最近，我们 Image Engineering 的几位同事有幸访问了法国位于图卢兹的国家空间研究中心 CNES，了解他们如何在相机开发工作流程中利用 iQ-Chart Box。CNES 开发的相机用于各种外太空任务。目前，他们的一台相机安装在火星“毅力号”探测器上，并计划安装在未来的探测器上，例如“拉希德号”（月球）和“MMX”（火卫一）。iQ-Chart Box 中可光谱调谐的光源为他们提供了一种工具，可以在舒适的测试实验室中模拟月球或火星的 Illumination。因此，他们可以在任务开始前就对相机进行 Color 校准，以适应火星和太阳系其他天体上的光线，而不必依赖探测器上缩小的 Color Charts。具有更高 Color accuracy 的图像将为其他领域的科学家提供更准确的行星表面表现，从而改进未来的研究（特别是地质分析）和任务。
简介
从一开始，Camera 系统就在外太空探索中发挥了不可或缺的作用。无论是第一位登上月球的人的粗糙 Video 画面，还是最近“毅力号”火星探测器发回的高质量图像，Camera 系统都让我们对太阳系的了解更进一步。
然而，在太空或其他行星上捕捉图像比我们在地球上所能做到的要困难得多。元素和 Illumination 场景可能与地球上的完全不同。如果我们没有正确校准和表征这些 Camera 系统，我们将错误地解释我们的卫星、无人机和探测器发回的图像。
位于法国图卢兹的 CNES (Centre national d'études spatiales) 处于研究和开发用于外太空的 Camera 系统的前沿。他们支持包括“毅力号”在内的多个项目，涵盖其 Camera 系统设置、功能和图像处理。图像处理流程中面临的主要挑战之一是让科学家能够比较不同相机在恶劣天气条件下获取的图像。
因此，他们开始寻找解决方案，以在将相机送入太空之前，改进其相机测试实验室中的 Camera 校准和表征。他们还寻求一种方法来模拟火星上的 Illumination，以验证现有数据。这一探索促使他们找到了 Image Engineering 和我们的 iQ-Chart Box，这是一种用于 Camera 校准和表征的可光谱调谐光源。
外太空 Camera Color 校准的挑战
早在1972年，阿波罗17号机组成员在月球表面进行研究时，注意到月球上存在比我们一直以来所认为的月球灰色更鲜艳、更生动的 Colors。特别是，他们在肖蒂陨石坑边缘看到了橙色的土壤1。行星科学家此前从未注意到这种 Color，这表明我们需要改进外太空 Camera 系统的 Color 修正。然而，在像外太空这样极端的环境中，这些修正说起来容易做起来难。
快进到2024年，太空中数百个物体，包括 NASA 在火星上的“毅力号”探测器，都依赖 Camera 系统正常运行。CNES 设计了其中许多系统，因此有责任确保它们 Color 校准正确。
尽管如此，由于空间的易变性，CNES 仍必须应对各种挑战。例如，由于有效载荷的考虑，在探测器上安装一个 Color target（至少包含24个 Color 块）几乎是不可能的。通常，设备上会包含一个3-6个 Colors 的较小 target，但这只能覆盖 Color 光谱的一部分。此外，任务期间地面 Illumination 的变化可能很大。
CNES 在其相机测试实验室中应对这些挑战。为此，他们需要依赖能够重现火星上 Illumination 条件的设备，以便在将相机送入太空之前进行 Camera Color 修正和校准。他们为此目的使用的主要设备之一是 iQ-Chart Box。
使用 iQ-Chart Box 重现火星上的光线
iQ-Chart Box 是一个由 iQ-LED 技术驱动的均匀 lightbox。这项技术可以生成自定义光谱，从而提供几乎无限的 Illumination 可能性，包括在舒适的相机测试实验室中重现火星上的光线。
iQ-Chart Box 有八个 iQ-LED 光源，每个光源有20个独立的光谱通道，覆盖380-820 nm的波长范围（IR 版本扩展到1050 nm）。它通过光谱不同的 LEDs 发射辐射的光学混合来生成自定义光谱，例如火星上的光线。
最近，CNES 将 iQ-Chart Box 整合到他们的相机开发工作流程中。他们需要一个设备来表征和 Color 校正 CNES 开发的成像系统。此外，正如 CNES 的 Emilie Robert 所说，“我们需要图像处理流程，让科学家能够比较不同相机获取的图像，从而显示出以不同方式扭曲的 Colors（由于其光谱响应的变化）。因此，这些图像需要校准到通用的标准 Color 空间（例如 CIE's），以实现与相机无关。”
标准工作流程将使用从探测器着陆位置和月份（主要来自以前任务的数据）估计的 Illumination，并在 iQ-Chart Box 中模拟它。然后，将 Color test chart 或 target 放置在 iQ-Chart Box 中，正在开发的相机将捕捉该 chart 的图像。相机将根据专用的 Color 修正矩阵 (CCM) 进行调整。在火星任务期间，CCM 将应用于任何所需的图像。
使用从火星发回的图像
“毅力号”配备了多台相机，通常每天向地球发回大量图像进行研究，其中包括 CNES 提供的 SuperCam RMI 相机平均四张图像。提供高质量 Color 修正的图像至关重要，这样才能在地球上进行准确的研究，为正在进行和未来的任务做准备。例如，地质学家利用这些结果重现火星上的确切条件，以研究地面材料并确保探测器保持在理想路径上。
其他研究，例如关于大气、天气条件和地形的研究，都依赖准确的图像来增进我们对该星球的了解。更高质量的图像和适当的 Camera Color 校准可以改善这些领域。例如，下面的图像6显示了 Color 修正图像的益处；右下角的景观显示了不同类型土壤之间更显著的差异（前景为红色，中景为白色，背景再次为红色）。如今探测器上的 Camera 系统正在为人类有朝一日登上火星铺平道路。
![ide by side of – on the left – the original image from PDS (Planetary Data System) and –on the right- a color-corrected image (following method from [3])3.](https://wfyjhmqtwebeedywbbbk.supabase.co/storage/v1/object/public/page-images/info-hub/blog/ie-brings-mars-light-to-cnes/CNES_light_comparison.png)
最后思考
我们非常感谢 CNES 提供的机会，让我们得以访问他们在图卢兹的设施，并亲眼见证 Image Engineering 的产品如何为我们太阳系的探索做出贡献。我们期待未来的任务，并继续人类探索宇宙的征程。
iQ-Chart Box 不仅可以模拟火星上的光线，还可以为几乎所有其他 Illumination 需求生成自定义光谱。此外，我们提供各种 iQ-LED 产品，从生产线上的 Camera 校准到广角 Camera 系统的表征，以及介于两者之间的几乎所有应用。
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参考文献
1 国家航空航天博物馆。(无日期)。月球岩石。https://airandspace.si.edu/explore/stories/lunar-rocks
2Virmontois C (2024) CASPEX: CAmera for SPace EXploration. Space Sci Rev. 正在准备中
3 Emilie Robert, Che Shen, Magali Estribeau, Edoardo Cucchetti, Mark Fairchild, "Color Correction of Mars Images: A Study of Illumination Discrimination Along Solight Locus" 载于 Journal of Imaging Science and Technology, 2023, 第 1 - 9 页, https://doi.org/10.2352/J.ImagingSci.Technol.2023.67.5.050410