相机曝光与消失的星辰

相机曝光与消失的星辰 | AI生成和翻译

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在摄影中，曝光指的是在一定时间内到达相机传感器（或传统相机中的胶片）的光线总量。它决定了照片的明暗程度——如果光线不足，图像会曝光不足（过暗）；光线过多，则会曝光过度（高光部分过曝或失去细节）。

曝光由三个主要因素控制，通常称为“曝光三角”：

简单来说，曝光就像决定有多少“阳光”通过窗户洒进房间——你需要调整窗户的大小、打开的时间长短以及墙壁对光线的敏感程度。

NASA的太空照片——例如阿波罗任务、国际空间站（ISS）或哈勃望远镜拍摄的图像——常常显示漆黑的天空而没有星星，尽管宇航员在太空中用肉眼确实能看到星星。这并非阴谋或伪造，而是纯粹的光学原理和曝光机制在起作用。

原因如下：

明亮主体主导画面：太空照片通常捕捉的是阳光照射下的物体，如地球、月球表面、航天器或宇航员。这些物体与星星相比极其明亮。星星是极其微弱的光点，比阳光照射的前景物体暗数万亿倍。
针对强光的短曝光：为了避免过曝（使明亮区域变成无细节的白色斑块），相机使用非常快的快门速度（例如1/250秒或更快）和较小的光圈。这样只让足够的光线进入以捕捉主体，但没有足够的时间让微弱的星光在传感器上留下记录。这就像在暗房中拍摄点燃的生日蜡烛——如果你针对火焰曝光，房间就会保持黑暗。
结果：星星消失：在短曝光下，相机的传感器无法积累来自遥远星星的足够光子。要捕捉星星，你需要长曝光（数秒或数分钟），但这会使阳光照射的部分变成模糊的白色条纹或完全过曝。

实际上，星星确实存在——你只需要不同的设置。NASA确实会用望远镜或长曝光相机拍摄星星（例如哈勃的深场图像显示了数百万个星系）。但对于宇航员或地出等“日常”太空快照，曝光优先考虑的是可见的活动。

你关于在“飞船”中看不到暗处的观点与此直接相关。在航天器内的弱光条件下：

曝光不匹配：内部灯光（如国际空间站上的LED灯）是为人类眼睛或调整到平均亮度的相机设置的。阴影或未照亮的角落会曝光不足，因为相机/快门优先考虑照亮区域以避免屏幕或窗户的眩光。
类似太空视角：从飞船窗户望向黑暗区域（例如地球的夜面）时，低曝光意味着你无法看到微弱的细节——比如遥远的山脉或城市——因为相机是针对较亮的舱内或阳光照射的外部设置的。这是相同的原理：短曝光下光线积累不足会隐藏暗淡的物体。

宇航员经常使用手电筒或调整设置来“看到”那些暗处，就像你使用手机相机的夜景模式一样。

这里的核心光学原理可归结为光强度、动态范围和光子收集：

光强度与平方反比定律：来自附近明亮光源（如阳光照在宇航服上）的光线衰减缓慢，会淹没传感器。来自数十亿光年外的星光非常微弱，它严格遵循平方反比定律——当它到达我们时，只剩下微弱的光子流。
动态范围限制：相机传感器（即使是NASA使用的先进型号如哈苏或改装尼康）具有有限的“动态范围”——即单次拍摄中能捕捉的最暗阴影和最亮高光之间的范围。人眼能动态适应（瞳孔放大），但相机不能；它们锁定一次曝光。太空场景具有极大的对比度（明亮的太阳与微弱的星星），因此必须有所取舍——通常是星星。
相机如何“获取”图像：光线通过镜头（像放大镜一样聚焦），击中快门（快速帘幕），并曝光传感器（由光敏像素组成的网格）。每个像素计算入射光子以构建颜色和亮度数据。对于清晰的NASA照片：
- 镜头是广角或长焦，针对真空环境优化（无空气失真）。
- 后期处理（如HDR混合多次曝光）可以在之后添加星星，但原始拍摄优先考虑主体的清晰度。
- 在哈勃等望远镜中，冷却的传感器和长曝光（数小时）收集微弱光线而无噪点。

如果你希望在太空照片中看到星星，切换到天文摄影模式：三脚架、长快门（例如30秒）、低ISO、大光圈。NASA的宇航员甚至在国际空间站上为此取乐！

参考资料：

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