哈勃望远镜那可怜的 CCD 像素是如何拍出那么美丽而尺寸巨大的相片的？
首先，我们得承认，早期的哈勃望远镜（特别是其早期科学仪器）使用的CCD确实不如现在我们手机、单反上的像素密度高，而且单个像素的尺寸也相对较大。这听起来好像是“落后”，但实际上，在太空望远镜的设计中，有很多因素需要权衡，技术路径也并非一成不变。
一、巧妙的“拼接”——积少成多，化零为整
哈勃之所以能拍出覆盖天宇大片区域，细节却又如此丰富的图像，最重要的技术之一就是图像拼接。想象一下，你用相机拍摄一张全景照片，如果想拍下整个城市，你可能会拍好几张，然后用软件把它们缝合在一起。哈勃做的也是类似的事情，只不过它的“全景”是广袤的宇宙，而它的“缝合”则精确到了像素级别。
1. 小视场，高精度： 哈勃望远镜的每个科学仪器（包括它的CCD相机）都有一个相对较小的视场。这就像你拿着一个望远镜，一次只能看到天空的一小块区域。但是，哈勃的厉害之处在于，它能够极其精准地控制望远镜的指向，并且非常稳定。它会以预设的路径，一张接一张地拍摄天空的相邻区域。
2. 重叠区域的处理： 为了保证拼接的精度和无缝衔接，每次拍摄时，都会有意地让相邻的图像之间有重叠区域。在地面处理数据时，科学家们会利用这些重叠区域，通过复杂的算法来匹配和校准图像，确保不同照片之间的亮度、色彩和细节都能完美地对齐。这种算法非常精妙，能够补偿由于望远镜指向的微小偏差、不同曝光时间、甚至遥远天体本身的运动所带来的差异。
3. 超高分辨率的合成： 通过这种方式，无数个小视场的图像被“缝合”成了一张巨大的、覆盖范围极广的图像。而且，由于每次拍摄都力求捕捉尽可能多的细节，当这些高分辨率的“小图”被精确拼接在一起时，最终合成的图像就拥有了远超单个CCD像素能力的细节和清晰度。这就像用无数根细小的画笔，在巨大的画布上一点点绘制，最终呈现出一幅宏伟的画作。
二、精益求精的科学仪器与数据处理
哈勃的成功，不仅仅是CCD本身，更是整个科学仪器的设计和地面数据处理能力的综合体现。
1. CCD的“不那么可怜”： 虽然我们说“可怜的CCD像素”，但要知道，哈勃装备的CCD是当时顶尖的太空相机技术。它们经过严格的设计和筛选，具有极高的量子效率（即能将多少入射光子转化为电子信号）、低读出噪声（即信号中混杂的无用信息少）以及良好的线性响应（即信号强度与光照强度成正比）。这些特质对于捕捉微弱的宇宙信号至关重要。而且，为了获得更高的信噪比，哈勃的观测往往会进行长时间曝光，甚至会多次对同一个目标进行重复拍摄，然后将这些数据叠加起来，进一步提升图像的质量。
2. 多光谱成像的艺术： 哈勃并不仅仅拍摄“普通”的照片。它能够通过不同的滤镜来捕捉特定波长的光线，比如红外线、可见光、紫外线等。当科学家将这些不同波段的图像进行组合和“上色”（将特定的波长映射到人眼可识别的颜色上）时，就能呈现出我们看到的那些色彩斑斓、充满细节的宇宙景象。例如，不同元素的原子在发出特定波长的光时，会表现出不同的颜色，哈勃通过捕捉这些“光谱指纹”，让我们看到了宇宙物质的组成和状态，这远远超越了我们肉眼所能看到的。
3. 后期的精细打磨： 天文图像的最终呈现，离不开地面科学家们强大的数据处理能力。他们会进行一系列的校正，包括去除图像中由仪器本身产生的噪点、宇宙射线造成的“坏点”、以及仪器光学系统中存在的细微缺陷。这个过程就像是专业的摄影师在修图，但其精度和复杂程度要高得多。他们会仔细调整对比度、锐度，甚至会根据科学研究的需要，突出某些特定的细节。
三、革命性的飞跃
理解哈勃的图像，还要认识到它诞生的时代背景。在哈勃之前，我们对宇宙的观测能力是有限的。它最大的贡献之一就是将宇宙的细节展现到了前所未有的程度，让我们看到了遥远星系碰撞的壮观景象，星云中恒星诞生的摇篮，以及我们太阳系外行星的大气成分。
所以，那些看起来尺寸巨大的、美丽非凡的宇宙照片，并非仅仅是靠一块拥有海量像素的CCD一次性拍摄而成。它们是无数次精确指向、长时间曝光、高精度图像拼接、以及先进数据处理技术共同作用的结果。哈勃的“可怜的”CCD，在一个极其精密的系统和科学家们不懈的努力下，最终为我们描绘出了宇宙的壮丽画卷，而这画卷的尺寸，早已超越了我们肉眼所见的任何一张照片。这本身就是一项工程上的奇迹，也是科学探索精神的极致体现。
网友意见
你的手机也有的功能：拼接+叠加
恰逢东方红一号50周年和哈勃30周年，致敬给全人类拓宽视野的人们。
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进入正题：
哈勃太空望远镜Hubble Space Telescope（HST）的CCD确实很小。
拍摄出天文界网红观测照片“创世之柱 Pillars of Creation”所用的广角相机3 Wide Field Camera 3 （WFC3）由两个可见紫外（Ultraviolate Visible ：UVIS）的CCD组成。每个UVIS传感器的尺寸是2048x4096 [1] 也就是八百万像素双摄，跟当今各个旗舰机动辄一亿像素浴霸四摄比根本就是老年机水平。
但还是拍出了这么让人窒息的照片[2]。
低配摄像头能整出来如此高端的照片的主要原因有以下几个：
拼接
这个是摄影里的基本操作，视野范围（Field of View ：FOV）不大没关系，只要拍摄的对象是静态的，多拍几张拼一起就行，和手机的全景模式一样。
NASA官方发布的Pillars of Creation是4800万像素[3]
也就是WFC3进行多个角方向的拍摄然后拼接在一起的。
CCD分辨率很大程度上取决于其设计视野范围和口径所对应的最小分辨角，所以天文望远镜的CCD并不一定有大规模的像素，但是拼出来的成片可以很大。
叠加
结果这么惊艳，很大程度上也得益于叠加，多图叠加主要是为了增加信噪比和动态范围同时去掉射线噪点，跟现在的手机的夜景模式是类似的，就是增加曝光时间，或者连续拍多张照片，找特征点对应一下叠在一起，并且把边缘裁掉。
任何电子设备都有底噪，在成像设备里底噪的表现就是在进光量小的时候成片里有磨砂感：
这是手机拍的一张夜景，通过手动拉高亮度，虽然能看清轮廓了，但是实物看起来还是非常的有颗粒感，其实这就是进光量少的时候随机底噪浮现了出来。
底噪是随机的，但是天体信号不是随机的， 通过叠加可以增强信号，随机信号的叠加速度没有天体信号快。
举个例子：
这是一个sinc信号，被一个幅度很大的高斯白噪声底噪淹没。
如果假设sinc信号不随时间变化，采样20次求平均是这样的：
采样200次求平均是这样的：
就能看出来信号原来的样子了，采样更多次求平均可以得到更好的信号。
所以，叠加求平均可以提高信噪比。
【这就是为什么女生拍照同一个姿势拍那么多张，因为需要叠加降噪】
叠加求平均的另外一个原因是可以提高动态范围，如果单像素传感器输出的是uint8，那么其强度只能是0到255之间的整数，动态范围就是传感器接收信号的上限比能识别的最弱的信号，也就是255/1。如果拿两张图求平均，最小能达到的值是0.5，量程依然是255，所以动态范围就变成了 255/0.5也就是510，提高一倍，当然实际情况没有这么线性，有一些其他参数需要考虑。相机上的HDR模式就是高动态范围（High Dynamic Range）模式，可以让闪光灯里亮瞎的前景和昏暗的夜景都被拍下来。
除了叠加降噪，HST成像算法中还有一个操作是对比消亮点。在相机成像中因为有高能宇宙射线轰击，成像结果中会出现这种大的亮点，分布比较稀疏，这些宇宙射线打出来的亮点也是随机的。可以通过对比多个次成像，如果亮点一直存在于某个位置亮度不变，那么它是发光天体，如果只在个别次采集中存在，那么它就是射线轰击产生的。
经过这样操作的图再拿去叠加去噪，以及经过一些图像主动降噪的方法，最终得到了丝滑清晰的高动态范围的成像。
其实去看HST成像半成品：单通道的拼接之后但还没进行多通道叠加以及裁切的数据就会发现，它的边缘有明显的堆叠痕迹，没有堆叠的部分就会有一些底噪和白点。[4]
叠加和拼接说起来比较容易，但是实现起来还是很困难的。
因为，哈勃在飞，以大概7.5km/s的速度飞行，而叠加和拼接对于指向的要求非常高，要长时间保持高于百分之一arcsec级别的指向，这个在地球上都不是一件容易的事情。
哈勃是使用Fine Guidance Sensor (FGS) 精细导星感测器来实现实时的姿态调整[5]，原理就是在视野边缘找几个亮点，锁定亮点在视野内的相对位置通过陀螺仪微调飞行姿态来得到一个相对稳定的主镜视野。
所以，这是一个飞速奔跑但是还要拿稳照相机连续拍照的哈勃。
多通道组合
通过去噪和拼接得到的图片是只有强度值的，因为UVIS传感器只对强度敏感，不对波长敏感，这就需要UVIS滤镜（跟美颜滤镜不是一个东西）
滤镜可以选择通过某个波长附近的光，对应不同颜色。
通过切换滤镜得到不同波段的光。[6]
然后再组合起来，就是惊艳的宇宙照片了。
结：
搞天文的有一大批人在搞数字信号和图像处理
Process Signal 简称PS
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其他创作的分类整理：
参考
- ^WFC3 detail http://www.stsci.edu/hst/wfc3
- ^Pillars of Creation https://www.nasa.gov/image-feature/the-pillars-of-creation
- ^Image file 2014 PoC https://www.spacetelescope.org/images/heic1501a/
- ^Pillars of Creation (raw) https://www.pbs.org/wgbh/nova/origins/hubb-04.html
- ^Hubble field of view and FGS https://frontierfields.org/2014/01/10/cluster-and-parallel-fields-two-for-the-price-of-one-2/
- ^HST multi-channel https://theconversation.com/the-pillars-of-creation-a-glimpse-into-how-stars-are-born-41039
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