Про Вселенную и обработку изображений 👽

Вступление

ПИУ-ПИУ, друзья мои! ПИУ-ПИУ!!

Итак, история с 3I/ATLAS подходит к своей кульминации - перигелию, и от этого вопли в англоязычном твиттере возносятся просто до небес, и если на 3I/ATLAS и есть инопланетяне, они, должно быть уже оглохли от всего этого хора голосов. А иногда люди несут такую ахинею - просто уши в трубочку заворачиваются. 

В общем, пришла пора разобрать, что же такое удобряет нашу ленту новостей по теме 3I/ATLAS? 

По пути мы коснемся довольно важных тем - а как вообще получают изображения космических объектов? Или - а можно ли увидеть линейный размер ядра кометы с расстояния 30 млн км?

Кейс 1. Звезды бегут - АТЛАС стоит!

Вот тут у чувака в ролике звезды бегут, а точка 3I/ATLAS - стоит. И у нее совсем нет комы. КОШМАР! АПОКАЛИПСИС! 

На самом деле камера “ведет” комету в течение двух часов по небу, то есть синхронизирована с движением кометы, а не небесного свода, и потому звезды все время смещаются, а объект остается в центре поля зрения. И да, даже обычные кометы движутся довольно быстро, а уж что говорить про Атлас!

На снимках комет это норма! Так можно рассмотреть детали кометной комы и хвоста, а звезды в данном случае - второстепенное.

А по поводу отсутствия комы - если это камера CaSSIS на аппарате ЕКА ExoMars TGO, то что вы от нее хотите - она предназначена совсем для других съемок, и за 5 секунд экспозиции отдельного кадра даже на очень чувствительной матрице рассеянная тусклая кома может и не появиться.

Вот Ник Томас, главный ученый камеры CaSSIS, отмечает:

«Это было крайне сложное наблюдение. Комета в 10 000–100 000 раз тусклее наших обычных объектов».

Вообще, не зная, как конкретно они пытались снять комету, иногда бывает трудно понять, что ты видишь. А где твиттеровские анонимы берут эти фотки - там давно уже нет, ссылок они не дают, да и забывают, откуда все это практически на следующий день. Порой очень трудно найти концы… А в астрофотографии очень важно понимать, как именно, на каком оборудовании и в каких условиях был сделан снимок, в зависимости от этого полученные результаты могут быть очень-очень разными.

Поехали дальше

Кейс 2. Комета-огурец

А тут у гражданина опять “эти ученые всё скрывают!”, а растянутую в штрих при неправильно подобранной экспозиции или отсутствии трекинга точку кометы (если, конечно, это она), такое ощущение, пытаются выдать за некий “продолговатый объект”, (ну, во всяком случае, у меня такое ощущение складывается), чего с такого расстояния для камеры CaSSIS (если это она) быть не может. 30 млн км все-таки, при линейном радиусе ядра от 320 м до 5.6 км :/ 

Как говорил Моргунов в “Операции Ы” - “Это несерьёзно!”.

Вообще вой “учёные всё от всех скрывают!” возникает моментально в случаях, когда некомпетентные в каком-то вопросе люди навоображают себе невесть чего, а потом пытаются организовать экспертов объяснить себе, почему их влажные фантазии не имеют никакого отношения к действительности. А те не организовываются, им и так есть чем заняться…

Тут вот еще изображение, обратите внимание на объект слева.

Получается, инопланетяне прилетели к нам верхом на огурце? Или на кабачке?? А что справа на врезке? Дюзы? Посадочные огни? 

Задача CASSIS

Тем не менее, давайте прикинем, сможет ли камера CASSIS (а мы допускаем, что изображение именно с этой камеры, раз весь шум построен вокруг новых снимков Европейского Космического Агентства - других-то нет, все скрывают), да, так вот обладает ли камера CASSIS достаточной разрешающей способностью, чтобы разрешить этот огурец длиной в 10 км (округляем уже известный нам по научным статьям радиус) с расстояния 29, ну, пусть 30 для круглости млн км (а именно столько было в момент съемки, как мы уже знаем)?

Итак,

Дано:

Расстояние до объекта: D = 30 000 000 км


Радиус объекта: r = 10 км, значит диаметр d = 20 км

Найти:

какой угловой размер (в секундах дуги) должен составлять 1 пиксель, чтобы разрешить линейный размер этого межзвездного огурца?

Решение

Угловой размер объекта:

Переведём в угловые секунды:

(принимаем, что тангенс малого угла равен самому этому углу)

То есть, чтобы разрешить линейный размер объекта диаметром 20 км с расстояния 30 млн км хотя бы в 1 пиксель, камера должна иметь угловое разрешение 0.137” на пиксель или лучше.

Ответ:

Итак, нам нужно разрешение 0.137”/пиксель, а согласно опубликованным техническим характеристикам CaSSIS дает всего ~1.4”/пиксель, что на целый порядок хуже - следовательно, линейный размер АТЛАСа в 10 км с расстояния 30 млн км не составит угла даже для одного пикселя…

Чтобы он был хотя бы 1 пикселем, он должен быть в 10 раз крупнее (т.е. ~200 км в поперечнике), либо камера должна быть в 10 раз ближе (~3 млн км), либо иметь в 10 раз лучшее угловое разрешение (≈ 0.13”/пиксель).

То есть на таких расстояниях АТЛАС принципиально неразрешаем с помощью CaSSIS, и всё, что приходит на ее матрицу с расстояний в миллионы км при размере объекта в десять километров представляет собой лишь фотометрический поток с шумом плюс собственный пиксельный шум, а не изображение объекта.

Кейс 3. Дюзы инопланетного звездолета

Тут парень уже практически рассматривает дюзы инопланетного корабля на матрице CaSSIS…

А может быть, следовало еще почитать про то, как матрицы (или приборы с зарядовой связью) регистрируют и аккумулируют сигнал и про то, что такое биннинг матрицы - когда несколько физических пикселей объединяются в один логический (например, 2x2), и яркость по всему этому новому большому пикселю усредняется.

И про то, что такое “шум матрицы” стоило бы почитать - какие виды шума существуют в природе, как с ним борются, и как недобарывают, и как он мешает…

Потому ученые и не спешат публиковать фотографии - их нужно еще серьезно готовить, прежде чем показывать публике. А сырые фотки - собственно, и представляющие ценность для науки, лучше публике не показывать. Сырцы от Хаббла или Уэбба или Чандры посмотрите - со всех их помехами, шумом, космическими лучами, треками спутников, затраиванием изображений по фильтрам - сера, водород, кислород… Начать свой путь в цифровую научную фотографию можно откуда угодно - например, отсюда.

А к этой фотографии у меня ровно одна претензия - что ж у них одна дюза (справа внизу) не работает? Она же даст несимметричную тягу! Как же так - продвинутая цивилизация да с неработающей дюзой? Может, они на ремонт к нам прилетели? Резину менять на зимнюю? 👽

О, вот тут хоть “дюзы” работают симметрично, хе-хе… И снимок назван “официальным” от ЕКА! 

Ну, хорошо, предположим, что это - официальное фото от ЕКА. Здесь снова видим пикселизацию изображения низкого разрешения, а дюзы или огни инопланетного корабля тут мы не видим :/ 

Кроме того, тут видно начало хвоста кометы (который, как утверждается, “на фотках ЕКА не наблюдается”)...

Мы что, смотрим на какие-то разные фото? :/

Я даже скормил это фото поиску Гугл, и оказалось, там таких “кораблей с горящими дюзами” - пруд пруди!!

ВОТ ЭТО ДА!!

ДА НАС ЖЕ ОБМАНЫВАЮТ!!

О, божечки…

Вообще, по поводу кометных хвостов давно, еще с XIX века были разработаны и простые и сложные классификации, погуглите, например, фамилию “Бредихин”, чтобы с чего-то начать.

Ага! Вот оно что! Оказывается, некто взял гифку от ЕКА (которая есть и в упомянутом пресс-релизе), и методом шараш-монтаж увеличил ее так, что сразу стали видны ее пикселы!! 

Так вот оно что, Иваныч! Я помню все твои пикселы!

"А я не отдам Некту свои пикселы - хоть дерись!" (деревянный мальчик с длинным носом)

И даже в исходной гифке от ЕКА эти пикселы блуждают туда-сюда как им, шуму и кодеку взбредет в голову… 

Это как взять и увеличить фото низкого разрешения до степени, что становятся видны отдельные квадратные пикселы, а потом носиться с этими пикселами как доказательством чего-то…

Что ж..

Почему нельзя на полном серьёзе использовать "видео из интернета" как аргумент

Когда ты скачиваешь видео из интернета и увеличиваешь его фрагмент (зум), ты работаешь не с “оригинальной сценой”, а с пиксельной тенью того, что уже пережало и исказило множество компрессий, фильтров и потерь.

Интернет-видео:

• уже прошло сжатие (часто многократное),
• содержит артефакты кодека (блоки, шум, сглаживание),
• может иметь размер всего 240p или 480p.

Зум лишь увеличивает пиксели — он не восстанавливает детали, которых изначально не было. 

Это как попытка рассмотреть лицо на фотографии, сделанной с километра на тапкофон.

А если ты перекодируешь зум как новый ролик — ты лишь «цементируешь» искажения: то, что изначально было абстрактным пятном, становится «якобы объектом», но это иллюзия.

Потому увеличение низкокачественного видео не раскрывает скрытые детали — оно лишь усиливает артефакты. Изучать такие “зазумленные” ролики — всё равно что гадать по пикселям. 

Это путь к самообману, а не к истине.

Проследим путь от научных данных до финального GIF на сайте ЕКА

1. Исходные данные (научные FITS или RAW-кадры)

Изначально — это, скорее всего, кадры от камер космического аппарата в высоком качестве (например, CaSSIS или HRSC).

Они содержат большую глубину (12–16 бит) и высокое разрешение.

2. Создание последовательности кадров

Учёные делают превью: выравнивают уровни, меняют контраст, возможно — нормализуют по фону. Часто кадры уже обрезают до интересующего участка (например, кометы на фоне звёзд).

И вот тут — первый зум, если хотят показать деталь крупно.

При зуме без сглаживания (методом интерполяции под названием “ближайший сосед”) появляется то, что мы называем “пикселизация”. Но она технически отражает реальные изменения яркости в оригинальных пикселях.

3. Экспорт в видео или GIF

Затем эту секвенцию превращают в GIF или MP4: Часто используется ограниченная палитра (GIF — 256 цветов), При экспорте в GIF может применяться палетизация, дизеринг, обрезание частоты кадров, усреднение яркости и т. д. Если используют инструмент без фильтрации (напр. ImageMagick с -resize по умолчанию) — пиксели становятся грубыми.

Даже если пиксели были «настоящими» — после кодирования в GIF они выглядят грубее, контрасты усиливаются, а антиалиасинг теряется.

“Все эти пиксели, кажется, и были в исходнике” — да, но они стали визуально более агрессивными из-за способа обработки и формата GIF.

GIF, как на сайте ESA, вполне может содержать реальные данные, но при этом:

• сильно огрублён визуально,
• пиксели выглядят преувеличенно,

изучать его “как есть” на полном серьёзе — риск попасть в ловушку восприятия, особенно при зуме.

Теперь про шум и биннинг исходной CMOS матрицы. Без сомнения, они влияют — и влияют существенно — на то, как выглядят исходные кадры и как они интерпретируются в дальнейшем (особенно при увеличении и перекодировке).

4. Шум матрицы

Это фоновая “рябь” или зерно на изображении, получаемом матрицей, возникающее из-за:

• Тепловых флуктуаций (thermal noise),
• Электронного шума (readout noise),
• Космических лучей (в космосе особенно актуально).

При слабом сигнале (тёмные участки, кометы, далекие звезды) шум может быть сопоставим с полезным сигналом. Когда такие кадры зуммируются или анимируются — шум может “имитировать движение”, придавая ложные контуры и формы. При GIF-сжатии шум усредняется или квантуется, и его восприятие может искажаться.

Особенно опасно, когда наблюдатель принимает шум за физические структуры (например, хвост кометы или слабый спутник).


5. Биннинг (binning)

Это когда несколько пикселей матрицы (напр., 2×2 или 3×3) объединяются в один, чтобы:

• увеличить светочувствительность,
• уменьшить размер файла,
• сократить время считывания.

При этом теряется пространственное разрешение. Полученные “суперпиксели” имеют сглаженные границы и усреднённые значения. При зуме каждый такой пиксель становится “плиткой”, а при GIF-кодировании — легко может быть интерпретирован как реальная деталь.

Например, если в оригинале была слабая звезда между двумя яркими пикселями — при 2×2 биннинге она может просто исчезнуть, дав небольшой взнос в среднюю яркость большого пиксела.

Результат:

При сильном увеличении, особенно если ты смотришь GIF или зазумленный кадр:

• Шум может выглядеть как “структура” (например, пульсация, движущийся объект),
• Биннинг может создавать иллюзию “пиксельных блоков” или “гладких краёв”,
• А комбинированный эффект может ввести в заблуждение, особенно при слабом контрасте.

Вот имитация того, как шум и биннинг влияют на качество изображения при обработке:

Панель 1: Исходное (идеальное) — Точечный источник света (звезда) без шума — всё идеально, один пиксель.

Панель 2: С шумом — Добавлен реалистичный фоновый шум (как у ПЗС-матриц). Источник всё ещё виден, но уже есть помехи.

Панель 3: Биннинг + зум (без сглаживания) — После биннинга (2×2) и зума без фильтрации:

• изображение выглядит грубее,
• сыпятся “кирпичи”,
• шум превращается в артефакты, похожие на «объекты».

Панель 4: Биннинг + зум (сглаживание Lanczos) — Тот же материал, но с фильтрацией:

• края сглажены,
• меньше ложных «структур»,
• визуально мягче и ближе к реальности.

При зуме и обработке необработанные шумы + биннинг могут создать иллюзию структуры.

Без понимания природы этих эффектов легко принять шум за объект или движение.

Вывод:

Да, шум и биннинг оказывают заметное влияние на восприятие изображения — особенно при последующем зуме или компрессии. Они могут создавать ложные детали, терять реальные, и усиливать визуальные артефакты. Поэтому любые “открытия” на основе зумов и GIF-анимаций без анализа оригинальных FITS — научно недостоверны.

Что, скорее всего, произошло на стороне ESA:

Учёные или пресс-служба собрали анимацию из реальных кадров, чтобы показать наблюдение кометы ATLAS.

При этом:

• Была применена кратная обрезка (crop) вокруг объекта интереса.
• Возможно, увеличение (зум) без сглаживания — чтобы объект был крупнее на экране.
• Экспортировали всё это в GIF — формат, удобный для встраивания на сайты, но ограниченный по цветам и резкости.
• Почему-то не применили грамотную фильтрацию (например, Gaussian blur или Lanczos), - вероятно, это делалось “для визуализации”, а не для анализа.

В результате получился пиксельный, мерцающий ролик, где любой шум или артефакт может показаться “движущимся объектом”.

Что делают дилетанты:

• Берут этот вторичный продукт (GIF),
• Разбивают его на кадры,
• Делают зум 800%, выкручивают контраст,

И начинают находить “инопланетные корабли”, “тени”, “объекты, льющиеся против ветра”, и прочие чудеса. Они воспринимают визуальный артефакт как физическое подтверждение, а авторитет ESA — как «печать достоверности».

При этом они не анализируют исходные FITS-данные, где всё в 16-битах, с нормальной шкалой яркости, не учитывают биннинг, шум, интерполяцию и особенности кодирования GIF.

И делают выводы в духе: «официальная наука всё скрывает, а мы нашли правду!»

Да, ESA просто сделала научно-популярную анимацию — а зрители, не понимая технических нюансов, восприняли её как “засекреченное доказательство инопланетян”.

Ну. и на закуску еще два дивных твита:

Кейс 4. Звездолет в дожде

По изображению вообще ничего не понятно. Откуда взял? Что за "дождь" на переднем плане? Звезды? Космические лучи? Шум матрицы? Что?

А что за этой завесой? Отражение на стекле? Ближайший супермаркет? 

Почему мы должны по этой картинке сделать вывод о том, что на ней - инопланетный корабль? 

Какое отношение это имеет к ЕКА? Или не имеет?  

Ему там справедливо в комментариях напихали.  

Так он еще говорит, что не может разглашать свои источники (!)

Ну остается только руками развести 👽

Кейс 5. Галактическое правительство

А в конце нашего рабочего дня (когда на восточном побережье полдень, совсем понеслась комета по Солнечной Системе...

Это просто пример твитов от разных совсем уж потекших крышей или хайпующих на громком событии "энтузиастов науки" (на самом деле - нет).

Фантазия-фантазией, но всему же есть мера...

Коды они, понимаешь, передают :/

То ли еще будет.

Ладно. Проехали

Видел еще, что вышли несколько очередных интервью Лёба, может, сделаем еще материал на эту тему немного позже. Так понимаю (ну, или делаю допущение на основе эмпатии), что он уже и сам не рад, какую волну стронул... Люди ж реально берегов не чувствуют, меры не знают, язык без костей, а твиттер все стерпит. 👽👽

Продолжаем наблюдение.

Заключение:

Вот так, ребята!

Следует признать, что если судить по твиттеру, то за те несколько лет пока я летел к Альфе Центавра, люди сильно поглупели. Раньше, по крайней мере, большинство имело хоть какое-то представление о том, как получают и обрабатывают научные фотографии :/

Или это на нас всех так влияет искусственный интеллект? 👽👽👽