et al.Construction and verification of the Tycho-2 Catalogue［J］.Astronomy and Astrophysics，2000，357（1）：367-386.

［3］Torres G，Stefanik R.The cessation of eclipses in SS lacertae：the mystery solved［J］.The Astronomical Journal，2000，119（4）：1914-1929.

［4］Fresneau A，Argyle R，Marino G，et al.Potential of astrographic plates for stellar flare detection［J］.The Astronomical Journal，2001，121（1）：517-524.

［5］Vicente B，Abad C，Garzon F.Astrometry with“Carte du Ciel”plates，San Fernando zone.I.Digitization and measurement using a flatbed scanner［J］.Astronomy and Astrophysics，2007，471（3）：1077-1090.

［6］金文敬，唐正宏，王叔和，等.天文底片保存和我国天文底片数字化的建议［J］.天文学进展，2007，25（1）：1-12.Jin Wenjing，Tang Zhenghong，Wang Shuhe，et al.Preservation astronomical photographic plates and suggestions of plates digitization in China［J］.Progress in Astronomy，2007，25（1）：1-12.

［7］Zacharias N，Finch C，Girard T，et al.The third US naval observatory CCD astrograph catalog（UCAC3）［J］.The Astronomical Journal，2010，139（6）：2184-2199.

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

国家自然科学基金（11043001）；上海市空间导航与定位技术重点实验室（06DZ22101）资助.

2012-05-20；修定日期：2012-06-12

于 涌，男，博士.研究方向：天体测量.Email：yuy@shao.ac.cn

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673