
对于现代科学而言,看来太空中月亮和太阳的颜色问题是如此简单,以至于在我们这个世纪,答案应该没有任何问题。 我们谈论的是从太空精确观察时的颜色,因为大气会由于光线的瑞利散射而导致颜色变化。 您说:“当然,在百科全书中的某个地方,已经有很多篇幅详细地对此进行了记载。” 好吧,现在,尝试在Internet上搜索有关此信息的信息。 奏效了吗? 很有可能不会。 您会发现,最大的几句话是月亮呈褐色,而太阳呈红色。 但是您不会找到有关人眼是否可以看到这些阴影的信息,尤其是RGB或至少色温中的颜色值。 但是随后您会发现一堆照片和视频,其中太空中的月亮显示为绝对灰色,主要是在美国阿波罗计划的照片中,太空中的太阳显示为白色,甚至是蓝色。
我的个人观点仅是政治干预科学的结果。 毕竟,太空中月亮和太阳的颜色直接与美国人飞往月球的飞行有关。
我搜索了许多科学文章和书籍,以寻找有关太空中月亮和太阳颜色的信息。 幸运的是,事实证明,即使它们在RGB中没有直接的答案,也有关于太阳辐射的光谱密度和月亮在光谱中的反射率的完整信息。 这足以获得RGB值中的确切颜色。 您只需要仔细计算实际上我做了什么。 在本文中,我将与您分享计算结果,当然,我将详细介绍计算本身。 您将以真实的色彩看到太空中的月亮和太阳!
我在Mathcad程序中执行了计算,因此,代码片段将使用内置的编程语言,这非常适合作为所有人都可以理解的伪代码。
同时,我将详细介绍什么是RGB颜色模型,我认为大家都很熟悉。 这个问题实际上也不是完全简单的。 例如,尝试回答以下两个问题。 给出颜色
rgb(120,80,100) 。
1)什么是RGB颜色值,比指定颜色深2倍?
2)具有与给定亮度相同的灰度的RGB值是多少?
似乎要思考的是,在第一种情况下除以2,即
rgb(60,40,50) ,在第二种情况下
除以平均值,即
rgb(100,100,100) 。 ,正确的答案是:1)
rgb(86.56.71) ; 2)
rgb(92.92.92) 。 您会发现为什么答案就是这样。
我还将讨论色温及其计算方法。
XYZ色彩空间
XYZ是一种参考颜色模型,由CIE(国际照明委员会)于1931年在严格的数学意义上定义。 CIE XYZ模型是技术领域中几乎所有其他颜色模型的主模型。 XYZ颜色设置如下:
X= int830\,nm390\,nmI( lambda)\,\上线x( lambda)\,d lambdaY= int830\,nm390\,nmI( lambda)\,\上线y( lambda)\,d lambdaZ= int830\,nm390\,nmI( lambda)\,\上线z( lambda)\,d lambda
在哪里
I( lambda) -在390至
830 nm波长范围内的任何能量光度学量(例如,绝对或相对的辐射通量,能量亮度等)的光谱密度(根据2006年,在1931年,该范围是380至
780 nm );
\上划线x( lambda) ,
\上线y( lambda) ,
overlinez( lambda) -颜色匹配功能。 此外,这对我们很重要,Y坐标对应于信号的视觉亮度。
我从此处下载的色彩匹配功能数据:
[ 1 ]。 在那里,为
2度和
10度视场定义了色彩匹配功能。 我决定对这两种情况进行计算,比较结果,并确保与预期一样,颜色坐标略有不同。 自然,我以提供的最大分辨率(即
0.1 nm的步进)使用这些功能。 颜色匹配函数的图形如下:

这些曲线图表明,在
710 nm以上的
波长下,该功能可以忽略不计,因为当观察接近白色的颜色时,在
710 nm以上的范围内的光谱密度几乎没有贡献。 尽管我们知道可见光的波长范围为
780 nm ,但我们必须了解这是单色辐射。 所有这些都是这样的事实,即在某些情况下,我不得不将缺失的月亮光度数据推断为色彩匹配函数基本很小的范围。 因此,可能的外推误差不会导致计算出的颜色出现明显的误差。
我
通过梯形法计算指示积分:

其中c是色彩空间的坐标号(分别为X,Y,Z的1、2、3); cw-颜色匹配功能表; f是光谱密度;
M =(830-390)/0.1=4400-网格步数。
正确的色彩匹配功能具有以下所有属性:所有三个曲线下的面积都相同:
int830\,nm390\,nm\,\上划线x( lambda)\,d lambda\,= int830\,nm390\,nm\,\上划线y( lambda)\,d lambda\,= int830\,nm390\,nm\,\上划线z( lambda)\,d lambda
这样做是为了使均匀光谱具有相同的XYZ坐标。 检查此属性是否成立:

其中一个是1的数组; cmf2_和cmf10_分别是
2度和
10度视野的颜色匹配功能表。 如您所见,该属性的精度为
0.01% ,非常好。 但是,我们还是为了保真而对函数进行了规范化:

亮度归一化
考虑一下数码相机的操作。 数码相机的主要元素是矩阵,由光传感器组成。 当将图像投影到矩阵上时,电荷与其每个光电传感器成正比,而电荷与光电传感器的辐射能成正比。 光电传感器捕获图像元素的亮度,而没有有关其颜色的任何信息。 为了获得有关颜色的信息,光电传感器矩阵在顶部覆盖有微型滤光片矩阵。 这些滤镜用作颜色匹配功能。 每个像素由几个光电传感器组成,这些光电传感器总共叠加有各种滤镜。
因此,作为一个功能
I( lambda) 我们应该取一个像素的照射能量的光谱密度。 这样的光谱密度可以表示为
I( lambda)=coef cdot照明度( lambda) cdot反照率( lambda)
照度是
光源的
光谱辐射密度 ;
反照率 -被摄物体表面的
反射 率 ;
coef-一定的常数系数,由曝光时间,光圈,从光源到被摄物体的距离和其他因素决定。 反射率是指
视在的反照率 ,其定义为由平行光线照射的平面元素的亮度与垂直于光线的完全白色表面的亮度之比。
现在想象一下,我们正在做一个照度计,摄影师用它来设置相机的快门速度和光圈。 换句话说,我们需要选择
coef值,以使图片的亮度正常,不要太暗,不要太亮。 想象一下,在被摄物体的后面是一块全白的屏幕。 根据定义
,这种屏幕的
反射率在所有波长下均等于1。 设置
coef值,以使该屏幕在图像中的视觉亮度Y为1。为什么为1? 因为在RGB颜色模型中,最大可能的亮度值为1,这是通过
rgb(255,255,255) ,即白色实现的。 我稍后再说。 由于普通物体的颜色比全白屏幕的颜色要暗,因此图像的亮度将是正常的。 基于这些考虑,我们获得
coef的以下表达式:
coef= frac1 int830\,nm390\,nm光照( lambda)\,\上划线y( lambda)\,d lambda
应当注意,这种归一化不能保证每个RGB坐标的值都小于或等于255。例如,如果使用红色光源拍摄全白屏幕,则RGB颜色将超出比例。
因此,我按如下方式计算XYZ颜色空间的坐标:

我们需要以某种方式表达太阳的颜色。 我们无法直接拍照,在我们的数学模型中我们没有提供这种极端情况。 显然,我们需要拍摄太阳照射下的白色表面。 由于来自外太空的太阳具有淡红色的色调,因此,正如我所说,绝对白色的屏幕的颜色不成比例。 因此,我们必须使表面变暗。 我通过实验发现,您需要拍摄白度为0.91的白皮书。 您无法承受更多的反照率,它将开始翻转。 因此,为了获得太阳的颜色,我在上述公式中将所有波长的
反照率值设置为0.91:

SRGB色彩空间
使用RGB模型的最常见色彩空间是sRGB。 因此,当不加说明地谈论RGB时,它们指的是sRGB色彩空间,这是使用RGB模型表示色谱的标准。 该标准由国际色彩协会(ICC)于1996年创建,目的是统一在监视器,打印机和Internet站点中使用RGB模型。 让我们看一下这个标准,其描述可在
[ 2 ]中找到。
XYZ到sRGB的转换分为三个阶段。 首先,将XYZ坐标转换为线性RGB坐标,然后将线性坐标转换为非线性RGB坐标,最后将非线性坐标转换为8位RGB坐标,这实际上是sRGB色彩空间的坐标。
XYZ坐标到线性RGB坐标的转换如下:

而相反的是这样的:

我想知道这些平方矩阵中的奇数是从哪里来的? 它们来自ITU-R BT.709建议书
[ 3 ]。 用
XYZ_to_RGB表示第一个方阵,用
RGB_to_XYZ表示第二个
方阵 。 显然,它们是相互相反的。 ITU-R BT.709建议书规定了第二矩阵必须满足的要求。 根据这些要求,我们可以唯一地计算第二个矩阵,第一个等于第二个矩阵的逆矩阵。
我们介绍以下功能:
XYZ(R,G,B)=RGB to XYZ cdot\开始bmatrixRGB endbmatrixW(R,G,B)=XYZ1(R,G,B)+XYZ2(R,G,B)+XYZ3(R,G,B)xy(R,G,B)= frac1W(R,G,B) cdot\开始bmatrixXYZ1(R,G,B)XYZ2(R,G,B)\结束bmatrix
然后,ITU-R BT.709建议书的要求采用以下形式:
xy(1,0,0)=\开始bmatrix0.640.33\结束bmatrix,xy(0,1,0)=\开始bmatrix0.300.60\结束bmatrix,xy(0,0,1)=\开始bmatrix0.150.06\结束bmatrixxy(1,1,1)=\开始bmatrix0.31270.3290 endbmatrix
我们有8个方程,当我们有
RGB_to_XYZ矩阵的9个未知元素时,也就是说,又缺少一个方程。 丢失的方程式是隐式设置的,我必须自己猜测。 该方程式的实质是,对于白色,视觉亮度Y应等于1:
XYZ2(1,1,1)=1
我找到了这些有理数方程的精确解:

如果我将结果中的数字四舍五入到小数点后四位,那么我们在国际色彩协会的标准中就会得到那些非常奇怪的数字。 在我的计算中,我没有使用四舍五入的矩阵,而是使用了上面的精确矩阵(就
双精度浮点数而言)。
因此,基于颜色匹配函数(cmf),辐射的光谱密度(照明)和反射率(反照率)的表,RGB的线性坐标计算如下:

我还使用线性RGB坐标,该坐标在
2度和
10度视场中平均:

根据RGB的线性坐标,使用以下公式计算视觉亮度Y(默认情况下,Mathcad数组从零元素开始编号):

我们继续拆卸标准。 使用非线性lin2bit函数将每个线性RGB坐标转换为非线性,反之亦然,即bit2lin,其定义如下:

这些函数的图形如下所示:

请注意,0转换为0,1转换为1。
最后,非线性RGB坐标通过乘以255转换为8位,然后四舍五入为整数。
因此,我定义了以下函数,用于将线性RGB坐标转换为8位,反之亦然:

现在我们准备从引言中解决问题。 我提醒你这种情况。
给出颜色
rgb(120,80,100) 。
1)什么是RGB颜色值,比指定颜色深2倍?
2)具有与给定亮度相同的灰度的RGB值是多少?
解决方案:

答案:1)
rgb(86.56.71) ; 2)
rgb(92.92.92) 。
色温
光源
的色温以开尔文(Kelvin)表示,取决于色卡上与所讨论的辐射源位于同一位置的
全黑体的温度。 如果光源没有落在普朗克曲线上(该曲线是由黑体在不同温度下的一组色点确定的),则使用相关色温来表征它。 此值也以开尔文(Kelvin)度量,并且由全黑体的温度确定,该体的颜色尽可能接近光源的颜色。 为了在
坐标(u,v)中构造的色表上找到辐射源的相关色温,确定普朗克曲线上最接近辐射源的点(即,最短的几何距离)。 此时黑体的温度将与所考虑光源的相关色温相对应
[ 4 ]。
对于温度为T的全黑体,在单位波长间隔内辐射表面每单位面积的辐射功率
由普朗克定律表示:
R( lambda,T)= frac2 pihc2 lambda5 frac1ehc/ lambdakT−1
因此,我按如下方法计算绝对黑体的光谱辐射密度(在cmf2色彩匹配函数表的零列中,波长为纳米):

请注意,我省略了常数因子,因为它仍然会随着亮度的进一步标准化而减小(光源的亮度不会影响色温)。
接下来,我计算RGB的线性坐标:

RGB线性坐标转换为
(u,v)坐标,如下所示:

在
(u,v)平面上
,计算所讨论颜色的点与给定温度T的黑体颜色之间
的几何距离:

例如,对于标准白光源,此距离对温度的依赖性如下所示:

该依赖性最小的T的值是所讨论的光源的色温。
太阳辐射的光谱密度
我从此处下载了在没有大气的情况下太阳辐射光谱密度的数据:
[ 5 ]。 从现在开始,我将太空中与太阳对应的光源指定为E490。 另外,为了进行比较,在计算中我考虑了
标准光源D65 。 该光源代表白光。 我看它是为了显示如果太阳是白色的月亮会是什么样子。 我从这里下载了标准光源D65的辐射光谱密度的数据:
[ 6 ]。
如下所示,D65和E490光源的色温分别为6467K和5912K。 光源D65,E490和相应温度的绝对黑体的光谱辐射密度如下:

可以注意到,在更长的波长,即在红光的波长(620-770nm)下,太阳辐射的光谱密度高于白光源的光谱密度。 这意味着太阳具有淡红色。 实际上,计算得出了光源D65,E490和相应温度的绝对黑体的以下颜色(如我所说,认为反射率为0.91的白皮书):

请注意,太阳的sRGB坐标与绝对黑体温度5912K完全一致。 这没有任何解释,只是发生了。
最后一张图片中圆圈的颜色是太空中太阳的真实颜色。 人眼清楚地看到了红色的阳光。 因此,来自太空的太阳是白色的事实是一个很大的神话! 应当指出,由于某种原因,在Apollo程序的照片和视频中没有观察到这种阴影。
在这些照片中,肯定会在美国国旗和太空服的白色表面上出现可见的红色。如下所示,太阳的这种阴影为太空中月球的“红色”做出了显着贡献。月亮的颜色不同还是相同?
阴谋论的反对者正在提倡月亮颜色不同的说法。据说月亮在灰色的地方,在褐色的地方,与此同时,阿波罗号在月亮是灰色的地方着陆。但是此版本直接与科学数据相矛盾。文章[ 7 ]明确指出:月球上的色差非常小。
舍甫琴科还在他的书中写道[ 8 ]:多年来,美国著名的研究人员T. McCord一直朝着这个方向努力。他获得了月球表面各个部分的200多个光谱,每个光谱的长度为10-20 km。所有获得的曲线在外观上基本相似。
因此,不,月亮的颜色没有不同,但相同。根据舍甫琴科的月亮颜色数据
舍甫琴科在他的书中[ 8 ]给出了反射率对波长的以下依赖性。
在计算中,我使用了该数据的分段线性插值。通过直接延续690-820 nm范围内的间隔,我收到了820-830 nm范围内的丢失数据。LRO的月球颜色数据
在[ 9 ]中给出了月球表面反射率对在321 nm至689 nm波长处的照明和观察条件的依赖性。模型参数是基于对“月球侦察轨道器”(简称LRO)获得的数据的分析而计算的。照明和观察条件由三个参数i(入射角),e(反射角)和g(相位角)确定。下图显示了这些角度:
相位角可以用方位角表示Ψ使用球面余弦定理如下:g=arccos(cos(i)cos(e)+sin(i)sin(e)cos(Ψ))
在计算中,我采用了传统的角度值i = g = 30°,e = 0°。对于这样的角度,获得了反射率对波长的以下依赖性(图lro30):
我对LRO数据进行线性外推到689-830 nm区间,以使830 nm和689 nm点处的值之比与Shevchenko数据相同(安排书架)。我还对Shevchenko的数据进行了规范化处理(乘以0.8315),以使根据Shevchenko和LRO得出的色彩计算的亮度相同。Kaguya的月球颜色信息
在[ 10 ]中介绍了由日本第二颗人造卫星获得的数据。不幸的是,可见光波长范围内的反射率分辨率很低,因此在计算中不使用它。但是这项工作很有趣,因为它谈到了Kaguya数据与Apollo 16任务的数据之间的巨大差异。这是科学界公开谈论与美国人登月有关的矛盾之处的罕见情况之一。计算结果
此外,我将使用以下符号:D65-白光的标准光源D65;E490-在没有大气的情况下来自太阳的光源;B-0.91-白皮书的反照率为0.91;LRO(30°) -传统角度的LRO数据i = g = 30°,e = 0°;谢夫 -舍甫琴科的数据;玲。 (2°) -2度视野中的线性RGB坐标;玲。 (10°) -在10度视野中的线性RGB坐标;玲。 (平均值) -线性RGB坐标的平均值2度和10度视野;sRGB(100%) -从在2度和10度视野中平均的线性RGB坐标获得的sRGB坐标;sRGB(200%) -从在2度和10度视野中平均的两倍线性RGB坐标获得的sRGB坐标;sRGB(300%) -从在2度和10度视场中平均的三倍线性RGB坐标获得的sRGB坐标;sRGB(400%) -从四倍线性RGB坐标平均得到的sRGB坐标2度和10度视野;上校 步伐。-从线性RGB坐标获得的色温,该坐标在2度和10度视野中求平均值;D65
E490
下图显示了使用E490光源(即sRGB )的月球表面颜色sRGB(100%),sRGB(200%)(双亮度),sRGB(300%)(三倍亮度),sRGB(400%)(四倍亮度)。根据太空观测组织(LRO)和舍甫琴科(Shevchenko)的数据。如您所见,根据LRO和Shevchenko的说法,太空中的月亮都具有棕色。根据舍甫琴科的说法,它比《反叛者组织》略红(几乎不明显)。
照片中月亮的颜色
在本节中,我们将处理照片的着色。 给出图像的
img和
RGB线性坐标中的颜色。 每个图像像素都被给定颜色的像素替换,该像素的亮度与原始像素的颜色相同。 Mathcad程序中的图像表示为单个sRGB坐标矩阵,该矩阵通过从左到右缝合三个矩阵“ R”,“ G”,“ B”获得。 考虑到这一点,着色过程如下:

出于兴趣,我从美国阿波罗计划的相册中拍摄了月球表面的照片,并用从计算中获得的颜色进行了重新粉刷。 我只给出结果,并就这些照片是真是假作出结论。
给照片
AS11-44-6552着色的结果:

中间是原始照片。 根据舍甫琴科的数据,左边的照片根据传统角度
i = g = 30° ,
e = 0°的LRO数据进行着色。 上排对应于标准光源D65,即,上排显示了月亮的表面颜色,如果太阳是白色的话,该颜色将获得。 下排对应于E490光源,即,下排显示从太空观察时月球表面的自然色。
如您所见,太阳的红色调对月球表面的“红色”做出了明显的贡献,月球表面最终看起来是棕色的,而不是灰色的。
NASA照片中月亮的灰色可以用以下事实来解释:该影片出于某种原因“变成”蓝色,但是如果我们分析相册末尾的灰度图像,则该版本会立即消失。 照片
as11-44-chart显示了上面最后一张照片的此类照片。 我在这张照片的灰色渐变左侧留下了与照片相同亮度的真实灰色,并且还写下了sRGB坐标。 结果是以下图像:

如您所见,该影片不仅具有“消失”为蓝色的功能,而且甚至具有与蓝色相反的方向“消失”的功能。 这样的偏差不能变成棕色变成灰色。
为照片
AS11-40-5903着色的结果:

在原始照片中,某些地方的月球表面不仅呈灰色,甚至略带蓝色。
as11-40图表的照片显示了相应的灰度图像:

影片不是以“蓝色”颜色“消失”,而是以“红色”颜色。 甚至在那之后,由于某种原因,NASA照片中的月球表面还是灰色的。
对照片
AS11-37-5455进行着色的结果:

这是阿波罗计划罕见的照片之一,月球表面虽然没有完全着色,但具有棕色。 他们说,阴谋论的反对者喜欢展示它,看起来,棕色是一样的。 但是这里的渔获物悄悄进入了。
让我们分析一下照片
as11-37-chart ,其中显示了相应的灰度图像:

这部电影只是“变成”棕色。 这就是NASA照片中月球表面呈褐色的全部原因。
月球表面颜色对照明条件和观察的依赖性
利用
[ 9 ]中给出的LRO数据,我们研究了月球表面的颜色如何由于光照和观察条件而改变。 考虑光源E490(来自太空的太阳)和角度
i ,
e的不同值,
v 一个[R P š 我 。 下图显示了结果,其中上一行的颜色明亮三倍,而下一行的颜色减少到相同的亮度
Y = 0.5 。

从图片中可以看到,只有亮度发生变化。 在最下面一行中,人眼到处的颜色几乎相同。 虽然,如果仔细观察,在
i = 0°的情况
下,当
e接近零时
,您会看到到灰度侧的非常微弱的偏差。
月球土壤的颜色
美国宇航局网站上有一张非常奇怪的照片,即这张
月球土壤样品编号10005的照片 。

考虑到照明是由白色光源产生的,照片中的月球土壤看起来是棕色,甚至太棕色。 可以通过落入框架的白皮书的颜色检查正确的白平衡。
也许这是阿波罗17号宇航员发现的橙色土壤? 不行 文件
[ 11 ]明确指出,该样品是由阿波罗11号宇航员采集的。
现在,让我们听听尼尔·阿姆斯特朗(阿波罗11号宇航员)在1970年对Patrick Moore
[ 12 ]的采访中所说的话。
当您查看附近或手中的地面时,您会发现它实际上是煤灰色的,尤其是我们找不到与该颜色相同的任何东西。
(当您近距离查看材料时,就像在您的手中一样,您会发现它实际上是木炭灰色,而我们永远也找不到与该颜色完全不同的东西。)
事实证明,尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong),我不怕这个词。
文学作品
1。
色彩与视觉研究实验室-从CIE(2006)LMS功能转变而来的新CIE XYZ功能2。
国际色彩协会-互联网的标准默认色彩空间:sRGB3。
ITU-RBT.709建议书-用于生产和国际节目交换的HDTV标准的参数值4。
RobertsonR。“相关色温和分布温度的计算”。 Soc。 Am.58,1528(1968)。
5,
2000 ASTM标准地球外光谱参考E-490-006。
CIE标准光源D657
“确定月球土壤的物理机械特性的第一个结果”,莫斯科:1970年。 教授 技术博士 V. G. Bulychev科学,第8页。
8。
Shevchenko V.V.,《月亮及其观察》,1983年,第91-92页。9。
Hapke,B.,B.Denevi,H.Sato,S.Braden和M.Robinson(2012),月球相位曲线的波长依赖性,如月球侦察轨道飞行器广角相机所见,J。 决议117,E00H1510。
大竹 等。 (2010),使用SELENE(Kaguya)多波段成像仪数据推导月球表面的绝对反射率,太空科学。 修订版154、57-7711。
美国宇航局(NASA)的朱迪思·H·阿尔顿(Judith H.Allton)解剖和描述的APOLLO 11驾驶管12
英国广播公司 尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)与Patrick Moore的访谈(1970)