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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
【滤色镜|天问一号拍摄的首张火星照，为什么是黑白的？】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 。
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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 。
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然后进行叠加处理 。
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最终合成土星真实色彩照 。
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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 。
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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 。
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预祝一切顺利！
参考来源：
[1] https://mp.weixin.qq.com/s/c3NkJYXHJ7oQX3aL9hwl5Q
[2] https://mp.weixin.qq.com/s/GQOiefiT1l2qoOU2q8F7Rw
[3] https://zh.wikipedia.org/wiki/彩色视觉
[4] https://zh.wikipedia.org/wiki/拜爾濾色鏡
[5] https://zh.wikipedia.org/wiki/视锥细胞
[6] https://sat.huijiwiki.com/wiki/天问一号
来源：三体迷
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