网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

哈勃发射30周年!小小CCD如何得到如此瑰丽的宇宙照片?

0
分享至

今天是

哈勃太空望远镜发射30周年

的纪念日

我们看到的许多

瑰丽的宇宙照片

都是由哈勃望远镜拍摄的

那么

这位大功臣

究竟是怎么拍出来这些照片的呢?

就让小石头来带大家看一看吧~

哈勃太空望远镜Hubble Space Telescope(HST)的CCD确实很小。

拍摄出天文界网红观测照片“创世之柱 Pillars of Creation”所用的广角相机3(Wide FieldCamera 3:WFC3)由两个可见紫外(Ultra violate Visible :UVIS)的CCD组成。每个UVIS传感器的尺寸是2048x4096,也就是2x八百万双摄,跟当今各个旗舰机动辄一亿像素浴霸四摄比根本就是老年机水平。

但还是拍出了这样美到让人窒息的照片。


【创生之柱 Pillars of Creation . 2014】

低配摄像头能整出来如此高端的照片往往只需要简单的操作(实际上非常难)

拼接

这个是摄影里的基本操作,视野范围(Field of View :FOV)不大没关系,只要拍摄的对象是静态的,多拍几张拼一起就行,和手机的全景模式一样。

NASA官方发布的Pillars of Creation是4800万像素,也就是WFC3进行多个角方向的拍摄然后拼接在一起的。


CCD分辨率很大程度上取决于其设计视野范围和口径所对应的最小分辨角,所以天文望远镜的CCD并不一定有大规模的像素,但是拼出来的成片可以很大。

叠加

多图叠加主要是为了增加信噪比和动态范围同时去掉射线噪点,跟现在的手机的夜景模式是类似的,就是增加曝光时间,或者连续拍多张照片,找特征点对应一下叠在一起,并且把边缘裁掉。

任何电子设备都有底噪,在成像设备里底噪的表现就是在进光量小的时候成片里有磨砂感。


这是手机拍的一张夜景,通过手动拉高亮度,虽然能看清轮廓了,但是底噪是随机的。天体信号不是随机的,通过叠加可以增强信号,叠加速度比随机信号快。

举个例子


一个sinc信号被底噪淹没。

如果假设sinc信号一直存在,采样20次求平均是这样的:


采样200次求平均是这样的:


就能看出来信号原来的样子了,采样更多次求平均可以得到更好的信号。

所以,叠加求平均可以提高信噪比。

【这就是为什么女生拍照同一个姿势拍那么多张,因为需要叠加降噪】


叠加求平均的另外一个原因是可以提高动态范围,如果单像素传感器输出的是uint8,那么其强度只能是0到255之间的整数,动态范围就是传感器接收信号的上限比能识别的最弱的信号,也就是255/1。如果拿两张图求平均,最小能达到的值是0.5,量程依然是255,所以动态范围就变成了 255/0.5也就是510,提高一倍,当然实际情况没有这么线性,有一些其他参数需要考虑。相机上的HDR模式就是高动态范围(High Dynamic Range)模式,可以让闪光灯里亮瞎的前景和昏暗的夜景都被拍下来。

除了叠加降噪,HST成像算法中还有一个操作是对比消亮点。在相机成像中因为有高能宇宙射线轰击,成像结果中会出现这种大的亮点,分布比较稀疏,这些宇宙射线打出来的亮点也是随机的。可以通过对比多个次成像,如果亮点一直存在于某个位置亮度不变,那么它是发光天体,如果只在个别次采集中存在,那么它就是射线轰击产生的。


经过这样操作的图再拿去叠加去噪,以及经过一些图像主动降噪的方法,最终得到了丝滑清晰的高动态范围的成像。


其实去看HST成像半成品(单通道的拼接之后但还没进行多通道叠加以及裁切的数据)就会发现,它的边缘有明显的堆叠痕迹,没有堆叠的部分就会有一些底噪和白点。

叠加和拼接说起来比较容易,但是实现起来还是很困难的。

因为,哈勃在飞,以大概7.5km/s的速度飞行,而叠加和拼接对于指向的要求非常高要arcsec级别的指向精度,这个在地球上都不是一件容易的事情。


哈勃使用Fine Guidance Sensor (FGS) 精细导星感测器来实现实时的姿态调整,原理就是在视野边缘找几个亮点,锁定亮点在视野内的相对位置通过陀螺仪微调姿态来得到一个相对稳定的主镜视野。

国际劳动节

多通道组合

通过去噪和拼接得到的图片是只有强度值的,因为UVIS传感器只对强度敏感,不对波长敏感,这就需要UVIS滤镜(跟美颜滤镜不是一个东西)


滤镜可以选择通过某个波长附近的光,对应不同颜色。通过切换滤镜得到不同波段的光。


然后再组合起来,就是惊艳的宇宙照片了。

结:有些人表面在搞天文,其实是在搞美颜图像处理——

参考资料及图片来源:

NASA, ESA/Hubble and the Hubble Heritage Team

http://www.stsci.edu/hst/wfc3

https://www.nasa.gov/image-feature/the-pillars-of-creation

https://www.spacetelescope.org/images/heic1501a/

https://www.pbs.org/wgbh/nova/origins/hubb-04.html

https://frontierfields.org/2014/01/10/cluster-and-parallel-fields-two-for-the-price-of-one-2/

https://theconversation.com/the-pillars-of-creation-a-glimpse-into-how-stars-are-born-41039

撰稿:张沛锦

美编:刘俞伶


特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
五省争夺四强,浙江完胜山东拔得头筹,湖北有望跻身四强

五省争夺四强,浙江完胜山东拔得头筹,湖北有望跻身四强

唔哈哈哈
2022-07-03 19:09:56
霍启刚宅家庆43岁生日,与儿女一起炸薯条太有爱,郭晶晶独在异国

霍启刚宅家庆43岁生日,与儿女一起炸薯条太有爱,郭晶晶独在异国

盖饭娱乐官方号
2022-07-03 00:15:44
李立群:历经坎坷回到中国台湾,但只是短暂停留,还会回上海拍戏

李立群:历经坎坷回到中国台湾,但只是短暂停留,还会回上海拍戏

回忆的沙不漏
2022-07-03 14:24:35
疫情收入大跌,空姐都开始转行

疫情收入大跌,空姐都开始转行

锦绣江山美如画
2022-07-03 12:12:15
乌军连长:我的连遭到最猛烈的炮火打击,全连仅剩8人向俄军投降

乌军连长:我的连遭到最猛烈的炮火打击,全连仅剩8人向俄军投降

迷彩虎军事
2022-07-03 19:00:33
悔之晚矣,俄专家认为:不该向中国出售苏-30,再多钱也不行

悔之晚矣,俄专家认为:不该向中国出售苏-30,再多钱也不行

夜阑听书雨
2022-06-28 15:56:20
与中国联手干掉美国?普京当全世界面发声,拜登图谋必须破产!

与中国联手干掉美国?普京当全世界面发声,拜登图谋必须破产!

周民说科技
2022-07-03 12:17:56
神回复:为什么有些家庭年收入才10万上下,却能每天大手大脚?

神回复:为什么有些家庭年收入才10万上下,却能每天大手大脚?

解忧段子杂货铺
2022-07-02 08:35:20
49年叶剑英就任广东省长后,毛主席致电强调:不要在公开场合露面

49年叶剑英就任广东省长后,毛主席致电强调:不要在公开场合露面

红史
2022-07-03 18:27:08
张学友录视频为香港送祝福,所说内容惹争议!官方火速删视频

张学友录视频为香港送祝福,所说内容惹争议!官方火速删视频

Summer的圈子
2022-07-02 18:33:19
网友整活!周杰伦专辑曲目曝光!

网友整活!周杰伦专辑曲目曝光!

音乐studio
2022-07-03 02:36:42
挑衅俄罗斯报应来了?立陶宛终于尝到了苦果,全国进入紧急状态

挑衅俄罗斯报应来了?立陶宛终于尝到了苦果,全国进入紧急状态

刘桃说科技
2022-07-03 12:13:37
北京向左 上海向右

北京向左 上海向右

叶檀财经
2022-07-03 21:31:40
任达华自曝:在TVB呆16年,连套房都买不起,不是住宿舍就是租房

任达华自曝:在TVB呆16年,连套房都买不起,不是住宿舍就是租房

萌宠聊娱乐
2022-07-03 11:26:27
雪糕放室内,温度31度一个小时不化,钟薛高官方回应

雪糕放室内,温度31度一个小时不化,钟薛高官方回应

唯一美食与爱
2022-07-03 09:19:21
孙子新婚当天,奶奶系红腰带从12楼纵身一跃,留千字遗书尽是诅咒

孙子新婚当天,奶奶系红腰带从12楼纵身一跃,留千字遗书尽是诅咒

奇案故事本
2022-07-03 11:54:37
唯美风景、琼台楼阁

唯美风景、琼台楼阁

意识流与光影
2022-07-02 09:13:42
肉姐:那个远嫁沙特的中国媳妇,晒日常奢华生活,却遭旅游博主打假?

肉姐:那个远嫁沙特的中国媳妇,晒日常奢华生活,却遭旅游博主打假?

南港
2022-07-03 16:32:37
丰田章男:日本的汽车能用40年,中国的为什么15年就要报废?

丰田章男:日本的汽车能用40年,中国的为什么15年就要报废?

火锅篮板球
2022-07-02 17:36:06
中国行动了!外交部抓住美方痛处,美国“永远洗不清的原罪”曝光

中国行动了!外交部抓住美方痛处,美国“永远洗不清的原罪”曝光

国辉说科技
2022-07-02 13:59:39
2022-07-03 22:30:44
石头科普工作室
石头科普工作室
致力于地球和空间科学科普
266文章数 1664关注度
往期回顾 全部

科技要闻

“哭惨”的蔚来和小鹏,6月销量都破万了

头条要闻

俄边境城市爆炸已致5死4伤 3名死者为逃难的乌克兰人

头条要闻

俄边境城市爆炸已致5死4伤 3名死者为逃难的乌克兰人

体育要闻

两遭国家队"退货",三朝元老想战巴黎

娱乐要闻

42岁宋慧乔生图翻车,被嘲有点凶相

财经要闻

汽车要闻

奔驰全新GLC将2023年上市 豪华属性更上一层楼

态度原创

本地
教育
健康
公开课
军事航空

本地新闻

砥砺奋进廿五载 携手再上新征程

教育要闻

由剑南春赞助,2022年网易教育高考特别报道

更年期女性吃什么保健品好?

公开课

我国第一块完整收回的领土,今为战略要地

军事要闻

俄军或已拿下乌东又一重镇

进入关怀模式