摘要:天象直播是科普界的新领域，利用大型望远镜为观众带来无与伦比的天文盛宴，是一种直接、有效的天文科普方式。上海天文馆作为全球最大天文馆，拥有目前国内最大口径科普望远镜——双焦点可切换一米望远镜。基于该望远镜本身硬件基础搭建了一个天象直播平台，旨在分享搭建天象直播平台的经验，为其他类似案例提供参考。
关键词:直播；网络科普；天象；望远镜
1天象直播现状
在第三工业革命之后，人类从电气时代迈入了信息时代。时至如今，互联网的蓬勃发展在很大程度上改变了人类原有的生活方式。在天文科普领域，利用互联网渠道做科普宣传也已经成为常态。天象直播活动是其中一种深受观众喜爱的直播方式，尤其是在发生日食[1]、月食、金星凌月等特殊天象的时候，能够激起大众的好奇心同时传播天文知识。目前举办直播的单位主要为各大天文台和航天局，例如国外的英国格林尼治天文台、美国国家航天局，国内有深圳天文台、国家天文台、新疆天文台、云南天文台等。国内天文台在重大天象活动直播时还会组成直播联盟，形成全国直播网络资源共享平台。上海天文馆作为天文科普场馆的主要功能就是传播天文知识，天象直播是对外科普的一条重要科普途径。
2上海天文馆双焦点可切换一米望远镜介绍
2.1主焦点与耐式焦点光学系统
双焦点可切换一米望远镜（Double-focusOne-meterTelescope，DOT）位于上海天文馆望舒天文台内。望眼镜由中科院上海天文台牵头负责制造，兼具科研与科普两种功能。DOT是目前国内最大口径的地平式[2]科普望远镜，口径达到一米。它拥有两种工作焦点光学系统：主焦点光学系统和耐斯密斯[3]（Nasmyth）焦点光学系统。其中主焦点光学系统覆盖的观测波段为400nm～800nm，视场约1.75°，焦距约为2.12m，可用于大视场巡天观测或大尺度展源天体观测。耐式焦点光学系统观测波段为400nm～1000nm，视场约19′，焦距长约9.23m，主要用于特定目标高分辨率成像。在耐焦系统中，可以通过改变第三镜的方向，左右切换光路，从而实现目视系统到CCD成像系统的转换。
2.2成像终端
望远镜成像终端共有3个：主焦端CMOS、耐焦平台的CCD和目视系统。目视系统中特别设计一套延长系统，适用于不同高度人群从不同角度通过目镜观看天体。使用目视系统时，光线由第三境反射至A端，再经过45°转向镜改变方向，于B端也就是目视端汇聚成像。B端为2寸标准接口，可安装更换不同类型不同焦距的目镜。如果使用目视端进行直播画面采集，需要安装单反相机、行星相机、深空天体相机等视频采集终端将画面转为数字信号输出到电脑屏幕上。主焦终端安装的是QHY411型背照式科学级[4]彩色CMOS（图4a），使用的是SONYIMX411BSI传感器，拥有1.5亿像素，16位AD转换，有效感光尺寸不小于40mm×40mm，带有双层半导体制冷，配有2个10G万兆光纤传输网口，可满足高强度数据传输要求，速度可以达到1.6GBytes/s。耐焦CCD端使用的是KAF-09000单色前照式相机，拥有900万像素。
2.3控制软件
上海天文台为DOT开发了一套智能化操作系统。用户图形界面通过动画、实时图表和LED指示灯告知操作员望远镜工作状态，相较于传统数字显示更为直观有效。可以使用软件控制圆顶开关、转动和随动、望远镜跟踪天体、主焦相机拍摄、耐焦相机拍摄等功能。用户可以通过星图、星表或自行设定坐标来选择观测目标、编排观测计划，调节观测参数等。通过控制系统，也可以实时监控望远镜状态、预览相机拍摄效果。
3直播平台搭建
3.1系统架构
本案例的直播平台系统主要由以下几个部分构成：视频采集系统；视频编码系统；流媒体服务器系统；直播软件平台；后期图像存储与处理系统五部分组成。
3.1.1视频采集系统。视频采集系统由望远镜、控制电脑和图像采集终端构。由于望远镜本身具有3个图像采集终端，各个终端设备也具备一定的可更换性，因此基本可以满足各类天体直播需求。主焦端一般用于大视场拍摄，例如月像直播，大范围天区直播。耐焦端具备9.23m焦距，可用于高分辨率天体成像，但是视场范围较小。
3.1.2视频编码系统。QHY411相机的单帧图像像素超过1.5亿像素，如此高分辨率的视频是无法实时转播出去的。视频编码系统可以压缩视频大小进行存储和传输，在此过程中图像质量不会产生明显差别。视频编码拥有硬件编码和软件编码两种方式，硬件编码使用非CPU进行编码计算，例如图形显卡，专用视频采集卡等；软件编码则使用CPU编码计算。因为望远镜控制系统和图像采集系统需要占用大量系统CPU资源，为减轻CPU负担，我们为QHY411相机配备了一块专业视频采集卡来解码。
3.1.3流媒体服务器系统。直播是个一对多的过程，如果本地上传带宽不足就会造成直播卡顿，严重影响直播效果。流媒体服务器的出现有效地解决这一问题。它的作用是存储实时压缩的音频和视频信息，通过服务器强大的硬件设备和足够大的带宽，能够同时将视频画面传输至多个用户终端，避免直播过程中出现卡顿。感谢直播行业的繁荣，商业流媒体服务器如雨后春笋般涌出，为我们天象直播过程节省了自行搭建流媒体服务器这一步骤。如果自身不具备搭建服务器条件，可以选择租借商业服务器作为短期使用。
3.1.4直播软件平台。天文科普直播在选择直播平台的时候也需要作一番考量，不同的直播平台的受众面具有一些差异，选择合适的直播平台有助于精准传递科普知识。现在直播行业的迅速发展使得各大互联网公司争相推出各自的直播软件，比较著名的有抖音、快手、斗鱼、虎牙、哔哩哔哩等。上海天文馆天象直播属于人文科普类直播，一般时长超过半小时，内容以天文科普为主，目前主要使用哔哩哔哩作为直播平台。
3.1.5后期图像存储与处理系统。直播视频画面的存储和再创造也是上海天文馆科普重要的一个环节。直播由于其时效性导致受众面只能是当时观看直播的群众，将直播画面保存下来剪辑成视频供观众随时观看可以提高科普的时效性。另外望远镜拍摄的原始画面都带有噪声[5]，通过后期天文图像处理软件提高图像分辨率并且降低噪声，可以使得天体的特征细节变得突出。一般常用的天文图像后期处理软件有AutoStakkert、RegiStax6、Photoshop等。
3.2直播流程与拍摄效果展示
整个直播流程顺序为：确认直播内容和时间；提前打开、调试望远镜确保处于正常状态；使用望远镜控制程序，将望远镜指向目标天体；用SharpCap专业天文摄像软件采集相机画面；使用OpenBroadcasterSoftware（OBS）将画面推流至服务器；登陆直播平台通过服务器获得画面进行直播。在上海天文馆开馆后，我们进行了数次直播活动。其中2021年11月19日的月偏食直播活动受到社会各界的广泛关注和好评，证明了天象直播是一种有效的天文科普方式。同时也利用DOT拍摄了多幅天体图像，
4优势与不足
此直播平台基于上海天文馆DOT望远镜搭建，作为国内最大口径科普望远镜拥有绝对口径优势，但是上海的地理位置和设备硬件瓶颈也导致了一些不足。
4.1大口径高分辨率
望远镜口径大小直接决定分辨率的高低。天文学中将刚好能够区分两个星点之间的角距离叫做角分辨率[5]。角分辨率越小，表示能够分辨处靠得近的天体，对于月球、木星、土星等展源天体就是能得到更清晰的表面细节。望远镜的分辨率和口径关系（瑞利关系）是：其中为角分辨，为观测波段波长，D为望远镜口径的直径。可以看出，在观测相同波段条件下，望远镜口径越大，角分辨率越小，也就是成像更清晰。望远镜的口径越大，收集到的光子越多，从而能够观测到更暗的天体。一般小口径望远镜需要长时间曝光才可能达到类似的效果，这也是利用DOT直播深空天体的巨大优势所在。
4.2地理限制
对于处于地球大气层中的地面望远镜，角分辨率极限还会受到大气层的影响。大气中的湍流运动会导致天文图像模糊、闪烁甚至失真。天文学中使用视宁度[6]这一物理量来描述当地大气湍流对观测的影响程度。一般在高海拔的干燥地区视宁度条件都很理想，世界上一些著名天文台的选址都在此类地区。上海天文馆位于上海市浦东新区滴水湖附近。上海本身处于多雨地带，滴水湖附近靠近东海，大气视宁度条件不是很理想。此外城市化进程的快速发展，周围光污染比较严重。还有一个特殊的点，天文馆上空属于航道，飞机驶过会导致大气剧烈扰动，
4.3硬件瓶颈
科研级相机设计的初衷不是记录动态视频画面，而是静态的图片。QHY411相机具有1.5亿像素，拍摄8位深度30帧黑白视频，每秒视频存储体积达到4.3Gb。如果拍摄16位深度60帧彩色视频，则每秒会产生51.5Gb的数据。对于前者情况，使用PCle4.0以上NVMe固态硬盘还能满足使用需求。而后者情况，目前市面上还没有能够达到此传输速度要求的硬盘，因此只能录制画质较低的视频图像。
5天象直播的意义
如今我国社会的最主要矛盾已经转化成人民日益增长的美好生活需求和不平衡不充分发展之间的矛盾。在这种情况下人民群众急需优质的精神食粮。网络直播科普利用新时代互联网发展优势，将科普受众面扩大到全世界范围，将科普带到家中。天象直播科普是目前深受大众喜爱的科普方式，它能够通过屏幕直观的把天文现象呈现在人们眼前。尤其是特殊天象，能够给大众带来奇幻的天象体验。例如，2021年11月19日，上海天文馆使用DOT望远镜直播月偏食事件。本次月偏食直播引起公众极大兴趣。通过云直播服务器分发信号，共有超过50家媒体进行转播，包括人民日报、央视新闻、央视网、人民网、环球网、央视频、腾讯新闻等主流传播平台，累计播放3800多万人次。天象直播作为网络科普的一部分，具备了互联网科普时效性、交互性的优点，让高效天文科普成为现实。利用直播将天文科普带到家中，足不出户就能拓展天文爱好者和普通群众的视野，也拓展了我馆进行天文科普的方式。
6结语
随着时代的发展，科普的方式也与时俱进，科普工作者必须跳出传统现场科普思维，整合现有新媒体资源，打造多媒体科普新平台。天象直播是一种新兴科普方式，它拉近了科普工作者和观众的距离，也拉近了观众与天象的距离，让天文科普成为一场视觉盛宴。上海天文馆是目前全球顶级天文馆，拥有国内最大口径科普望远镜。DOT望远镜天象直播平台的搭建，可以为大众提供优质天文科普体验。此平台还目前处于起步阶段，未来将会持续改进和完善系统，并与全国优秀天文科普基地建立合作关系，促进我国天文科普事业的发展。
参考文献
[1]洋铭.datavideoMS-900成功应用天象直播[J].中国电化教育，2009（11）：125.
[2]马锦，顾伯忠.地平式望远镜轴系误差对指向精度和跟踪精度的影响[J].天文研究与技术，2011，8（2）：132-138.
[3]何鑫，姜翔，顾伯忠，等.丽江2.4m望远镜耐焦卡焦切换系统的设计与分析[J/OL].红外与激光
[4]邱虹云.QHY411产品参数[EB/OL].（2022-06-13）.
[5]穆全全，彭增辉，宣丽.大口径望远镜的高分辨成像技术[J].物理，2020，49（3）：164-173.
[6]王德清.丽江2.4米光学望远镜的视宁度研究[D].昆明：中国科学院大学（中国科学院云南天文台），2019.
作者:王磊 姚嵩