科普|真实的火星照片到底长什么样？

2月5日，中国国家航天局发布了“天问一号”探测器拍摄的首张火星照片。在这张距离火星220万公里外拍摄到的照片上，能依稀看到火星的经典地貌，但大家也同时发现，这张照片并不清晰，而且还是黑白的，和我们常见的火星彩色照片大相径庭。那么，那些去火星“旅游”的探测器都会带着相机，它们拍摄到的火星照片为什么差别会那么大？

有谁拍过火星照？

“天问一号”是我国成功抵达火星的第一个探测器，但在我们中国之前，美国、苏联、欧洲航天局和印度先后成功发射过火星探测器。

1965年发射的美国“水手4号”是首个抵达火星的探测器，在人类历史上首次抵近拍摄了第一张火星照片。后续的“水手9号”是第一个进入火星轨道的探测器，它拍摄了大量火星照片，覆盖了火星超过80%的表面，发现了大量的火山、峡谷和河床，著名的水手峡谷就得名于“水手9号”。

“水手4号”探测器

“水手4号”拍摄的火星照片

“水手9号”拍摄的水手峡谷

苏联在航天竞赛中也不甘落后，屡败屡战，其“火星2号”和“火星3号”探测器成功入轨，并拍摄了大量的火星照片。“火星3号”的着陆器还成功降落到火星表面，不过该着陆器仅发送了20秒的信号就失去联系，人类首张火星表面的照片很模糊，完全无法辨认出任何细节。

美苏之后，日本也试图发射火星探测器，但“希望号”探测器没能进入火星轨道。

欧洲航天局的“火星快车”是用俄罗斯“联盟号”火箭发射的，它成功进入火星轨道，也拍摄了不少火星照片。“火星快车”到现在仍在稳定工作，还将为我国“天问一号”提供通信中继。

欧洲航天局和俄罗斯还联合发射了火星痕量气体轨道器，它的相机功能更为强大。

印度2013年成功发射了第一个火星探测器“曼加里安号”，它成功进入火星轨道并拍摄了不少照片，并在官方网站展示。

阿联酋的“希望号”探测器由美国科罗拉多大学团队研制，并购买了日本H-IIA火箭的发射服务，成功进入火星轨道。2月14日，阿联酋政要纷纷在社交媒体发布了“希望号”探测器拍摄到的第一张火星照片。

“希望号”拍摄的首张火星照片

总而言之，加上我们中国的“天问一号”，已经有6个国家和地区的探测器飞到火星并拍照了。

火星拍照的秘密

本质是不同波长的光，人眼感觉到的光波波长范围为400~760纳米之间，这个波段被称为可见光，只是光波很窄的一部分。人眼视网膜上的视杆细胞感受光线的亮度，而视锥细胞分辨光波的波长也就是颜色，视网膜上的3种视锥细胞分别感受蓝、绿和红光，三原色叠加出五彩缤纷的世界，火星探测器携带的遥感相机也与之类似。

航天遥感相机可以分为全色相机和多光谱相机。

全色相机是单波段相机，拍出来的照片是500~750纳米的可见光灰度，也就是我们常说的黑白照片。

而多光谱相机顾名思义是多波段的相机，相机CCD传感器接收光信号前会有一个分光过程，通过分光器或RGB滤光片让不同波段的光分别通过成像，然后合成叠加成彩色照片。一般来说，能拍多光谱彩照的相机也能拍全色灰度照片，而且没有分光带来的能量降低等问题，多光谱照片的空间分辨率一般只有全色照片的1/4左右。

对于航天遥感来说，多光谱成像固然重要，它可以拍出我们喜闻乐见的彩色照片，而且不同物质成分的辐射光谱不同，还能用于分辨物质组成，但全色成像的空间分辨率高，同时清晰度和对比度更高，简单地说就是照片质量更好。如果我们想要一张照片有更多细节，那当然要使用全色模式，既然不使用滤光片分光，最终拍出来就是黑白照片。

以“天问一号”探测器来说，根据“天问一号”拍照时距离火星220万公里的距离，以及照片上火星的大小和像素推断，“天问一号”的首张火星照片是使用高分辨率相机拍摄的，国家航天局特意表示，这次成像模式采用黑白成像。其实道理并不复杂，虽然这部高分相机也有全色模式，但分辨率只有全色模式的1/4，如果换成多光谱的彩色照片，照片就会太模糊且很难分辨细节了。

火星照片上色不易

有趣的是，不久后，官方又发布了“天问一号”第一张照片的彩色照片，这是对全色照片上色的结果，并非重新拍摄了一张彩色照片。

上色后的火星照片

话说回来，从来没人去过火星，我们怎么保证彩色照片和我们肉眼看到的一样呢？

彩色照片是不同颜色的影像合成的结果，但即使在地面上，由于光照环境的不同，相机拍出的颜色也经常和我们看到的不一致，需要调整照片的色温，也就是白平衡。

火星环境和地球表面大相径庭，无论是光线强度、物质成分还是温度都有很大的区别，如此差距极大的环境下，拍摄火星的彩色照片，后期处理需要调整的参数就更多了。

航天遥感相机的彩色校正一直是相机设计的难点和关键，各国遥感相机的后期处理方法各不相同，反映在照片上就是哪怕对火星同一块区域拍摄的照片，在颜色上也会有细微，甚至不小的区别。

既然如此，那么到底谁拍的才是最真实的彩照呢？

火星轨道器很难为相机找到合适的参照物作为参照，只能根据各自的地面校正结果，也就是说“公说公有理，婆说婆有理”了，但火星车截然不同。以美国的“好奇号”火星车和“毅力号”火星车为例，这些火星车上专门携带了矫正颜色的标准色卡，这些地面已知颜色的色卡，在火星表面作为标准参照物，能让多光谱相机最大限度地还原火星表面的颜色。我国的“嫦娥四号”着陆器就使用国旗作为参照物校正颜色，这次“天问一号”的火星车很可能也使用国旗或是效果更好的标准色卡，为我们带来火星的真实彩照。

美国“好奇号”的标准色卡和标尺