Фотошоп NASA: кто, как и зачем обрабатывает снимки из космоса

Заранее приношу извинения за сбой на Фишках, некоторые гифки почему-то не отображаются как гифки и не работают, если не кликнуть! Помечены в скобках словом "клик".

Зачем вообще обрабатывают космические изображения и могут ли они, несмотря на это, считаться подлинными?
Для того чтобы правильно оценивать качество космических снимков, которые мы видим в Сети, необходимо учитывать два важных фактора. Один из них связан с характером взаимодействия агентств и широкой публики, другой продиктован физическими законами.

Космические снимки — одно из самых эффективных средств популяризации работы исследовательских миссий в ближнем и дальнем космосе. Однако далеко не все кадры сразу оказываются в распоряжении СМИ.
Изображения, полученные из космоса, можно условно разделить на три группы: «сырые» (raw), научные и публичные. Сырые, или исходные, файлы с космических аппаратов иногда бывают доступны всем желающим, а иногда нет. Например, изображения, полученные марсоходами Curiosity и Opportunity или спутником Сатурна Cassini, публикуются практически в режиме реального времени, так что любой желающий может увидеть их одновременно с учеными, изучающими Марс или Сатурн. Необработанные фотографии Земли с МКС выкладываются на отдельный сервер NASA. Космонавты заливают их тысячами, и ни у кого нет времени на их предобработку. Единственное, что добавляют к ним на Земле, это географическую привязку для облегчения поиска.

В случае с Messenger, New Horizons или Dawn все иначе. Сырые снимки, полученные с этих аппаратов, не публикуются сразу при получении, а выкладываются с опозданием на недели, месяцы или даже годы. Это необходимо для того, чтобы ученые, работающие над соответствующими проектами, могли спокойно проанализировать данные и в случае каких-нибудь открытий сперва доложить о них на конференциях.

Файлы с научными кадрами зачастую имеют специфический формат, который понимают только специальные программы или приложения. Такие файлы несут большой объем информации об обстоятельствах съемки (время, положение космического аппарата, положение объекта съемки, угол освещения, характеристики съемки и т.д.). Эта информация, не будучи засекреченной, настолько неинтересна большинству энтузиастов космонавтики, что обычно ее выкладывают в таких местах, которые удобны для ученых, но отпугивают посторонних сложным интерфейсом. Такие сайты или FTP-серверы в открытом доступе — это NASA PDS, ESA PSA, JAXA archive. Даже Китай выложил кадры с Луны на сайте своей Академии наук (сервер которой периодически падает). Когда предыдущий российский метеорологический спутник «Электро-Л» занимался съемкой, кадры с него можно было найти на сервере НЦОМЗ; снимков же с нового спутника в открытом доступе вообще нет. Со спутников ДЗЗ можно посмотреть только предварительные изображения, а сами снимки придется заказывать на Геопортале Роскосмоса.
Обычно за ретушь критикуют публичные кадры, которые прилагаются к пресс-релизам NASA и других космических агентств, — ведь именно они попадаются на глаза пользователям интернета в первую очередь. И при желании там можно найти много чего. И манипуляции с цветом (фото посадочной платформы марсохода Spirit в видимом диапазоне света и с захватом ближнего инфракрасного, клик):

И наложение нескольких снимков (Восход Земли над лунным кратером Комптона, клик):

И копипасту (Фрагмент Blue Marble 2001):

И даже прямую ретушь, с затиранием некоторых фрагментов изображения (Высветленный снимок GPN-2000-001137 экспедиции Apollo 17):

Или найти «сэлфи-палку» марсохода, которая «пропала» при создании его автопортрета (Снимки Curiosity от 14 января 2015, сол 868, клик):

Как правило те, кто упрекает космические агентства за манипуляции с цветом, использование фильтров или публикацию черно-белых фотографий «в наш век прогресса цифровых технологий», не учитывают физические процессы получения цифровых изображений, полагая, что если смартфон или фотоаппарат сразу выдают цветные кадры, то космическому аппарату это тем более должно быть по плечу, и даже не догадываются, какие сложные операции необходимы, чтобы цветное изображение сразу попало на экран.
Суть теории цифрового фото: матрица цифрового аппарата — это, по сути, солнечная батарея. Есть свет — есть ток, нет света — нет тока. Только матрица представляет собой не единую батарею, а множество маленьких батарей — пикселей, с каждого из которых по отдельности считывается выдача тока. Оптика фокусирует свет на фотоматрицу, а электроника считывает интенсивность выделения энергии каждым пикселем. Из полученных данных строится изображение в оттенках серого — от нулевого тока в темноте до максимального на свету, то есть на выходе оно получается черно-белым. Чтобы сделать его цветным, необходимо применить цветные фильтры. Получается, как ни странно, что цветные фильтры присутствуют в каждом смартфоне и в каждой цифровой камере из ближайшего магазина! (Для кого-то эта информация банальна, но для многих она окажется новостью). В случае с обычной фототехникой применяется чередование красных, зеленых и синих фильтров, которые поочередно накладываются на отдельные пиксели матрицы — это так называемый фильтр Байера.
Фильтр Байера наполовину состоит из зеленых пикселей, а красный и синий занимают по одной четверти площади.

Перед NASA вовсе не стоит задача поставлять красивые фотографии для пресс-релизов и СМИ. Камеры космических аппаратов прежде всего являются инженерными или научными инструментами, которые помогают управлять этими аппаратами или получать информацию о космосе.
Навигационные камеры выдают черно-белые изображения потому, что такие файлы меньше весят, а также потому, что цвет там просто не нужен. Научные камеры позволяют извлекать информации о космосе больше, чем способен воспринимать глаз человека, и поэтому для них используется более широкий набор цветовых фильтров (Матрица и барабан светофильтров инструмента OSIRIS на Rosetta):

Применение фильтра ближнего инфракрасного света, который не виден глазу, вместо красного, привело к покраснению Марса на многих кадрах, ушедших в СМИ. Пояснение про инфракрасный диапазон перепечатали далеко не все, что породило отдельную дискуссию.
Однако на марсоходе Curiosity стоит фильтр Байера, что позволяет ему снимать в цвете, привычном нашему глазу, хотя отдельный набор цветных фильтров к камере также прилагается.

Применение отдельных фильтров удобнее с точки зрения выбора диапазонов света, в которых хочется посмотреть на объект. Но если этот объект движется быстро, то на снимках в разных диапазонах его положение меняется. На кадрах «Электро-Л» это было заметно на быстрых облаках, которые успевали сдвинуться за считанные секунды, пока спутник меняет фильтр. На Марсе подобное происходило при съемке закатов у марсохода Spirit и Opportunity — у них нет фильтра Байера (закат, снятый Spirit в 489 сол. Наложение снимков, снятых с фильтрами на 753 535 и 432 нанометров):

На Сатурне похожие трудности у Cassini (спутники Сатурна Титан (сзади) и Рея (впереди) на снимках Cassini):

В точке Лагранжа с той же ситуацией сталкивается DSCOVR (транзит Луны по диску Земли на снимке DSCOVR 16 июля 2015 года):

Такой метод часто применяют при съемке Земли. Если знать об этом, то можно увидеть на некоторых кадрах типичный ореол, который оставляет размытый цветной кадр (композитный снимок Земли со спутника WorldView-2):

Именно путем такого наложения создавался тот самый впечатляющий кадр Земли над Луной, что выше приведен как пример наложения разных снимков:

Часто приходится прибегать к инструментам графических редакторов, когда надо почистить кадр перед публикацией. Представления о безупречности космической техники не всегда оправданны, поэтому мусор на космических камерах — дело распространенное. Например, камера MAHLI на марсоходе Curiosity просто загажена, иначе и не скажешь (фото Curiosity с помощью инструмента Mars Hand Lens Imager (MAHLI) в сол 1401):