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摘要:天象直播是科普界的新領域，利用大型望遠鏡為觀眾帶來無與倫比的天文盛宴，是一種直接、有效的天文科普方式。上海天文館作為全球最大天文館，擁有目前國內最大口徑科普望遠鏡——雙焦點可切換一米望遠鏡?；谠撏h鏡本身硬件基礎搭建了一個天象直播平臺，旨在分享搭建天象直播平臺的經驗，為其他類似案例提供參考。
關鍵詞:直播；網絡科普；天象；望遠鏡
1天象直播現狀
在第三工業革命之后，人類從電氣時代邁入了信息時代。時至如今，互聯網的蓬勃發展在很大程度上改變了人類原有的生活方式。在天文科普領域，利用互聯網渠道做科普宣傳也已經成為常態。天象直播活動是其中一種深受觀眾喜愛的直播方式，尤其是在發生日食[1]、月食、金星凌月等特殊天象的時候，能夠激起大眾的好奇心同時傳播天文知識。目前舉辦直播的單位主要為各大天文臺和航天局，例如國外的英國格林尼治天文臺、美國國家航天局，國內有深圳天文臺、國家天文臺、新疆天文臺、云南天文臺等。國內天文臺在重大天象活動直播時還會組成直播聯盟，形成全國直播網絡資源共享平臺。上海天文館作為天文科普場館的主要功能就是傳播天文知識，天象直播是對外科普的一條重要科普途徑。
2上海天文館雙焦點可切換一米望遠鏡介紹
2.1主焦點與耐式焦點光學系統
雙焦點可切換一米望遠鏡（Double-focusOne-meterTelescope，DOT）位于上海天文館望舒天文臺內。望眼鏡由中科院上海天文臺牽頭負責制造，兼具科研與科普兩種功能。DOT是目前國內最大口徑的地平式[2]科普望遠鏡，口徑達到一米。它擁有兩種工作焦點光學系統：主焦點光學系統和耐斯密斯[3]（Nasmyth）焦點光學系統。其中主焦點光學系統覆蓋的觀測波段為400nm～800nm，視場約1.75°，焦距約為2.12m，可用于大視場巡天觀測或大尺度展源天體觀測。耐式焦點光學系統觀測波段為400nm～1000nm，視場約19′，焦距長約9.23m，主要用于特定目標高分辨率成像。在耐焦系統中，可以通過改變第三鏡的方向，左右切換光路，從而實現目視系統到CCD成像系統的轉換。
2.2成像終端
望遠鏡成像終端共有3個：主焦端CMOS、耐焦平臺的CCD和目視系統。目視系統中特別設計一套延長系統，適用于不同高度人群從不同角度通過目鏡觀看天體。使用目視系統時，光線由第三境反射至A端，再經過45°轉向鏡改變方向，于B端也就是目視端匯聚成像。B端為2寸標準接口，可安裝更換不同類型不同焦距的目鏡。如果使用目視端進行直播畫面采集，需要安裝單反相機、行星相機、深空天體相機等視頻采集終端將畫面轉為數字信號輸出到電腦屏幕上。主焦終端安裝的是QHY411型背照式科學級[4]彩色CMOS（圖4a），使用的是SONYIMX411BSI傳感器，擁有1.5億像素，16位AD轉換，有效感光尺寸不小于40mm×40mm，帶有雙層半導體制冷，配有2個10G萬兆光纖傳輸網口，可滿足高強度數據傳輸要求，速度可以達到1.6GBytes/s。耐焦CCD端使用的是KAF-09000單色前照式相機，擁有900萬像素。
2.3控制軟件
上海天文臺為DOT開發了一套智能化操作系統。用戶圖形界面通過動畫、實時圖表和LED指示燈告知操作員望遠鏡工作狀態，相較于傳統數字顯示更為直觀有效。可以使用軟件控制圓頂開關、轉動和隨動、望遠鏡跟蹤天體、主焦相機拍攝、耐焦相機拍攝等功能。用戶可以通過星圖、星表或自行設定坐標來選擇觀測目標、編排觀測計劃，調節觀測參數等。通過控制系統，也可以實時監控望遠鏡狀態、預覽相機拍攝效果。
3直播平臺搭建
3.1系統架構
本案例的直播平臺系統主要由以下幾個部分構成：視頻采集系統；視頻編碼系統；流媒體服務器系統；直播軟件平臺；后期圖像存儲與處理系統五部分組成。
3.1.1視頻采集系統。視頻采集系統由望遠鏡、控制電腦和圖像采集終端構。由于望遠鏡本身具有3個圖像采集終端，各個終端設備也具備一定的可更換性，因此基本可以滿足各類天體直播需求。主焦端一般用于大視場拍攝，例如月像直播，大范圍天區直播。耐焦端具備9.23m焦距，可用于高分辨率天體成像，但是視場范圍較小。
3.1.2視頻編碼系統。QHY411相機的單幀圖像像素超過1.5億像素，如此高分辨率的視頻是無法實時轉播出去的。視頻編碼系統可以壓縮視頻大小進行存儲和傳輸，在此過程中圖像質量不會產生明顯差別。視頻編碼擁有硬件編碼和軟件編碼兩種方式，硬件編碼使用非CPU進行編碼計算，例如圖形顯卡，專用視頻采集卡等；軟件編碼則使用CPU編碼計算。因為望遠鏡控制系統和圖像采集系統需要占用大量系統CPU資源，為減輕CPU負擔，我們為QHY411相機配備了一塊專業視頻采集卡來解碼。
3.1.3流媒體服務器系統。直播是個一對多的過程，如果本地上傳帶寬不足就會造成直播卡頓，嚴重影響直播效果。流媒體服務器的出現有效地解決這一問題。它的作用是存儲實時壓縮的音頻和視頻信息，通過服務器強大的硬件設備和足夠大的帶寬，能夠同時將視頻畫面傳輸至多個用戶終端，避免直播過程中出現卡頓。感謝直播行業的繁榮，商業流媒體服務器如雨后春筍般涌出，為我們天象直播過程節省了自行搭建流媒體服務器這一步驟。如果自身不具備搭建服務器條件，可以選擇租借商業服務器作為短期使用。
3.1.4直播軟件平臺。天文科普直播在選擇直播平臺的時候也需要作一番考量，不同的直播平臺的受眾面具有一些差異，選擇合適的直播平臺有助于精準傳遞科普知識?，F在直播行業的迅速發展使得各大互聯網公司爭相推出各自的直播軟件，比較著名的有抖音、快手、斗魚、虎牙、嗶哩嗶哩等。上海天文館天象直播屬于人文科普類直播，一般時長超過半小時，內容以天文科普為主，目前主要使用嗶哩嗶哩作為直播平臺。
3.1.5后期圖像存儲與處理系統。直播視頻畫面的存儲和再創造也是上海天文館科普重要的一個環節。直播由于其時效性導致受眾面只能是當時觀看直播的群眾，將直播畫面保存下來剪輯成視頻供觀眾隨時觀看可以提高科普的時效性。另外望遠鏡拍攝的原始畫面都帶有噪聲[5]，通過后期天文圖像處理軟件提高圖像分辨率并且降低噪聲，可以使得天體的特征細節變得突出。一般常用的天文圖像后期處理軟件有AutoStakkert、RegiStax6、Photoshop等。
3.2直播流程與拍攝效果展示
整個直播流程順序為：確認直播內容和時間；提前打開、調試望遠鏡確保處于正常狀態；使用望遠鏡控制程序，將望遠鏡指向目標天體；用SharpCap專業天文攝像軟件采集相機畫面；使用OpenBroadcasterSoftware（OBS）將畫面推流至服務器；登陸直播平臺通過服務器獲得畫面進行直播。在上海天文館開館后，我們進行了數次直播活動。其中2021年11月19日的月偏食直播活動受到社會各界的廣泛關注和好評，證明了天象直播是一種有效的天文科普方式。同時也利用DOT拍攝了多幅天體圖像，
4優勢與不足
此直播平臺基于上海天文館DOT望遠鏡搭建，作為國內最大口徑科普望遠鏡擁有絕對口徑優勢，但是上海的地理位置和設備硬件瓶頸也導致了一些不足。
4.1大口徑高分辨率
望遠鏡口徑大小直接決定分辨率的高低。天文學中將剛好能夠區分兩個星點之間的角距離叫做角分辨率[5]。角分辨率越小，表示能夠分辨處靠得近的天體，對于月球、木星、土星等展源天體就是能得到更清晰的表面細節。望遠鏡的分辨率和口徑關系（瑞利關系）是：其中為角分辨，為觀測波段波長，D為望遠鏡口徑的直徑。可以看出，在觀測相同波段條件下，望遠鏡口徑越大，角分辨率越小，也就是成像更清晰。望遠鏡的口徑越大，收集到的光子越多，從而能夠觀測到更暗的天體。一般小口徑望遠鏡需要長時間曝光才可能達到類似的效果，這也是利用DOT直播深空天體的巨大優勢所在。
4.2地理限制
對于處于地球大氣層中的地面望遠鏡，角分辨率極限還會受到大氣層的影響。大氣中的湍流運動會導致天文圖像模糊、閃爍甚至失真。天文學中使用視寧度[6]這一物理量來描述當地大氣湍流對觀測的影響程度。一般在高海拔的干燥地區視寧度條件都很理想，世界上一些著名天文臺的選址都在此類地區。上海天文館位于上海市浦東新區滴水湖附近。上海本身處于多雨地帶，滴水湖附近靠近東海，大氣視寧度條件不是很理想。此外城市化進程的快速發展，周圍光污染比較嚴重。還有一個特殊的點，天文館上空屬于航道，飛機駛過會導致大氣劇烈擾動，
4.3硬件瓶頸
科研級相機設計的初衷不是記錄動態視頻畫面，而是靜態的圖片。QHY411相機具有1.5億像素，拍攝8位深度30幀黑白視頻，每秒視頻存儲體積達到4.3Gb。如果拍攝16位深度60幀彩色視頻，則每秒會產生51.5Gb的數據。對于前者情況，使用PCle4.0以上NVMe固態硬盤還能滿足使用需求。而后者情況，目前市面上還沒有能夠達到此傳輸速度要求的硬盤，因此只能錄制畫質較低的視頻圖像。
5天象直播的意義
如今我國社會的最主要矛盾已經轉化成人民日益增長的美好生活需求和不平衡不充分發展之間的矛盾。在這種情況下人民群眾急需優質的精神食糧。網絡直播科普利用新時代互聯網發展優勢，將科普受眾面擴大到全世界范圍，將科普帶到家中。天象直播科普是目前深受大眾喜愛的科普方式，它能夠通過屏幕直觀的把天文現象呈現在人們眼前。尤其是特殊天象，能夠給大眾帶來奇幻的天象體驗。例如，2021年11月19日，上海天文館使用DOT望遠鏡直播月偏食事件。本次月偏食直播引起公眾極大興趣。通過云直播服務器分發信號，共有超過50家媒體進行轉播，包括人民日報、央視新聞、央視網、人民網、環球網、央視頻、騰訊新聞等主流傳播平臺，累計播放3800多萬人次。天象直播作為網絡科普的一部分，具備了互聯網科普時效性、交互性的優點，讓高效天文科普成為現實。利用直播將天文科普帶到家中，足不出戶就能拓展天文愛好者和普通群眾的視野，也拓展了我館進行天文科普的方式。
6結語
隨著時代的發展，科普的方式也與時俱進，科普工作者必須跳出傳統現場科普思維，整合現有新媒體資源，打造多媒體科普新平臺。天象直播是一種新興科普方式，它拉近了科普工作者和觀眾的距離，也拉近了觀眾與天象的距離，讓天文科普成為一場視覺盛宴。上海天文館是目前全球頂級天文館，擁有國內最大口徑科普望遠鏡。DOT望遠鏡天象直播平臺的搭建，可以為大眾提供優質天文科普體驗。此平臺還目前處于起步階段，未來將會持續改進和完善系統，并與全國優秀天文科普基地建立合作關系，促進我國天文科普事業的發展。
參考文獻
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[2]馬錦，顧伯忠.地平式望遠鏡軸系誤差對指向精度和跟蹤精度的影響[J].天文研究與技術，2011，8（2）：132-138.
[3]何鑫，姜翔，顧伯忠，等.麗江2.4m望遠鏡耐焦卡焦切換系統的設計與分析[J/OL].紅外與激光
[4]邱虹云.QHY411產品參數[EB/OL].（2022-06-13）.
[5]穆全全，彭增輝，宣麗.大口徑望遠鏡的高分辨成像技術[J].物理，2020，49（3）：164-173.
[6]王德清.麗江2.4米光學望遠鏡的視寧度研究[D].昆明：中國科學院大學（中國科學院云南天文臺），2019.
作者:王磊 姚嵩