Как на самом деле выглядят неотредактированные фотографии космоса?

Резюме

Мы все знакомы с потрясающими фотографиями космоса, полными ярких цветов, но могли ли вы представить, как они выглядят сразу с телескопа? То, что фиксируют телескопы, состоит из множества невидимого света и странного космического шума, которые требуют обработки и преобразования в те знаковые изображения, которые мы хорошо знаем.

Как камеры преобразуют свет в изображения

Когда мы делаем снимок на телефон или цифровую камеру, изображение появляется мгновенно. Свет попадает на сенсор, и цветное изображение появляется на экране сразу после нажатия кнопки спуска.

Хотя это кажется мгновенным, на самом деле изображение начинается как длинная последовательность единиц и нулей. Когда вы нажимаете кнопку спуска, ваш телефон преобразует свет, падающий на его сенсор, в двоичный код (1 и 0), после чего процессор собирает полное изображение из этих данных.

Сначала он превращает этот длинный набор 1 и 0 в то, что называется «градацией серого», показывая различия между светом и тьмой, то есть создавая контраст в изображении.

После нескольких корректировок, фильтров и улучшений мы получаем финальное изображение.

Так что телефон выполняет всю эту математическую магию за доли секунды, поэтому мы никогда не видим, как это происходит.

Теперь представьте, что данных так много, что один процессор не справится с их обработкой. Вместо этого команда специалистов и ученых должна вмешаться и тщательно выполнить обработку. Так работают космические телескопы.

Система доставки космического телескопа

В отличие от камер мобильных телефонов или цифровых камер, космические телескопы настроены не на свет, видимый для нас, а на мир, который недоступен глазам. Такие телескопы, как Джеймс Уэбб и Хаббл, могут «видеть» невидимый свет, тепло, радиацию и слабые следы древней пыли и газа из далекого прошлого.

Телескоп Джеймса Уэбба улавливает этот невидимый свет, но не обрабатывает его на борту.

Телескоп просто трансформирует световые воздействия в пакеты сырых данных (1 и 0) и передает их на Землю. Эти пакеты не содержат изображений, только оцифрованные значения света и тьмы, а также метаданные о координатах объектов и состоянии приборов на борту.

На Земле Институт научных исследований космических телескопов (STScI) получает эти сырые бинарные пакеты и преобразует их в компьютерный формат, известный как FITS. FITS, или Flexible Image Transport System, является стандартом для упаковки и организации астрономических данных.

Эти файлы FITS тоже не являются изображениями, они содержат лишь необработанные данные пикселей, организованные в порядке. Чтобы извлечь визуальную информацию из них, нужны специальные программы, такие как FITS Liberator.

С помощью FITS Liberator можно извлечь визуальные данные из этих необработанных массивов пикселей. Этот процесс называется «растяжением» файла FITS.

Камера на борту телескопа Джеймса Уэбба имеет множество физических фильтров, настроенных на узкие диапазоны невидимого света. Некоторые фильтры хорошо улавливают определенные газы, другие — для обнаружения пыли. Каждый результат фильтра упаковывается в свой собственный файл FITS. Таким образом, один файл FITS соответствует одному экспозиционному фильтру.

Вот еще одна деталь: каждый файл FITS, полученный от конкретного фильтра, может быть «растянут» в градацию серого (монохромный снимок). Имея всего три таких снимка, вы можете создать полноценное цветное изображение!

Давайте создадим космическое фото

Файлы FITS, о которых я говорил, на самом деле доступны в Интернете для скачивания. Инструменты, необходимые для «растяжения» файлов FITS и создания композитов, тоже бесплатны. Поэтому я решил попробовать создать изображение из этих космических данных сам.

Шаг #1: Скачивание сырых данных

Архив космических телескопов Микукски (или MAST) — это место, где вы можете искать любые космические координаты или объекты, захваченные Хабблом, Уэббом, ТЕСС и несколькими другими.

Я решил собрать изображение Уэбба и выбрал Столпы творения в качестве объекта.

Поиск вернул более 100 файлов FITS. Эти сырые данные огромны. Мы говорим о 2–5 терабайтах данных, а может и больше. Мне не хотелось перегревать свой ПК в тот день, поэтому я решил работать только с 3 файлами общим размером около 3 ГБ.

Прелесть этой системы в том, что вам не нужно все файлы FITS от каждого фильтра, чтобы создать полезный композит. Каждый файл FITS помечен по фильтру, из которого он пришел, так что вы можете взять один короткий, один средний и один длинный фильтр, растянуть их и наложить друг на друга. Этого достаточно для базового композита.

Шаг #2: Растяжение файлов FITS

Следующий шаг — «растяжение» файлов FITS. Я установил FITS Liberator для этого. Он создает градации серого, которые я затем буду объединять и раскрашивать.

Я отрегулировал уровни яркости и темноты массива FITS, пока изображение не стало выглядеть правильно. Затем я экспортировал его как черно-белое изображение. Повторил те же шаги для двух других файлов FITS. Я уверен, что существует научный способ делать это, но я просто доверял своему глазу.

Шаг #3: Композит

С тремя свежими градациями серого изображений Столпов творения я был готов их объединить.

То, что вы видите на этих черно-белых снимках, — это инфракрасный (невидимый) снимок этой туманности. Поскольку она не видима невооруженным глазом, нам нужно «мапировать» или приближать цвет. Это похоже на то, как тепловизионные очки отображают тепло красным и холод синим, чтобы сделать эту информацию видимой.

Фильтры на борту телескопа Джеймса Уэбба, отвечающие за фильтрацию инфракрасного света на дальнем конце спектра, получают фиолетовый или синий оттенок. Фильтры ближнего инфракрасного диапазона становятся красными или оранжевыми, а фильтры средней длины — зеленоватыми.

Когда мы симулируем эти цвета для каждого файла изображения, происходящего от конкретного фильтра, у нас получается три канала: красный, зеленый и синий. Объединив их, мы получаем RGB-изображение.

Я загружал три монохромные картинки в Photoshop и раскрашивал их. Смешал их вместе, и вот что получилось.

Если бы наши глаза могли видеть в инфракрасном диапазоне, Столпы творения могли бы выглядеть немного так. Обратите внимание на красное облако. Это небольшая часть Столпов. Звездное скопление в центре — NGC 6611.

Почему обработка необходима (и удивительна)

Но где, возможно, вы спросите, остальная часть Столпов в моем композите? В zip-архиве MAST, который я загрузил, было 30 файлов FITS. Я обработал только 3 из них, а остальные 27 содержали дополнительные детали.

Это невероятно трудоемкий и скрупулезный процесс, так как каждый фильтр должен обрабатываться вручную по одному. Удивительные композиты, к которым мы привыкли, могут занимать недели на создание и требуют усилий команд специалистов и ученых, работающих вместе с использованием сложных инструментов. Необработанные файлы могут содержать терабайты данных.

Теперь вы можете по достоинству оценить масштаб гениальности и преданности, стоящих за изображениями NASA, и понять, почему эти фотографии требуют такой тщательной обработки.

То, что делают эти исследователи, нельзя назвать редактированием в привычном понимании; это скорее перевод. Телескоп передает наборы 1 и 0 — просто сырые данные, и задача ученых заключается в «переводе» этих чисел в визуальные образы.

Причина, по которой нам нужен этот перевод, заключается в том, что эти вещи буквально невидимы для нас. Чтобы сделать невидимое видимым, мы должны «растянуть» то, что запечатлел телескоп, в нашу визуальную область.

Таким образом, даже когда мы добавляем цвет к этим изображениям, мы не создаем детали, а лишь создаем визуальные различия и интерес.

Кроме того, это имеет научную ценность. Фильтры телескопа настроены на захват определенных материалов и элементов. Просто глядя на цветные композиты, астрономы могут читать настоящие химические сигнатуры.

Вот что делает эти шедевры важными аналитическими инструментами. Они могут ответить на вопросы, такие как состав газа, его температура или возраст звезд.

Можете ли вы увидеть сырые версии?

Да, можете. Они доступны в Интернете в архивах NASA. Есть два вида сырых файлов, к которым вы можете получить доступ. Первый — это файлы FITS (типа, который я использовал для создания своего композита), а второй — слегка обработанные монохромные сырые изображения.

В отличие от файлов FITS, которые требуют специализированных инструментов для открытия, эти сырые версии — это обычные JPEG, которые были «растянуты», но не обработаны дальше. Каждая космическая миссия, как правило, передает сотни тысяч изображений за свою жизнь, которые быстро загружаются в архивы NASA. Окончательно обработанные изображения могут появиться в течение нескольких недель или даже месяцев, но эти «сырые» версии становятся доступны общественности всего через несколько часов.

Любой желающий с хорошим интернет-соединением и цифровым хранилищем может получить доступ к этим сырым файлам и поэкспериментировать с ними.

Почему некоторые космические фотографии «выглядят фальшивыми»?

Возможно, вы слышали, как кто-то говорит, что фотографии NASA не выглядят «реальными». Или вы могли заметить, что сами оказались в странном состоянии, когда цвета кажутся слишком яркими, детали слишком четкими, а формы слишком неузнаваемыми.

Если вы были внимательны, вы уже знаете ответ на этот вопрос.

Эти фотографии не поддельные, а переведенные. Причина, по которой они кажутся нам чуждыми, в том, что это и есть их суть. Само содержание невидимо, но оно было преобразовано в удобный для восприятия формат.

И это не домыслы. Цвета отображаются согласно физическим фильтрам космического телескопа, исходя из частот света, которые они пропускают. Цвет — это не просто украшение, а своего рода аннотация. Подумайте о том, как выделение текста цветом делает его заметнее.

Таким образом, ответ на вопрос о том, как выглядят неотредактированные космические фотографии, может звучать так: это просто 1 и 0, или слегка обработанные «растянутые» карты градации серого.

Если вам понравилась эта статья, подпишитесь, чтобы не пропустить еще много полезных статей!

Вы также можете найти наши материалы в:

• Telegram: https://t.me/gergenshin
• Youtube: https://www.youtube.com/@gergenshin
• Яндекс Дзен: https://dzen.ru/gergen
• Официальный сайт: https://www-genshin.ru