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演算太阳之美 | 中国国家地理网

文章来源:文章来源 抓取时间:2019-02-12 00:54:39 浏览量:8 作者:砂璜 返回文章列表

演算太阳之美
科学摄影师的追日行动


文章出自:中国国家地理 2014年第08期 作者: 谭秀颖 张爽 

标签: 水文地理   

这篇报道中的大部分照片都是出身理工专业的摄影师拍摄的。他们将摄影艺术与对大自然的运算结合在一起,追踪着太阳与地表的投射关系。每张图片的背后,都有一段超乎你想象的故事。
理工男的双手托起太阳
在室外拍摄照片,太阳光的重要性不言而喻。有时人们也会用太阳做点文章,让它成为一个巧妙的构图元素。一些精于计算的科学摄影师,以太阳作为图片的主体拍摄了这些图片。把太阳拍得比人还大,少不了长焦距镜头的协助,但是如何确定人与太阳的位置,只有亲身尝试过的人才能真切感受到其间的难度。图中的模特也是一名科学摄影师,一组图片拍完,他也累得气喘吁吁了。摄影/赵梦伊

初夏的“清华园”校门内,草木葱茏,浓荫遍地。大草坪前伫立着一座充满古典韵味的日晷,明媚的阳光照射在日晷上,晷针在晷盘上留下细长的阴影。

一年多前,在这里我见到了如约而至的朋友—陈海滢,一位刚过而立之年的摄影师。陈海滢毕业于清华大学电子工程系,以太阳、月亮以及星空为主题的拍摄,是他感兴趣的领域。

我曾经看过他和他几位朋友关于太阳的摄影作品,印象深刻。今天约见在此,一来清华园的日晷是显著的标志性建筑,二来据说最初正是这个日晷,激发了陈海滢拍摄太阳的兴趣。

科学摄影师揭秘巴西世界杯决赛后的唯美画面
刚刚结束的世界杯决赛中,电视转播画面中出现里约热内卢的耶稣像,他伸开双臂,背后是一轮明亮的夕阳(左 摄影/宋文)。当德国队开始庆祝夺冠的时候,电视机前的章佳杰已经推算出摄像师是在哪里拍摄到的这个画面。
查阅资料可知,里约热内卢的耶稣像身高30米,底座8米,臂展28米,从图片看,耶稣是微侧身对镜头,因此臂展的长度需要进行折算,与耶稣像的身高做比较,可以估计为22米左右。在地球上看,太阳在人视野中的张角约为0.5度,耶稣像双臂伸展与太阳圆面直径几乎一样长,根据这一点我们就可以计算出摄像机的位置距离耶稣像有2.5公里。
单是知道距离还不够,他还计算着具体的拍摄地点。出现这个镜头的时刻是北京时间7月14日凌晨4:10,里约当地时间是7月13日下午5:10,利用天文软件计算,这个时候太阳的方位角是294.69度,高度角是2.32度。有了方位角,在地图上按照方位角画出一条直线,量出2.5公里的距离,就得到答案了。需要说明的是,根据计算,当时摄像机的拍摄高度是海拔609米,拍摄地周围远远达不到这样的高度,所以这幅场景毫无疑问是在直升机或飞艇等飞行器上拍摄的。

陈海滢说:“‘日晷’二字的本意,是指太阳的影子。而我们身边这个‘日晷仪’,则是中国古代利用日影测得时刻的一种计时仪器。”刚进入清华大学校门时,他期望能以太阳、日晷以及清华园的背景为题材,拍摄精彩的画面。可是,当陈海滢研究了前人的作品并且尝试了实地拍摄后,发现由于校园内环境毕竟有限,很多设计好的画面难以实现。

他暗自思量是否将视野扩展到清华大学以外——陈海滢擅长数理计算,他心中开始筹算,如何把现代科技融入到摄影艺术中,创作更为新颖的题材。

太阳的标准照
这些理工专业出身的摄影师,不只是解读别人的作品,他们同样有着自己的拍摄主题。首先,如何把太阳本身拍摄清楚,就是个不小的挑战。太阳是个直径约139万公里的由氢气、氦气等物质构成的炽热球体,表面温度超过6000摄氏度,内核温度更是高达1500万度,压力相当于3000亿个大气压,随时都在进行着四个氢核聚变成一个氦核的热核反应。这张照片让我们清楚地看到了太阳的表面,以及向外喷发的炽热气流——日珥。摄影/宏宇

长安街上的世界级美景

春分的清晨阳光洒满宽阔的街道

万物逐阳光而生,人类也从远古开始便敬仰、崇拜太阳,将太阳记录于口口相传的神话里,刻画在岩壁画纸上,融入城市规划与日常器皿中。如今,人们依然没有放弃对太阳的追逐,即使在钢筋水泥森林的夹缝中,他们也等待着阳光制造的奇迹。

美国有个著名的景象“曼哈顿悬日”。曼哈顿,这个位于哈得孙河和东河之间的狭长小岛,是纽约中央商务区所在地,也是世界上摩天大楼最集中的地区。由于其大多数街道呈西北—东南棋盘式布局,因此在一年中某些特定的日子里,太阳将正对街道升落,阳光也将逐街串巷,铺洒进所有东西向的道路。这就是所谓的“悬日现象”。

悬日奇观并非曼哈顿独有,理论上它在任何一个街道以网格状规划、地平线视野不受阻碍的城市中都可以出现。对北京而言,由于其整体格局呈横平竖直的棋盘形状,大量街道呈正东正西走向,当春分与秋分来临,太阳直射赤道的日子,就会有很多街道呈现出清晨太阳正对街道升起,或傍晚在街道尽头落下的“悬日”奇观。

纽约中央商务区的美景—曼哈顿悬日
在美国纽约的曼哈顿,有一个著名的景观:曼哈顿悬日。这里是纽约中央商务区所在地,有着密集的摩天大楼。曼哈顿的大多数街道呈棋盘式布局,因此在一年中某些特定的日子里,太阳会在街道的正中,也就是摩天大楼的缝隙中冉冉升起。
摄影/Bryce Pincham

长安街是北京城的东西轴线,其形成可以追溯到公元1267年。当时,忽必烈决定放弃金中都旧城,另建新城,9年后元大都城墙建成,奠定了北京旧城的基础,其中元大都的南城墙,就是今天长安街的位置。永乐年间,明王朝迁都北京。由于皇城扩大,内城的南城墙向南推移了1公里,原来的城墙就变成了街道,这就是最早的长安街。如今,长安街已经成为西起石景山,东到通州,横贯整座北京城的标志性长街,视野开阔。因此,陈海滢选择了长安街作为捕捉悬日的背景。

长安街的悬日—太阳在古老庄严的街道东方升起
虽然中国有很多观测悬日的地点,但是没有哪里比长安街的悬日更加吸引人了。这是一条正东—正西走向的街道,每年春分与秋分这两天,昼夜长短相等,而太阳恰好也是从正东升起,正西落下。然而在长安街拍摄悬日并不容易,京城之西的西山会遮挡住太阳在地平线落下的位置,拍摄悬日只有选择日出时分。十里长街,最佳的构图究竟在哪里?通过精细的计算,摄影师陈海滢终于在2012年秋分的凌晨找到了答案。摄影/陈海滢

然而,在全长38公里的长安街上,如何选取合适的拍摄位置是个难题:由于北京西侧群山环绕,日落的低角度被遮挡,只能向东捕捉初升的朝阳。陈海滢最初考虑的拍摄点在长安街西延长线上的高点—门头沟区潭柘寺镇的定都峰,但实地勘察后发现,那一带海拔过高,并且中间有视线阻隔,并不是理想的拍摄点。于是他将目光转移到长安街上横跨而过的天桥。

通过遥感影像计数,他发现长安街及其延长线上一共有超过20座天桥,其中大半在中轴线以西,可以作为拍摄的备选位置。为了突出朝阳,他计划使用600毫米以上的超长焦距镜头,这就要求拍摄点与前景的距离必须超过400米。在地图软件中通过测量每一个天桥与前景的拍摄距离,他最终选定了三个备选机位。

2012年秋分当晚,夜空澄净。用气象软件核对和预估实时天气之后,他在凌晨4点便赶往备选机位,从西五环开始,逐一实地比较,终于赶在日出前确定了最佳拍摄位置。此时夜色尚浓,天气微凉。经过完备的构思和科学计算,陈海滢静静等待着拍摄悬日最佳的那一刻,脑海中浮现出构思已久的画面:蕴藏着由明朝至今已有600多年历史的长安街,路面铺满金色的阳光,东望尽头是一轮初升的红日,这壮丽的一幕足以与曼哈顿悬日媲美!

当金色的晨曦洒满长安街时,陈海滢按下了快门。只见橙黄的“幕布”上,一轮圆日低悬在街道远方,薄云为幔,高楼剪影层错,路灯也化为音符随路面起伏歌唱。

“我用大概700毫米焦距的镜头拍摄这张照片,和前景大概距离600米,拍摄一次成功,过程完全遵循了事先的规划。”陈海滢所热衷的,以缜密构思和科学计算为基础的科学摄影初步显露它神奇的效果。

除了北京,在其他棋盘状布局或者有大量东西向街道的城市里,如南京、西安、咸阳等,也有可能拍到悬日奇观。清华大学建筑系毕业的陈珊珊还给我们展示了一张悬日地图。

让“盘古大观”的龙头衔住太阳

2014年7月14日,正是世界杯决赛。当德国队与阿根廷队激战之时,电视画面上出现了里约热内卢夕阳照耀在耶稣像上的精彩画面,马拉卡纳球场以及全世界球迷的紧张与期待,似乎都浸浴在神温暖的庇护中。

盘古衔日—奥林匹克公园的“龙头”与太阳嬉戏
北京奥林匹克公园西南方向的盘古大观,可谓这一地区的标志性建筑之一。最初,在北京海淀区的一座楼顶,摄影师拍摄到一张朝阳升起的图片。图片中的盘古大观让作者产生灵感—如何才能让太阳和有着龙头状曲线造型的楼顶组合成一张有意思的画面呢?这看起来简单,可是真正实施起来你才会发现它有多么复杂。首先要计算太阳与构图的方位角,其次要考虑拍摄地与盘古大观以及太阳之间的高度角,最终通过软件计算出太阳能够符合这样的位置时,准确的日期与时间。另外还需要一点点难以计算的运气—当拍摄时刻到来时,东方的天空没有云彩遮挡,但却有一层不浓不淡的雾霾,雾霾让钻出地平线已有一定高度的太阳还显得红彤彤的,并不耀眼,因而得以呈现出“盘古衔日”的最理想的画面。摄影/黄滕宇

世界杯决赛几个小时之后,陈海滢和我聊到这个画面,他借此事跟我说,不只街道,很多有特殊意义或者独特造型的建筑,也是拍摄太阳的好前景。陈海滢给我推荐了一张名为“盘古衔日”的照片,这张照片的作者是黄滕宇,同样来自清华大学。

某年的9月26日,黄滕宇和好友登上清华大学附近一座高楼的观景平台拍摄,向东望去,北京奥林匹克公园南侧的盘古大观在一片高楼中鹤立鸡群。龙头一般的楼顶,在日出时逆光的剪影中伴着初升的太阳,如“巨龙戏珠”,很有意思。黄滕宇产生了一个大胆的构想:有没可能拍摄到盘古大观恰好与太阳相接的画面呢?如何把握拍摄时间成了关键。

黄滕宇在白纸和电脑上,给我们讲解和绘制了他的规划过程:“9月26日太阳位于盘古的北边。由于秋分已过,此后日出方位会逐渐南移,直到与盘古大观相接。另外,还要考虑到太阳不是竖直向上升起的,所以计算拍摄点相对于盘古大观楼顶的高度角以及方位角至关重要。”

黄滕宇打开电脑中的地图:“方位角可以在地图软件上测得,盘古大观相对于拍摄点的方位角在95度左右;但高度角的测算就没那么容易了,因为两座大楼的准确高度差难以确定。”

为了解决这个难题,黄滕宇和朋友决定通过间接方法—以太阳作为参照物来确定高度角。他们在9月26日的一系列照片中,选出一张太阳恰好与盘古大观位于同一高度角的图,校准相机时间后,得到拍摄的准确时间为6:13。再通过Stellarium天文星图模拟软件标记拍摄点的坐标和海拔,通过换算得到了当时太阳的高度角—+1.0度。

然后,他们开始在星图模拟软件中寻找具有同样高度角和方位角的一个时刻。经过比对,选定10月3日的清晨进行拍摄,准确时间是6:19。

这复杂缜密的计算过程几乎让我晕倒:神一样的大自然,都阻挡不了理工男的脚步!

10月3日清晨,黄滕宇遇见了完美的天气—万里无云,且有轻霾笼罩—轻霾可以让太阳升至高度角1度左右的时候,颜色还能是红彤彤的。一番苦心没有白费,黄滕宇终于摄下了盘古衔日的美丽画面。

定都阁落日

长安街延长线上的风景

位于长安街西延长线上的定都峰,是传说中“燕王喜登定都峰,刘伯温一夜建北京”的所在地。自从放弃了定都峰作为“长安街悬日”的拍摄位置后,陈海滢开始琢磨如何把定都峰上的定都阁,作为追日题材的拍摄对象。创作以“定都阁落日”为题材的作品,同样需要先进行一系列的分析计算。

首先,需要根据定都阁和太阳的大小比例确定拍摄距离。根据太阳直径与日地距离,可以算出太阳在人视野中的角度大约为0.5度—这是拍摄太阳的一个重要参数。如果要在照片中将定都阁表现得与太阳一样大,定都阁的视野张角也要等于0.5度。目前已知定都阁高34米,经过推算,拍摄距离需要3.9公里,如果要定都阁稍小于落日,拍摄距离则需要适当增大。

为了捕捉定都阁与太阳重合的影像,还必须考虑拍摄仰角和拍摄方位:由于定都峰西边有海拔最高达1400米的山脉,如果拍摄仰角太小,定都阁将淹没在背后的山梁中;定都阁在长安街的正西方,每年春秋分,太阳正西落下,在长安街便可拍摄定都阁凌日;其他时候则需要根据太阳落下的角度来计算具体的拍摄位置。

经过复杂计算的判定,夏至的日落时分,陈海滢在108国道王村桥附近距离定都阁大概6公里的地方按下快门,用800毫米的长焦镜头第一次拍摄到了圆日依山、层檐古建与夕阳呢喃细语的静谧壮美画面。

挑战稍纵即逝的瞬间

当飞机掠过太阳表面

除了静态的建筑外,动态物凌日的捕捉也是具有挑战性的创作。为了拍摄飞机掠过太阳的主题,清华大学自动化系2007级的章佳杰已经做了许多规划和计算。在他的宿舍书桌上摆放着笔记本电脑,电脑前是一沓画满草图和公式的纸。

天神凌日—
太阳光芒难以掩盖的瞬间
2013年6月13日,神舟十号飞船与天宫一号成功对接。此后的几天,在一些狭窄的区域内,将有机会观测到“天神”组合体穿过日面的场景。“天神”组合体长约20米,其穿过日面的过程不足半秒钟,因为耀眼的阳光,肉眼根本无法观察到这一现象。而几位理工科出身的摄影师通过精确到秒的计算,在连按快门的盲拍中捕捉到了数张“天神”凌日的影像,将在近地轨道高速飞行的人造天体与距离地球1.5亿公里的太阳拍摄到一起。通过局部放大,我们依稀可以看出天宫一号与神舟飞船对接的形状,其他黑点为太阳黑子。摄影/陈海滢

“凌日,就是将其他物体的影像重合在太阳上。拍摄飞机凌日,是因为我想挑战那稍纵即逝的瞬间画面。我仔细研究规划了一番,觉得能够通过计算预估到合适的拍摄位置和拍摄时机。”章佳杰说,“要确定的主要因素是距离、方位角、仰角这几个参数。”

常见型号的飞机长约70米,如果要将飞机的大小表现为太阳圆面直径的一半,距离大致为16公里。首都机场从南向北的航线,大致在通州区八里桥到营头桥连线,因此拍摄日出时候的飞机凌日,距离航线16公里的边界将擦过东二环;拍摄日落时候的凌日,边界将达到河北省燕郊地区。

另外,还需要通过软件计算太阳到达与镜头、飞机三点一线位置的时刻。不同季节太阳的升落方位也是不一样的,需要根据具体日期进行计算。

在距离航线16公里的位置时,可以看到飞机掠日的时间在2秒左右,这个时间足够从容地进行拍摄了。

太阳是我的镜框

她一直试图把人和太阳叠加在一起

与很多文科女生一样,来自清华大学法学院2007级的赵梦伊一直关注通过科学摄影呈现人物形象—她一直试图把人的影子与太阳叠加在一起,创作“人像凌日”的画面。

根据赵梦伊的介绍,对于人像凌日拍摄而言,除了确定日出日落方位等等,还需要对拍摄者与作为前景的拍摄对象之间的距离进行计算。如果想要使人的身高和太阳的直径在图片中相等,那么拍摄者与被拍摄者间的距离大约要200米。

飞机凌日—
短暂的拍摄与漫长的准备
拍摄动态物体与太阳的关系,是另外一种挑战。拍摄掠过太阳表面的飞机,该如何计算飞机与太阳的比例关系,以及拍摄时间和方位呢?答案就在下文的绘图和公式中。
摄影/章佳杰

要达到这种距离要求,选择拍摄地点就变得更为关键。赵梦伊把它总结为“两点一线”:拍摄者和被拍摄者分别位于两个间距200米以上且中间无遮挡的位置,而太阳则位于两者位置连线的延长线上。

“两点”最好是高度相差不大的两个高点,例如,长城的两个烽火台,或是距离合适的两个小山头,甚至日出日落方向上没有遮挡的开阔平地也可以,这最好通过等高线地图或者其他图标提前查找好。计算并挑选好拍摄位置之后,就是展现创造性的时刻了——可以拍摄富有动感的剪影、恋人的浪漫动作,或者一群人的组合故事等等。

“对时间的捕捉,对空间的规划,太阳的永恒性加上人的变化性……”赵梦伊告诉我,她觉得这些因素,是人像凌日最值得挑战的地方。

神舟飞船与天宫的组合体

掠过太阳的那一瞬

这几位学霸级别的摄影师,逐一和我分享了他们作品背后的故事。虽然他们只用了很短的时间完成拍摄,但前期的准备工作却是复杂甚至漫长的。非常幸运,我有过一次和他们一起去拍摄的经历,虽然这也是唯一的一次,但它终将让我毕生难忘。

2013年6月13日,“神舟十号”与“天宫一号”成功对接。从来自北京天文馆的测算预报得知,6月19日13点37分,在北京房山区的一个狭窄区域内,将有机会观测到“天神”组合体穿过日面。机会难得,我跟随着摄影师们,早早就来到了预先选好的拍摄地点。

“天神”组合体长约20米,它在距地面约370公里的轨道上以每秒超过7公里的速度高速运行,穿过日面的过程不足半秒钟。由于日光强烈,这一现象用肉眼是完全无法看到的。

幸而现代科技提供了精确到秒的计算,我们事先将手表调整到标准时间,将相机设置在高速连拍模式,并选定一个人专门负责宣读倒计时。倒计时归零的一刻,七八台相机同时开始高速连拍,密集的快门声响成一片。

事后检查,我幸运地捕捉到了“天神”凌日影像,从图中能看出组合体伸展开的太阳能电池翼的形状,这时它内部正有3名中国航天员执行任务。

将在近地轨道高速飞行的小小人造天体与1.5亿公里外的太阳拍摄到一起,确实非常神奇。我也更为深切地感受到,在科学摄影师们以太阳为主题的摄影过程中,从构思到完成拍摄的过程,简直可以称为一个小型的工程。这一过程如果缺乏数理计算以及软件的指引,只凭运气是没有成功机会的。当然,纵然这些理工男更为神通广大,如果回到计算机普及前的时代,恐怕他们写满几本演算纸也未必能够如愿算出答案。

以往,受到技术手段的限制,许多充满灵感的构思可能在灵光乍现之后就黯然熄灭了。如今,随着各种应用器材的发展,摄影艺术进入一个更加自由和宽阔的空间。当然,你首先需要一个出色的艺术构思—仅凭机械式的计算,很难使美获得充分的展现;同时你还需要缜密的科学素养—它正是让艺术获得升华的催化剂。

责任编辑 / 高新宇  图片编辑 / 宋文

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