0,1
рейтинг
17 июня 2013 в 04:21

10 лет первой камере для съемки Марса в высоком разрешении

Скорее всего, это событие прошло практически незамеченным. Разве что профессионалы да особо интересующиеся любители вспомнили, что 2 июня 2003 года космический аппарат Европейского космического агентства «Марс-экспресс» («Mars Eхpress») отправился к Красной планете, впервые неся на своем борту стереоскопическую камеру высокого разрешения (High Resolution Stereo Camera, HRSC). Вообще, конечно, удивительно, что первыми в это деле были европейцы: из 20 успешных миссий по исследованию Марса, 13 были организованы США, 7 — СССР (последняя, «Фобос-2», завершилась в 1988 году) и всего одна (как раз «Mars Eхpress») — Европейским космическим агентством.

Остроту сюжету добавляет и тот факт, что первоначально камера разрабатывалась для российской миссии «Марс-96»: было изготовлено и откалибровано два полноценных модуля. Но после того, как российская АМС из-за отказа разгонного блока не вышла на отлётную траекторию, и разрушилась при входе в атмосферу Земли, Institute of Space Sensor Technology and Planetary Exploration модифицировал дублирующий модуль с целью его использования в планируемой европейской миссии. Жаль, конечно, что лавры участников развенчания «марсианского сфинкса» и составления потрясающих 3D карт Марса достались не российскому аппарату, но сама стереоскопическая камера, благодаря которой все это стало возможно, заслуживает отдельного рассказа.





HRSC — это девятиканальная камера на основе ПЗС матрицы, позволяющая получать снимки с детализацией до 2 метров, а также строить цифровые модели рельефа. Основные детали камеры: цифровой блок (обеспечение подачи электричества к цифровым элементам камеры и сенсорам, управляющий процессор и блок компрессии данных) и собственно элементы камеры (каркас, на который крепится оптика и сенсоры, кроме того служит еще и радиатором; головка камеры, включающая в себя линзы объектива и оптическую скамейку; канал супер-разрешения, смонтированный внутри каркаса).

Технические характеристики
HRSC SRC
Механические и электрические параметры
Цифровой блок 232 мм x 282 мм x 212 мм
Блок камеры 510 мм x 289 мм x 270 мм
Масса 20,4 кг
Потребляемая мощность во время съемки 45,7 Вт 3,0 Вт
Уровень радиационной защиты 10 крад
Оптико-электронные параметры
Тип ПЗС THX 7808B Kodak KAI 1001
Физический размер пикселя 7 х 7 мкм 9 х 9 мкм
Пространственное разрешение при высоте 250 км 10 х 10 м 2,3 х 2,3 м
Угол обзора на 1 пиксель 8,25" 2"
Количество активных пикселей в ПЗС 9 ПЗС по 5184 px 1024 x 1032 px
Размер захватываемой поверхности 52,2 км в ширину (длина определяется временем сканирования) 2,35 х 2,35 км
Емкость максимального заполнения потенциальной ямы 420000 е- 48000 е-
Спектральные фильтры 5 панхроматических, 4 цветных -
Спектральный диапазон Стерео-каналы, фотометрия и надир — 675±90 нм, голубой — 440±45 нм, зеленый — 530±45 нм, красный — 750±20 нм, ближний инфракрасный — 970±45 нм -
MTF центрального пикселя 0,4 при 50 lp/mm 0,28 при 50 lp/mm
MTF в 20° от надира 0,33 при 50 lp/mm -
Соотношение сигнал/шум >>100 (панхроматические сенсоры)
>80 (цветные сенсоры, голубой >40)
>70
Цифровые особенности
Компрессия в реальном времени присутствует, JPEG
Степень компрессии 2-20 (возможно без компрессии)
Максимальная скорость передачи выходных данных 25 Мбит/с после компрессии (снижается при увеличении высоты орбиты)
Съемка
Время экспозиции пикселя от 2,24 мс до 54,5 мс от 0,5 мс до 50 с
Сложение пикселей 1x1, 2x2, 4x4, 8x8 -
Размер поверхности на итоговом изображении (при высоте съемки 250 км) 53 x 330 км 2.4 x 2.4 км
Средний объем передаваемых данных в сутки около 2 Гбит
Внутренний буфер для хранения данных нет 4 изображения при 14-битном разрешении
Среднее время полного цикла съемки одного изображения от 3 до 40 минут



Оптика HRSC, расположенная в головке камеры, представляет собой апо-тессаровский объектив с фокусным расстоянием 175 мм (f/5,6), смонтированный на титановом основании. Коэффициент прозрачности варьируется от 0,37 для синего канала (440 нм) до 0,68 в панхроматическом диапазоне. Частотно-контрастная характеристика (MTF) оптики для центрального пикселя (надир) имеет значение 0,4 при 50 lp/mm, при отклонении на 20° от надира MTF составляет 0,33.

ПЗС-матрица состоит из 9 элементов Thomson THX 7808B, расположенных параллельно для работы в режиме push-broom съемки (о принципе действия которой я подробно рассказывал в статье про HiRISE). Электроника в головке камеры состоит из трех модулей, расположенных в фокальной плоскости. Каждый модуль содержит по три ПЗС и предусилителя. Каждый из 9 ПЗС содержит 5184 пикселя физическим размером 7 мкм (для сравнения: в HiRISE пиксель 12 мкм), что обеспечивает поверхностное разрешение в 10 м на пиксель при высоте полета 250 км.

HRSC позволяет делать стерео снимки c участием от 3 до 5 линий сенсоров, в том числе спереди — в надире — сзади (±18,9°), плюс два внутренних ряда сенсоров (±12.8°):


Углы захвата сенсоров: ND — надир; S1, S2 — стерео 1 и стерео 2 (±18.9°); P1 and P2 — фотометрия 1 и фотометрия 2 (±12.8°); IR — ближний инфракрасный канал (+15.9°); GR — зеленый канал (+3.3°); BL — голубой канал (+3.3°); RE — красный канал (-15.9°). Угол захвата поперек линии полета для всех 9 линий сенсоров составляет ±6°. SRC — зона охвата камерой супер разрешения.

Стерео-каналы, фотометрия и надир работают в спектральном диапазоне 675±90 нм, голубой — 440±45 нм, зеленый — 530±45 нм, красный — 750±20 нм, ближний инфракрасный — 970±45 нм, SRC работает в панхроматическом диапазоне. График спектральной чувствительности для всех каналов:



Стерео съемка вдоль направления движения космического аппарата позволяет полностью избежать влияния атмосферных и световых факторов, а участие в формировании итогового изображения не менее 3 линий сенсоров дает четкую реконструкцию для создания цифровой модели рельефа с точностью до 1 пикселя. При использовании 5 панхроматических изображений итоговый кадр также содержит фотометрические характеристики рельефа.

Канал супер-разрешения, Super Resolution Channel (SRC) — это отдельная оптика и массив ПЗС с соответствующей электроникой. Оптическая система SRC представлет собой телескоп системы Максутова-Кассегрена с фокусным расстоянием 972 мм (f/11), оси которого расположены параллельно оптическим осям HRSC. Используемая оптическая схема сочетает телескоп Максутова с диоптрическим телеобъективом, который уменьшает общую длину конструкции и корректирует хроматические абберации в системе Максутова. Качество изображений находится на уровне дифракционного предела с контрастностью около 25% при Найквисте 55,5 lp/mm.

Сенсоры SRC — ПЗС Kodak KAI 1001 со сплошной разверткой размером 1024 х 1032 px и размером пикселя 9 мкм, что дает 2,3 м поверхности на пиксель при высоте 250 км. SRC механически и электронно связана с HRSC и передает данные на «Марс-экспресс» не напрямую, а отдельным (десятым) каналом по интерфейсам HRSC. SRC обладает специальной антиблюминговой защитой и электронным контролем экспозиции, позволяющим уменьшить смазывание изображения. Работа камеры супер разрешения предусматривает три режима: точечный, растровый и непрерывный. В точечном режиме изображения делаются не последовательно, в растровом — в определенном порядке, а в непрерывном формируется лента изображений.

Конечно, при наличии HiRISE с пространственным разрешением в 0,3 м основной упор в научной ценности HRSC делается на построении цифровых моделей рельефа (digital terrain models, DTM). Исходные данные для построения DTM основываются на привязанных к местности изображениях с 5 панхроматических каналов: надира, стерео и фотометрических (спереди и сзади надира). Сопоставляя точки пересечения профилей и внутреннюю геометрию камеры, а также параметры орбиты «Марс-экспресса», получается сетка из координат трехмерных объектов, которая в дальнейшем интерполируется в растровую DTM. Пример: каньон Гебы в ложных цветах (изображение ESA/ DLR):



Анаглифные изображения также легко извлекаются из данных, полученных сенсорами HRSC. Если для получения модели рельефа требуется сопоставление нескольких уровней данных, особенно для исключения влияния топографии, то анаглиф — это просто корректировка исходных данных на плоскую поверхность (эллипсоид Марса). Если стерео данные берутся с одной орбиты, то такая корректировка уменьшает поперечный параллакс и дает превосходную стереопару эпиполярных изображений, состоящих из красного и зеленого диапазонов модели RGB. Пример — каньон Гебы (изображение ESA/ DLR):



Подводя краткий итог этому рассказу, отмечу несколько не совсем очевидных вещей. Казалось бы, зачем фотографировать Марс с разрешением 10 м/пиксель, если есть камеры, способные снимать с расрешением до 0,3 м/пиксель? Несмотря на совершенно невообразимое разрешение, HiRISE удалось снять всего 1% поверхности. В то время как HRSC практически закончил создание полной трехмерной карты Марса (90% на февраль 2013 года). Вторая особенность — возможность стереосъемки в реальном времени. Это единственная камера, которая делает снимки Марса не путем съемки с разных точек орбиты (когда неизбежно влияние атмосферных, световых и иных факторов), а путем одновременного сканирования разными линиями сенсоров.

Ну и напоследок оставлю два изображения «марсианского сфинкса», сделанные HRSC, чтобы последователи культа #насаскрывает окончательно убедились, что #европатожескрывает ;-)

Слюсарь Константин @Kamalesh
карма
109,0
рейтинг 0,1
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (12)

  • +2
    Не пойму, а как собственно осуществляются стереосёмка. Всегда казалось, что для хоть сколь-нибудь приемлемого качества нужно два объектива хоть чуть да разнесенных ( а на расстояниях в десятки и сотни километров совсем не чуть). Или это не естественные (одномоментные) стерео, а лишь их их эмуляция за счет съемки в разные промежутки времени (не суть — на разных витках или просто с запаздыванием на одном).

    P. S. Блиц-голосование!
    Автору, конечно, респект, но кто понял больше половины слов типа «апо-тессаровский», «антиблюминговой» «или „хроматические абберации“- смело ставьте мне минус за коммент.
    • 0
      Стереосъемка получается за счет того, что одновременно считываются данные с разных сенсоров, обеспечивающих «разнесенность» картинки. Например, между S1 и S2 — почти 19°, что дает вполне себе стерео-картинку. В этом и уникальность камеры, в отличие от других, которые снимают на разных витках.

      Что касается терминологии, то мне показалось, что в хабах «фототехника» и «робототехника» эти слова более или менее знакомы, поэтому разжевывать не стал :) Если есть конкретные вопросы — спрашивайте, разберемся.
      • 0
        Еще раз внимательно перечитав и пересмотрев картинки — у этого ИСМ (есть такой термин? :), я понял так, разнесены оси наблюдения «камер» при практически одинаковом фокусе — грубо говоря, одна снимает вперед по движению, а другая сзади и стереоизображение формируется не по одновременным снимкам с разных точек, а с неким запаздыванием с разных точек орбиты, причем достаточно большим (далеко не миллисекунды).

        Конкретных вопросов по терминам нет, поскольку есть гугл и вики :) Но если не сложно, то лучше в следующий раз давать ссылки хотя бы на некоторые. Например, на те, на которые знакомые обычные айтишники (не робототехники, и не фототехники, а просто будущим интересующиеся :) не могут сходу сказать что это.
        • 0
          Насчет ссылок на термины и отдельные экзотические вещи — обязательно учту на будущее.
  • 0
    Нет, там одна камера и 9 линий ПЗС, снимающих именно одновременно. На Земле проводилась калибровка векторов направлений для каждого из 5184 пикселей (правда измерения проводились на каждом четырехсотом для каждого сенсора). Точность позиционирования пикселей составляет около 1" для центрального пикселя и 2" для крайних. Именно разница (заведомо известная и откалиброванная) в векторах направления линий сенсоров обеспечивает получение стереоизображений.
    UPD: Извиняюсь, это в ответ VolCh
    • 0
      То есть это, утрируя, очень близко расположенные глаза, глядящие в одну трубу? Что-то цифры не вяжутся, по-моему. Человеческие глаза замечают, насколько я знаю, разницу в минуту для создания стереократинки. На расстоянии в десятки и сотни километров они не различат объём. Может, все же, один луч съемки направлен вперед, а другой назад, чтобы «заметить» объём, пускай и не моментально, но имея в виду, что рельеф статичен? По картинке очень нпохоже, что сначала один объект снимает SR1 спереди, а потом по мере пролета по орбите, его же снимает SR2 с противоположного (относительно надира) ракурса.
      • 0
        То есть это, утрируя, очень близко расположенные глаза, глядящие в одну трубу?

        Да, именно так.
        Человеческие глаза замечают, насколько я знаю, разницу в минуту для создания стереократинки.

        Все-таки ПЗС — это куда более точный инструмент, чем человеческий глаз. По крайней мере, с точки зрения разрешающей способности )
        По картинке очень нпохоже, что сначала один объект снимает SR1 спереди, а потом по мере пролета по орбите, его же снимает SR2 с противоположного (относительно надира) ракурса.

        Здесь дело немного в другом: стереоизображение — это реконструкция трехмерного положения объекта по трем точкам (SR1 — надир — SR2). Т.е. в один момент времени снимаются данные, по которым в дальнейшем встроенное ПО воссоздает трехмерную картинку. Для того, чтобы получить полноценное стереоизображение, разумеется, нужно вычислить все три координаты между S1 и S2, иными словами, нужно пройти всеми тремя сенсорами весь путь от S2 до S1. Мы с вами об одном и том же говорим? )
        • +5
          Все-таки ПЗС — это куда более точный инструмент, чем человеческий глаз. По крайней мере, с точки зрения разрешающей способности )

          Извините, но голословное утверждение. Что у глаза, что у ПЗС реальная (внешняя) разрешающая способность зависит во многом от оптики, фокусирующей картинку на площадь «датчика» (будь то сетчатка, или кристаллы), ну и от площади. Вот, кстати, чем не нравятся многие обзоры дальнобойных оптических (или им подобных — ИК, УФ) систем, что не приводится цифр сравнения их разрешения с человеческим глазом, пускай и вооруженным. По-моему, авторам подобных обзоров было бы не сложно добавить что-то вроде «это соответствует невооруженному взгляду с N метров или 100500*M биноклю с данной орбиты» — лучше бы чувствовались достижения прогресса :) Не упрек, а совет, чтобы привлекать далеких от оптики и роботов людей к космосу и микромиру. Вот посмотрел характеристики и погуглил, вроде HSRC соответствует семикратному биноклю, а SRC -тридцатикратному.
          Здесь дело немного в другом: стереоизображение — это реконструкция трехмерного положения объекта по трем точкам (SR1 — надир — SR2). Т.е. в один момент времени снимаются данные, по которым в дальнейшем встроенное ПО воссоздает трехмерную картинку. Для того, чтобы получить полноценное стереоизображение, разумеется, нужно вычислить все три координаты между S1 и S2, иными словами, нужно пройти всеми тремя сенсорами весь путь от S2 до S1. Мы с вами об одном и том же говорим? )

          Я понимаю, что реконструкция. Но не понимаю её принцип, если точки проекции из оптики на матрицы практически совпадают. Я понял бы принцип реконструкции типа «сняли спереди, через 5 минут сняли сверху, ещё через 5 минут сняли сзади» — и реконструировали по трем снимкам. Но вот тупо болтаю башкой с одним закрытым глазом ( ивсем телом двигаюсь так чтобы глаз относительно неподвижен был, только угол зрения менялся) и не могу понять принцип реконструкции. И оптику пытаюсь вспомнить — тоже никак не складывается.
          • +1
            Но вот тупо болтаю башкой с одним закрытым глазом и не могу понять принцип реконструкции.

            image

            Представьте себе, что мы хотим получить стереоизображение для линии ND. Сначала S1 снял ее с одной стороны. Потом спутник пролетел некоторое расстояие по орбите и S2 снял линию ND с другой стороны. Эти две фотографии одной линии отстоят на время полёта спутника. Но Марс за это время не поменялся, поэтому можно собрать из двух фотографий стереопару.
            Такая процедура выполняется для каждого отснятого участка в поточном режиме.
        • 0
          Все-таки ПЗС — это куда более точный инструмент, чем человеческий глаз. По крайней мере, с точки зрения разрешающей способности )

          С точки зрения «разрешающей способности» надо сравнивать с глазом систему ПЗС+объектив, а не саму ПЗС. Саму ПЗС стоит сравнивать с сетчаткой ( сетчатка у человека содержит около 6—7 млн колбочек и 110—125 млн палочек)
  • +2
    Преклоняю голову перед конструкторами, которые проектируют и изготовляют такие воистину шедевры инженерного искусства!
  • +1
    У Сфинкса на Земле нос отломали — туристы они везде такие. На сувениры куски от «лица» откалывали и испортили всю гениальную задумку скульптора.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.