Рис.14. Кривые спектрального пропускания цветных фильтров съемочной камеры (синий, зеленый, оранжевый).

     Если посмотреть внимательно на характеристики цветных фильтров, которые были выбраны для получения трех зон чувствительности, то мы обнаружим принципиальные ошибки, и без труда расскажем об искажениях цвета, которые неизбежно возникнут при цветоделении. Вместо триады светофильтров “синий-зеленый-красный” была выбрана триада “синий-зеленый-оранжевый”.

     Начнем с кривой спектрального пропускания оранжевого светофильтра. Для удобства анализа мы выделили эту кривую оранжевым цветом (рис.15) и провели вертикальную линию, чтоб можно было увидеть, на какую длину волны приходится максимум пропускания такого оранжевого светофильтра.

Рис.15. Максимум пропускания оранжевого фильтра телекамеры “Сервейера”.

Максимум попадает примерно на 580 нм. Какой это цвет? Вы уже догадались?

Вот фотография ночного города - парк освещен желтым цветом натриевых ламп.

Рис.16. В ночном парке горят фонари с натриевыми лампами.

Где находится максимум излучения натриевых ламп? 

Классическая натриевая лампа (низкого давления) имеет только один максимум излучения, 589 нм (рис.17), и дает монохроматический тёпло-желтый цвет. 

Рис.17. Излучение натриевой лампы низкого давления.

     Однако при таком освещении многие объекты теряют свою цветность, и поэтому в натриевые лампы уличного цвета (которые мы видим в наших городах) добавляют немного ртути. Из-за этого в спектре излучения появляются дополнительные небольшие максимумы (рис.18):

Рис.18. Спектр излучения уличных натриевых ламп.

Спектральные измерения произведены на спектрорадиометре specbos 1201 (рис.19):

Рис.19. Спектрорадиометр для измерения излучений по спектру.

     Натриевая лампа максимум излучения дает на дине волны около 590 нм. А светофильтр, установленный на Сервейере, имеет максимум пропускания около 580 нм, значит, по цвету он более желтый, чем натриевые лампы.

     Итак, вместо того, чтобы снимать цветные объекты по классической схеме цветоделения через синий, зеленый и красный светофильтры (то, что мы произносим как R,G,B), было предложено воспользоваться другой триадой - синий, зеленый и желтый светофильтры.

      Попробуем найти в каталоге оптического стекла желто-оранжевый светофильтр, который имеет такой же крутой фронт подъема, как на приведенном выше рисунке фильтров Сервейера. Таким требованиям удовлетворяют оранжевые стекла ОС-13 и ОС-14.

     Но все оранжевые стекла прекрасно пропускают красные лучи. Более того, пропускание оранжевых стекол продолжается в инфразону до длины волны 2500 нм, в то время как оранжевый светофильтр Сервейера даже красные лучи (после 640-650 нм) не пропускает (рис.15). 

Известно, что красные лучи задерживаются голубыми (сине-зелеными) стеклами. Похожую спадающую кривую в красной зоне имеет стекло СЗС-25 и СЗС-23 (рис.20).

Рис.20. Спектральные кривые пропускания оранжевых стёкол и светло-голубого стекла.

     Какой цвет получится в результате сложения? Менее оранжевый, более жёлтый (рис.21)!  Вот так примерно выглядел оранжевый фильтр, установленный на “Сервейере”. Таким образом с помощью оранжевого фильтра для видикона телекамеры была выделена зона чувствительности с максимумом около 580 нм. 

Рис.21. Сложение двух стёкол (ОС-13 и СЗС-23) на просвет, на фоне пасмурного неба.

     В связи с вышеизложенным интересно посмотреть, а где расположен максимум чувствительности в красной зоне у современных профессиональных материалов? Возьмем негативную кинопленку Фуджи (рис.22):

Рис.22. Графики спектральной чувствительности профессиональной кинопленки Фуджи. Рядом для сравнения (жёлтой линией) указан максимум чувствительности (580 нм) в красной зоне телекамеры “Сервейера”

Максимум в красной зоне - около 645 нм. Максимум расположен не в желтой зоне спектра, а в середине красного участка! Возьмем цветную обращаемую фотопленку Кодак Эктахром 100 (рис.23). Максимум в красной зоне - около 650 нм!

Рис.25. Характеристики цветных фильтров телекамеры “Сервейера”

     Что же мы видим в результате? Вместо того, чтобы производить фотосъемку по классической схеме через синий, зеленый и красный светофильтры (рис.26), съемка на Луне была сделана через голубовато-синий, зеленый и жёлтый светофильтры.

Рис.26. Классическая триада фильтров для цветоделения (R, G, B).

Рис.27. А вот так выглядел оранжевый фильтр Сервейера, взятый вместо красного.

     О какой точной цветопередаче вообще может идти речь, если неправильно выбрана триада фильтров для цветоделения? 

     Все красные объекты имеют максимум отражения в красной зоне, а наш "оранжевый" светофильтр Сервейера красные лучи (половину красного участка спектра) как раз и не пропускает. Из-за этого все красные объекты станут тёмными и малонасыщенными. А коричневые объекты потеряют свою “красную” составляющую. 

     Когда в 1966 году были получены первые цветные фотографии с Сервейера, на которых грунт был совершенно серым, вот тогда и было принято решение, что в павильонах Невады будут имитировать посадку астронавтов на черно-белую Луну. И насыпной грунт, изображающий реголит, стали делать серым. 

     Советская автоматическая межпланетная станция "Луна-16" привезёт первые 105 граммов грунта с поверхности Луны только в сентябре 1970 года, и грунт будет темно-коричневым.  

Рис.28. Лунный грунт в музее внеземного вещества ГЕОХИ РАН, доставленный советской АМС.

Кстати.

ПОЧЕМУ ТАКАЯ НЕОБЫЧНАЯ "ТРИАДА" ФИЛЬТРОВ - СИНИЙ, ЗЕЛЁНЫЙ, ОРАНЖЕВЫЙ?

     У вас, наверное, давно возник вопрос: а зачем американцы на Сервейерах производили съемку через такую странную триаду фильтров? Почему они не стали делать снимки, как это общепринято - через синий, зеленый и красный светофильтры? Зачем красный фильтр заменили на жёлто-оранжевый?

Для этого придётся рассказать об одном заблуждении, бытующем в цветоведении.

Речь идет о том, как устроено цветовое зрение человека. 

Как мы знаем, за черно-белое зрение отвечают палочки в сетчатке глаза, а за цветное зрение - колбочки трех типов: синие, зеленые и красные. 

К середине ХХ века спектральные характеристики колбочек были определены с большой точностью. И оказалось, что максимум чувствительности "красных" колбочек лежит вовсе не в красной зоне, а в желто-оранжевой, на длине волны около 580 нм. В связи с этим в зарубежной литературе отказались от обозначения колбочек как R, G, B, а приняли другое обозначение S, M, L - светочувствительность к малым, средним и большим длинам волн, и "красную" кривую стали рисовать оранжевым цветом.

Рис.30. Спектральная чувствительность колбочек глаза.

     Однако, хочу вас уверить, что никто при конструировании цветной видеокамеры или трехслойной цветной кинопленки не будет стремиться повторить эту триаду. Цветопередача при такой триаде светофильтров в видеокамере или зон чувствительности у кинофотопленки получится неестественной - ведь "зеленая" кривая и "оранжевая" чуть ли не на 90% повторяют друг друга. Если сделать видеокамеру с такими зонами чувствительности и направить её на спектр, то 2/3 спектра, от 500 нм до 630 нм, станут оттенками желтого цвета - в спектре исчезнут зеленые и красные цвета. Поэтому современные видеокамеры не будут повторять чувствительность колбочек глаза. Вот как, например, выглядит зональная чувствительность матрицы Sony (рис.29). Максимум чувствительности в красной зоне приходится на 620-630 нм.

Рис. 31. Спектральная чувствительность матрицы ICX285AQ фирмы Sony

     Решение о том, что лунный грунт на фотографиях миссий Аполлон (1969-1972) должен быть практически серым, было принято, на мой взгляд, в 1966 году, когда были получены снимки с космического аппарата Сервейер-1. После мягкой посадки на поверхность Луны в июне 1966 года, аппарат Сервейер произвел более 11 000 фотоснимков с помощью черно-белой телекамеры. Большинство из этих снимков послужили (как фрагменты паззла) для составления панорамы окружающего лунного ландшафта. Но определенная часть снимков производилась через цветные светофильтры, чтобы впоследствии на Земле из трех цветоделенных изображений синтезировать одно полноцветное. Но цветоделение, на мой взгляд, было проведено неправильно. Вместо триады фильтров – синий, зеленый и красный – при съемке использовался желто-оранжевый фильтр вместо красного. Это и привело к цветоискажениям, изменившим цвет лунного реголита.

     Мы знаем, что согласно легенде, у астронавтов миссии "Аполлон-11" для съемок в цвете была цветная обращаемая фотопленка Эктахром-64 и фотаппарат Хассельблад. Чем будет отличаться цветной снимок лунного реголита, сделанный на обращаемой фотопленке Эктахром от снимка, полученного с помощью синтеза трех цветоделенных черно-белых изображений с аппарата Сервейер?

     Три светочувствительных слоя фотопленка Эктахром и телекамера Сервейер, через три цветных фильтра, увидят лунных грунт в разных участках спектра.

     Нам известна спектральная характеристика отражения реголита из Моря Спокойствия, куда по легенде прилунился "Аполлон-11" (рис.6).

     Нам известна спектральная чувствительность трёх слоев цветной обращаемой фотопленки Эктахром-64. Поскольку вертикальная шкала на графике спектральной светочувствительности логарифмическая, то за границы максимума светочувствительности принимаются участки, где светочувствительность уменьшается вдвое. Разница в одну логарифмическую единицу означает изменение чувствительности в 10 раз, изменение в 2 раза – это 0,3 по вертикальной шкале логарифмов. Выделяем зоны максимальной светочувствительности для каждого из трех слоев фотопленки (от точки максимума - на 0,3 логарифмические единицы вниз влево и вправо). Это будут участки 410-450 нм, 540-480 нм и 640-660 нм (рис.45).

Рис.45. Участки спектра, в которых лунный грунт видит фотопленка Эктахром.

     Фотопленка Эктахром будет воспринимать лунный грунт, как если бы он отражал 7,1% в синей зоне, 9,1% в зеленой зоне и 10,3% в красной зоне. Так происходит цветоделение на стадии экспонирования. Иногда эта стадия называется АНАЛИЗОМ. А далее, после проявки фотопленки, в каждом слое пропорционально полученной экспозиции образуется свой краситель. Из трех отдельных красок складывается полноцветное изображение. Эта стадия называется СИНТЕЗ.

    В обращаемой фотопленке анализ и синтез изображения происходит внутри эмульсионных слоев пленки. В случае аппарата Сервейор АНАЛИЗ лунного изображения (разложение на три черно-белых цветоделённых изображения) происходит на самой Луне, а СИНТЕЗ изображений происходит на Земле, после поступления и записи телевизионных сигналов с Луны.

     Перед объективом телекамеры на Сервейере находится турель со светофильтрами (рис.46), и аппарат производит последовательную съемку сначала через один светофильтр, потом через другой и через третий.

Рис.46. Расположение турели с цветными фильтрами на телекамере аппарата "Сервейер"

     Поскольку зоны пропускания светофильтров Сервейера не совпадают с зонами чувствительности фотопленки, телекамера аппарата Сервейер увидит лунный грунт иначе, в других участках спектра: 430-470нм, 520-570 нм и 570-605 нм. После такой фотосъемки будет создаваться ощущение, что лунный грунт отражает в синей зоне 7,5% света, в зеленой зоне - 8,7% и 9,2% в красной зоне (рис.47).

Рис.47. Участки спектра, в которых лунный грунт увидит телекамера аппарата "Севейер".

     Поскольку дальнейшие результаты будут представлены в цифровом виде – в виде картинки в формате *.jpg на экране компьютера, нам необходимо понять, как выглядят на цифровом снимке объекты с теми или иными коэффициентами отражения.

     Для этого я изготовил тест – 8 серых полей, которые были отпечатаны на черно-белом лазерном принтере на листе бумаги формата А4 (рис.48). И с помощью денситометра определил их реально получившиеся коэффициенты отражения.

Рис. 48. Измерение тестовых полей на денситометре

     Денситометр показывает результаты в виде логарифмических единиц, Белах. Одна логарифмическая единица означает ослабление света в 10 раз. Следовательно, если денситометр показывает значение около единицы (1 Бел), то это поле уменьшает количество отраженного света в 10 раз и перед нами объект с коэффициентом отражения 10% по трем зонам (рис.49). Добавим, что денситометр производит замеры в трех зонах спектра – красной, зеленой и синей. Рядом с буквами R,G,B имеется маленькая буква «r» (reflection)- замер производится в отраженном свете.

Рис.49. Плотность 0,99 Б соответствует коэффициенту отражения 10%.

Самое темное поле на тестовой шкале имело плотность на отражение 1,11 что в переводе на коэффициент отражения означает 7,7%.

Рис.50. Самое тёмное поле тестовой шкалы

Одно из полей по коэффициенту отражения оказалось близким к 18% -17,8% (рис.51).

Рис.51. Определены коэффициенты отражения всех полей тестовой шкалы. 

     Как мы знаем, в откалиброванном изображении с глубиной цвета 8 бит такое 18%-ное серое поле в пространстве s-RGB должно иметь значение яркости 116-118 единиц.

     По желанию я могу в графическом редакторе немного высветлить или затемнить снимок, но если я веду речь о точной репродукции, то серое поле с коэффициентом отражения 18% должно иметь указанные выше значения. (На всякий случай - черная футболка отражает 2,5% света. - Рис.52) 

Рис.52. Снимок отнормирован по 18%-ному серому полю 

      И вот ТОЛЬКО ТЕПЕРЬ мы можем сказать, как будут выглядеть на 8-битном фотоснимке объекты с тем или иным коэффициентом отражения. Левый столбик - коэффициент отражения при съемке, справа - яркость объекта в графическом редакторе на компьютере.  

11,2% - 92,

10% - 82,

8,7% - 70,

7,7% - 60

     Мне особенно хочется подчеркнуть важность этого соотношения - какой яркостью передаётся на мониторе компьютера тот или иной объект отснятый объект. Мне приходилось видеть статьи, где авторы полагали, что лунный реголит близок по коэффициенту отражения к чернозёму, и поэтому «лунные» снимки миссий Аполлон должны выглядеть очень тёмными. При этом авторы приводили «откорректированные» в соответствии со своими представлениями снимки, в которых реголит становился совсем чёрным. Это неправильный подход. Чернозём отражает около 2-3% света, реголит же заметно светлее, это 8-10% отражения. В ключевом освещении (в солнечный день) и при правильной экспозиции реголит должен на оцифрованных снимках (в 8-битном режиме) иметь значения яркости от 60 до 80.

      Попробуем теперь сымитировать в графическом редакторе цветность лунного грунта – то, как его увидит цветная обращаемая фотопленка и то, как его увидела телекамера Сервейера.

     Переведем полученные нами выше ЗОНАЛЬНЫЕ коэффициенты отражения лунного грунта в значения цифровой яркости. Телекамера Сервейера через цветные фильтры отобразила лунный грунт как объект, имеющий коэффициенты отражения 7,5% в синей зоне, 8,7% в зеленой и 9,2% в красной (рис.47). Поскольку у нас есть таблица соответствий между коэффициентом отражения объекта и его цифровой яркостью на снимке, переведём методом интерполирования полученные проценты отражения в значения, удобные для графического редактора. 

7,5% отражения соответствуют 58 единицам яркости в 8-битном цифровом изображении, 8,7% - это 69 единиц, а 9,2% - это 74.

     Для фотопленки Эктахром мы получили зональные значения коэффициента отражения лунного грунта как 7,1% в синей зоне, 9,1% в зеленой и 10,3% в красной рис.45). Это будет соответствовать цифровым значениям яркости: B=55, G=73 и R=85. Эти числа можно увидеть на рис.53 слева внизу. 

Рис.53. Два квадратика показывают, на сколько изменился цвет лунной поверхности, когда вместо цветной обращаемой фотопленки мы стали снимать реголит телекамерой Сервейера. 

     Итак, мы видим, что замена красного съемочного фильтра на жёлто-оранжевый привела к тому, что снимаемый объект (реголит) потерял свою насыщенность, стал почти серым.