IE为法国国家空间研究中心（CNES）带来火星之光

最近，Image Engineering 的几位同事有幸访问了位于图卢兹的法国国家空间研究中心（CNES），实地考察了该机构如何在相机开发工作流程中运用 iQ-Chart Box。 CNES 研发的相机被应用于各类外层空间任务中。目前，其一款相机已安装在火星“毅力号”探测车上，并计划安装在未来的探测车上，例如“拉希德号”（月球）和“MMX号”（火卫一）。 iQ-Chart Box中的光谱可调光源为他们提供了一种工具，使其能够在舒适的测试实验室中模拟月球或火星的Illumination环境。 因此，他们甚至在任务开始之前，就能针对火星及太阳系其他天体的光照条件对相机进行色彩校准，而无需依赖火星车本身搭载的缩小版色卡。 Color accuracy更高的图像将使其他领域的科学家能够更准确地了解行星表面情况，从而改进未来的研究（尤其是地质分析）和任务。

简介

自诞生之初，相机系统就在外层空间探索中发挥着不可或缺的作用。无论是人类首次登月时那段颗粒感明显的Video画面，还是近期“毅力号”火星车传回的高质量图像，相机系统都让我们得以进一步加深对太阳系的了解。

然而，在太空中或其他行星上拍摄图像所面临的挑战，与我们在地球上所能应对的截然不同。那里的环境要素和光照条件可能与地球上完全不同。如果我们无法对这些相机系统进行正确的校准和特性分析，就会对卫星、无人机和火星车传回的图像产生误判。

CNES 位于法国图卢兹的法国国家空间研究中心（Centre national d'études spatiales）处于外层空间相机系统研发的最前沿。该机构通过其相机系统配置、功能设计及图像处理技术，为包括“毅力号”（Perseverance）在内的多个项目提供支持。 图像处理流程中当前面临的主要挑战之一，是让科学家能够比较由不同相机在恶劣天气条件下拍摄的图像。

因此，他们开始寻找解决方案，以在将相机送入太空之前，改善其相机测试实验室中的相机校准和特性分析工作。他们还希望找到一种方法来模拟火星上的Illumination条件，以验证现有数据。 这一探索使他们找到了IE及其iQ-Chart Box——一款用于相机校准与特性分析的光谱可调光源。

外层空间相机色彩校准面临的挑战

早在1972年，阿波罗17号的宇航员们在月球表面进行研究时，注意到那里呈现出与我们惯常认为的“月球灰”截然不同、更加鲜艳的色彩。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颜色，因此很明显，我们需要改进针对外太空摄像系统的色彩校正。然而，在像外太空这样极端的环境中，这些校正说起来容易做起来难。

快进到2024年，包括美国宇航局（NASA）在火星上的“毅力号”火星车在内的数百个太空设备，都依赖相机系统才能正常运行。法国国家空间研究中心（CNES）设计了其中许多系统，因此有责任确保这些系统的色彩校准准确无误。

话虽如此，由于太空环境的变幻莫测，法国国家空间研究中心（CNES）仍需应对各种挑战。例如，受有效载荷限制，在火星车上安装一个彩色目标（至少包含24个色块）几乎是不可能的。 通常，设备上会配备一个仅含3至6种颜色的较小目标板，但这只能覆盖部分色谱范围。此外，在任务期间，地面的Illumination条件可能会发生显著变化。

法国国家空间研究中心（CNES）在其相机测试实验室中应对这些挑战。为此，他们需要依靠能够再现火星光照条件的设备，在将相机送入太空之前对其进行色彩校正和校准。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

该 iQ-Chart Box 是一款由……驱动的均匀光源箱 iQ-LED 技术。该技术能够生成定制光谱，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再现火星上的Illumination环境。

iQ-Chart Box 配备八个 iQ-LED 光源，每个光源拥有 20 个独立的光谱通道，覆盖 380-820 nm 的波长范围（红外版本可扩展至 1050 nm）。 它通过将波谱不同的 LED 发出的辐射进行光学混合，生成自定义光谱，例如火星上的光。

最近，法国国家空间研究中心（CNES）将 iQ-Chart Box 纳入了其相机开发工作流程。他们需要一款设备来表征并进行色度校正，以优化 CNES 开发的成像系统。 此外，正如法国国家空间研究中心（CNES）的艾米莉·罗伯特（Emilie Robert）所言：“我们需要图像处理管道，让科学家能够比较使用不同相机拍摄的图像，从而显示出因各相机光谱响应差异而产生的各种色彩Distortion。 因此，这些图像需要校准到一个通用的标准色空间（例如 CIE 色空间），以实现与相机的无关性。”

标准工作流程会根据火星车着陆地点及月份（主要参考以往任务的数据）估算Illumination参数，并在iQ-Chart Box中进行模拟。 随后，将色彩测试图表或目标物放置于iQ-Chart Box中，由正在研发的相机对图表进行成像。相机将根据专用的色彩校正矩阵（CCM）进行调整。在火星任务期间，该CCM将应用于所有必要的图像。

使用从火星传回的图像

“毅力”号搭载了多台相机，通常每天会向地球传回大量图像供研究使用，其中包括由法国国家空间研究中心（CNES）提供的SuperCam RMI相机平均每天传回的四张图像。 对这些图像进行高质量的色彩校正至关重要，这样才能在地球上进行准确的研究，为当前和未来的任务做好准备。例如，地质学家利用这些结果重现火星上的确切环境，以研究地表物质，并确保火星车保持在理想的行进路径上。

其他研究，例如关于大气、天气条件和地形的研究所需的图像，都依赖于准确的图像来加深我们对地球的理解。更高质量的图像和正确的相机色彩校准可以提升这些领域的研究水平。 例如，下图6展示了色彩校正图像的优势；右下角的景观揭示了不同类型土壤之间的显著差异（前景呈红色，中景较白，背景再次呈红色）。 如今火星车上搭载的摄像系统，正在为人类有朝一日踏上火星铺平道路。

结语

我们非常感谢法国国家空间研究中心（CNES）给予我们机会前往图卢兹参观，并亲眼见证Image Engineering的产品如何为太阳系探索做出贡献。我们期待未来的任务，并继续人类探索宇宙的征程。

iQ-Chart Box 不仅能够模拟火星上的光照条件，还能针对几乎任何其他 Illumination 需求生成定制光谱。此外，我们还提供 iQ-LED 系列产品，应用范围涵盖从生产线上的相机校准到广角相机系统的特性分析，以及两者之间的几乎所有应用场景。

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参考文献

¹ 美国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：用于太空探索的相机。《空间科学评论》。正在撰写中

³ Emilie Robert、Che Shen、Magali Estribeau、Edoardo Cucchetti、Mark Fairchild，《火星图像的Color校正：沿太阳光轨的Illumination辨别研究》，载于《成像科学与技术杂志》，2023年，第1–9页， https://doi.org/10.2352/J.ImagingSci.Technol.2023.67.5.050410