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天问一号拍摄的首张火星照，为什么是黑白的？

百家作者：三体迷 2021-02-07 18:54:25

在即将抵达火星之际，天问一号“拍一拍”火星——在距离火星约220万公里处，获取首幅火星图像。这是中国有史以来第一张火星近照，注定载入史册。

在无比振奋之余，很多人心中都冒出一个大大的问号——火星是一颗红色星球，但天问一号拍摄的首张火星照，为什么是黑白的？对于这个问题，国家航天局相关人士给出了最直白的答案——本次成像模式采用黑白成像。

以下是天问一号首张火星照的着色效果图。所谓着色效果图，指的是图像颜色并不是根据拍摄数据处理得到，而是强行添加的效果。

那么天问一号能拍出真正的彩色照片吗？

当然可以！

你想啊，我们的手机都能随手拍出彩色照片，对处于世界级水平的天问一号而言自然也不在话下。既然如此，天问一号的首张火星照为何要采用黑白成像？

要讲清楚这个问题，还得从彩色视觉说起。

我们之所以能够看见这个世界，是因为有光，确切的说是可见光。可见光只占据了宽广的电磁频谱非常狭窄的一部分，波长范围大致是400-700nm，不同波长对应不同颜色。三百多年前，牛顿用三棱镜做实验，发现白光由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光组成。正是可见光打在视网膜上，让我们感知到色彩与明暗。

我们对颜色的感知实际上是一个主观的过程——光线与视网膜上不同类型的视锥细胞相互作用，刺激使大脑做出响应。所以，在本质上，不仅是不同物种间，甚至同一物种的不同个体间，看到的东西也有所差异。是的，你我眼中的世界不尽相同。

人类拥有三种具备不同光谱敏感度的视锥细胞，按照光谱敏感度峰值波长，被称为（短）S-视锥细胞、（中）M-视锥细胞、和（长） L-视锥细胞。因为它们的光谱敏感度峰值波长分别处在蓝光、绿光和红光附近，所以又被称为蓝色感受器、绿色感受器和红色感受器。

这造就了三色视觉，是三原色光模式的原理。三原色光模式，又称RGB颜色模型，是一种加色模型，将红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三原色光以不同的比例叠加，产生不同颜色效果。

拍摄彩色照片，正是基于RGB颜色模型。

如果相机直接接收来自物体的光线，是无法辨识其颜色的，只能拍出黑白照。若想拍摄彩色照，需要解析出三原色信息，然后叠加合成，因此要加上滤色镜。

通常，手机相机和数码相机等能够直接拍摄出彩色照片的设备，使用的是拜尔滤色镜。在加装拜尔滤色镜后，每个像素只能接收到R、G、B一种色光。根据人眼对绿光最敏感的特点，拜尔滤色器的排列为50%是绿色、25%是红色、25%是蓝色。

因为每个像素只过滤并记录RGB三种颜色的一种，单个像素获取的信息并不能完整表现红、绿、蓝各色的组成数值。对此，可用去马赛克算法来插值得到每个像素红、绿、蓝色的组成数值。这些算法利用周围相同颜色的像素去估计一个特定像素的组成数值，算法运算量不同，最后成像质量也不一样。当你用手机拍摄出一张彩色照片时，其实经历了一系列运算。

虽然这种方法可以简便直接地拍出彩色照，但牺牲了进光量，在一定程度上降低准确度与清晰度，而且在颜色和亮度突变处容易产生噪声。所以，这种方法很适用于日常拍照，却无法满足天文学和太空探索等科学研究的要求。

一般来说，专业天文相机和探测器的高分辨率相机都是黑白相机，以最大化获取进光量，确保尽可能准确地拍摄探测对象。当然，科学追求尽善尽美，在此基础上也会捕获探测对象的真实色彩。

怎么做？同样也是加滤色镜，但不同于拜尔滤色镜，这里依次使用红、绿、蓝三种滤色镜，得到RGB三个通道的三张照片，然后再进行叠加处理，得到真实色彩照片。显然，相比于拜尔滤色镜，这种方法虽然更麻烦，但能获取更大进光量。

让我们以大名鼎鼎的哈勃太空望远镜拍摄真实色彩的土星为例。

首先，哈勃太空望远镜在红、绿、蓝三种滤色镜下，依次拍摄三张土星照。请注意，这三张照片的原始图像是黑白的，但分别记录了红、绿、蓝色的数值。

在获得原始图像后，图像处理人员根据各自数值，还原相应的颜色。

然后进行叠加处理。

最终合成土星真实色彩照。

好了，说了这么多，现在回到最初的问题——天问一号的首张火星照为何要采用黑白成像？

据航天科技集团相关专家介绍，天问一号拍摄首张火星照用的是高分辨率相机。拍摄过程大致是这样的——先用光学导航敏感器，在浩瀚的星空中找到火星后，测出相对角度，然后控制天问一号精准指向火星，再用高分相机对火星拍摄。

天问一号当时距离火星约220万公里，而且正处于快速飞行、即将进入火星环绕轨道的关键阶段，对火星只能进行匆匆一瞥。在这种情况下，选择黑白成像模式，“咔嚓”一下方便了事，且能够获取最大进光量，拍摄到最准确清晰的火星。

大家别急，待天问一号顺利进入环绕火星轨道后，就会好好观摩火星。到时它的高分相机在滤色镜配合下，将为我们献上真实色彩的火星！

给火星拍照，只是计划的一部分。

天问一号是中国首次自主火星探测任务，起点非常之高，计划一次性实现对火星环绕、着陆、巡视，即所谓的“绕、落、巡”，全面而深入地探测火星。

公开资料显示，天问一号由一个轨道器和一个着陆器/巡视器组合体组成，重约5吨，共携带了13台科学载荷。其中，轨道器上7台——中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪；巡视器上6台——多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机。

通过轨道器和巡视器的天地联动探测，天问一号将致力于完成五大科学目标：

（1）研究火星形貌与地质构造特征。探测火星全球地形地貌特征，获取典型地区高精度形貌数据，开展火星地质构造成因和演化研究；

（2）研究火星表面土壤特征与水冰分布。探测火星土壤种类、风化沉积特征和全球分布，搜寻水冰信息，开展火星土壤剖面分层结构研究；

（3）研究火星表面物质组成。识别火星表面岩石类型，探查火星表面次生矿物，开展表面矿物组成分析；

（4）研究火星大气电离层及表面气候与环境特征。探测火星空间环境及火星表面气温、气压、风场，开展火星电离层结构和表面天气季节性变化规律研究；

（5）研究火星物理场与内部结构。探测火星磁场特性。开展火星早期地质演化历史及火星内部质量分布和重力场研究。

天问一号预计于2021年2月10日左右，也就是除夕前后，进行近火制动，一脚刹车开启环绕火星之旅。是的，这个春节我们将收到来自火星的问候。在进入环绕火星轨道后，天问一号将环绕火星运行一段时间，然后才择机登陆。