Это исследование представляет собой первое подтверждение и характеристику точек доступа к подповерхностному слою (SAP) на комете, то есть полостей глубиной от 20 до 47 м, с признаками присутствия водяного льда. Эти полости представляют интерес для потенциального космического зонда, который мог бы получить прямой доступ к подповерхностным материалам. Мы также установили связь между появлением временной струи, связанной с инсоляцией на дне одной из этих ледяных полостей, благодаря снимкам и 3D-модели в сочетании с тепловой моделью.
- Осмотр четырех полостей в ядре кометы 67P Чурюмова – Герасименко
- Визуализация активности струй в полостях ядра кометы 67P
- Рассмотрим создание модели 67P в Metashape:
- Заключение
Статью сопровождают короткие поясняющие видеоролики. Основное видео находится в конце.
Осмотр четырех полостей в ядре кометы 67P Чурюмова – Герасименко
3D анаглифная красно-голубая версия:
2D-версия:
Визуализация активности струй в полостях ядра кометы 67P
3D анаглифная красно-голубая версия:
2D-версия:
Рекомендации по просмотру анаглифического 3D-контента
Для наилучшего восприятия анаглифического 3D-материала рекомендуется:
- Смотреть в затемненной комнате, где отсутствуют блики на экране телевизора.
- Расположиться на расстоянии 2-3 метров от экрана, строго по центру.
- Использовать качественные красно-голубые очки с хорошей фильтрацией, которые правильно разделяют изображения для правого и левого глаза.
Важно, чтобы ваш телевизор имел хорошую цветовую калибровку:
- красный канал не должен содержать примесей голубого (синего и зеленого);
- зеленый канал не должен содержать примесей красного.
При несоблюдении этих условий происходит «перекрестное просачивание» изображений — когда часть картинки для левого глаза видна правым глазом и наоборот. Это создает стереонесогласованность, из-за которой изображение кажется «вибрирующим» и некомфортным для восприятия.
Для полноты впечатления рекомендую также увеличить громкость звука и обеспечить хорошее воспроизведение низких частот — это усилит эффект от специально подобранного музыкального сопровождения.
С момента прибытия зонда «РОЗЕТТА» к комете и первых снимков с камер OSIRIS (август 2014 года) мы работаем над созданием стереоскопических изображений кометы 67P. Этот красно-голубой анаглифический архив доступен на сайте Французского космического агентства CNES. В частности, Гийом Фори (IRAP), который создавал со мной стереофотографический архив и который фактически является первооткрывателем Филы. Гийом Фори обнаружил Филу еще в марте 2015 года (и опубликовал в июне 2015 года), сравнивая изображения как характерное новое очень яркое пятно, задолго до подтверждающего пролета 2 сентября 2016 года на очень низкой высоте (2,7 км) для полного его разрешения. Поскольку это реальные цифровые ПЗС-фотографии, сделанные в 2 или более этапа с помощью уникальных ПЗС-камер OSIRIS NAC и WAC, результат стерео-воспроизведенных пар иногда оказывается нелогичным для нашего мозга, так как комета вращается вокруг своей оси, а тени, отбрасываемые рельефом на ее поверхность, меняются и не покрывают в точности одну и ту же область на изображениях для левого и правого глаза (что нелогично для нашего мозга, поскольку в реальной жизни он получает информацию от левого и правого глаза одновременно, синхронно, но с расстоянием всего в 7 см). Несогласованные области стереовосстановления вибрируют при наблюдении анаглифа. Миссия «РОЗЕТТА» не была предназначена для стереофотографии. Мы ищем пары изображений в запрограммированных сериях, которые соответствуют лучшим практикам стереофотографии, то есть параллаксу около 2° для переднего фона для стереовоспроизведения на компьютерном экране или телевизоре с разрешением 4K (или ближе к 1° для широкоформатного кинотеатра). Именно параллакс между двумя глазами позволяет мозгу восстанавливать объем и глубину через различия между двумя изображениями, получаемыми нашей нейронной сетью. Два глаза помогают достигать очень высокой точности при работе руками, то есть для действий вблизи (попробуйте закрыть один глаз и выполнить точное действие, например, построить карточный домик).
Наша команда астрономов работает над астрофизическим использованием изображений комет для понимания их структуры, рельефа и эволюции, динамики и т. д. Трехмерная реконструкция малых тел имеет фундаментальное значение для изучения их физических свойств, начиная с объема, что позволяет посчитать их плотность и, следовательно, дает ключ к процессам формирования. Изучение их поверхностей (и поверхностей планет) и эволюционных процессов требует количественных данных (высота утесов, глубина бассейнов, кратеров, колодцев и т. д.). Это особенно важно для теплового моделирования (получаемой и интегрируемой телом энергии) для определения условий освещения. С операционной точки зрения, размещение транспортного средства на этих поверхностях (выбор места) или управление ровером требует 3D-реконструкции и стереозрения. Чтобы понять общую форму малых тел, нам необходимо понять процессы аккреции и эволюции, знать гравитационное поле (средство навигации). Геоморфологические исследования планет земной группы, астероидов и ядер комет требуют лучшего понимания задействованных геологических процессов, информации о внутренней структуре, локализованных морфологических исследований с высоким пространственным разрешением, понимания глобальной и локальной топографии, особенно склонов.
Это очевидно большинству из вас — геодезистам, инженерам, строителям, археологам... но не так-то просто определить масштаб, измерить точные высоты, точные расстояния и даже определить самые высокие и низкие участки на 2D-снимке, если вы еще не знаете местность и у вас есть лишь несколько снимков, сделанных с одной точки зрения. Нужно учитывать перспективу, нужно найти правильный масштаб... К счастью, отличные фотограмметрические инструменты вроде Metashape готовы помочь!
При использовании 2D-изображений можно даже не распознать ямы, полости, пещеры и мелкие структуры в зависимости от угла обзора и порога освещенности снимков. Это история нашего открытия ледяных полостей благодаря стереофотографическим изображениям из архива CNES, затем их точной характеристики благодаря созданию с помощью Metashape высокоразрешающей 3D-модели поверхности (132 миллиона граней), корреляции активности одной из ледяных полостей с выбросом переходного вещества.
Наличие полостей или пещер на объектах Солнечной системы в точках доступа к подповерхностному слою (SAP) предполагалось, но не было подтверждено на кометах . Благодаря нашему стереофотографическому архиву мы смогли обнаружить три очень маленьких объекта. Мы смогли описать и охарактеризовать их благодаря фотограмметрической модели, созданной в Metashape (см. нашу статью в MNRAS, доступную онлайн). Более того, эта 3D-модель была помещена на симулированную орбиту с правильной ориентацией осей вращения, угловой скоростью вращения вокруг своей оси... Используя тепловую модель и интеграцию энергии, полученной на дне ледяной полости, мы соотнесли появление временной струи. Мы рассчитали энергию, накопленную за полный орбитальный оборот кометы, полученную каждой гранью трех полостей и окружающей местности, 36 раз за оборот (каждые 1240 с) для отслеживания краткосрочных суточных вариаций, и в 35 различных точках вдоль орбиты с переменным временным интервалом (от 100 дней в афелии до 15 дней в перигелии) для отслеживания долгосрочных сезонных вариаций. На каждом временном шаге расстояние до Солнца, ориентация каждой грани относительно Солнца и проецируемые тени рассчитывались с помощью программного обеспечения OASIS. Поскольку солнечная инсоляция не зависит от состава поверхности, сублимация водяного льда в этой модели не учитывалась.
Рассмотрим создание модели 67P в Metashape:
Как известно, в фотограмметрии существуют передовые практики, включая размещение снимков, покрытие, перекрытие, перекрестные траектории и равномерные, рассеянные условия освещения. Однако архив изображений миссии «РОЗЕТТА» не всегда соответствует этим оптимальным стандартам. Действительно, на снимках видно множество движущихся теней и резких контрастов, поскольку космос освещается только Солнцем, без рассеянного источника света. Освещение вокруг кометы также неравномерно, некоторые участки не освещаются никогда или очень редко, например, дно глубоких кольцевых впадин. Более того, снимки сделаны с разными фильтрами (ИК, красный, оранжевый, синий, УФ), что приводит к различиям в световых профилях и контрастах. Например, малая доля кометы может отбрасывать тень на большую долю. Это создает ряд сложностей при выравнивании изображений в программном обеспечении.
Во время миссии РОЗЕТТА несколько серий изображений были посвящены созданию 3D-модели, что привело к созданию модели с 40 миллионами граней «Глобальная трехмерная модель в метровом масштабе кометы 67P Чурюмова – Герасименко». Эта команда астрономов использовала порядка 1500 изображений за 18 месяцев для создания очень хорошей 3D-модели кометы, однако на ней не были видны обнаруженные нами полости. Поэтому я решил попробовать использовать все изображения OSIRIS за время миссии, чтобы получить более детальную модель ее поверхности. Я предварительно обработал, подготовил и отобрал 9186 изображений для постперигелийной модели и 8553 для преперигелийной модели. Фактически мне удалось рассчитать две модели: до и после прохождения ближайшей точки к Солнцу, перигелия, что позволяет выделить и количественно оценить области, которые сильно изменились, большинство из которых подверглись солнечной эрозии. Наша команда готовит новую публикацию по данной теме на 2025–2026 годы.
На завершение модели ушел год, включая тестирования, разочарования, успехи и большое удовлетворение от результата. Для получения наилучших результатов мне пришлось выделить зону всех теней, отбрасываемых на поверхность, и исключить их из расчета на всех изображениях. Еще одной серьезной проблемой была активность кометы. Процедура выравнивания обнаружила ключевые точки SIFT в «атмосфере» ее оболочки, с выбросами, струями, фоновыми звездами... которые, очевидно, движутся и не могут быть надежными опорными точками. Фильтрация ключевых и связующих точек была крайне важна в этом проекте для выравнивания более 18 500 изображений, загруженных в два фрагмента до и после перигелия.
Результаты первого выравнивания изображений содержали несколько «комет» (несколько решений идентифицированных объектов, когда был только один), которые нужно было разделить и изолировать в других фрагментах (сериях изображений). Я выровнял все части по отдельности, затем объединил и собрал их в один общий фрагмент.
Я начал с ручного удаления наиболее грубо неверных связующих точек, чередуя с перерасчетом выравнивания с помощью функции оптимизации. На втором этапе я использовал математические фильтры Metashape:
- «точность определения положения» < 75;
- «ошибка репроецирования» < 0,375;
- «точность проекций» < 10.
Даже после этой фильтрации и оптимизационных итераций вокруг привязанного объекта кометы оставалось несколько точек привязки над ее поверхностью. Скорее всего, это были низкоуровневые струи и выбросы породы, а также некоторые артефакты. У меня не осталось особых возможностей с математическими фильтрами, так как я опасался удалить слишком много точек привязки для остального рабочего процесса и создать пробелы. Поэтому я приступил к ручному удалению этих точек привязки со всей поверхности кометы (как парикмахер, бреющий лицо). Эта последняя операция, несомненно, была самой трудоемкой, включающей множество манипуляций вокруг кометы, проверку ее со всех ортогональных и перспективных углов и выбор, на мой взгляд, ненадежных точек привязки для удаления.
После всего этого отбора и разделения изображений я в итоге использовал 7682 изображения NAC и 1504 изображения WAC, то есть 9186 изображений, для постперигелийной модели. Для преперигелийной модели я использовал 7835 изображений с камеры NAC и 718 изображений с камеры WAC, то есть 8553 изображения. Поскольку существует гораздо больше постперигелийных изображений, снятых вблизи кометы, постперигелийная модель содержит значительно больше мелких деталей поверхности кометы.
Для иллюстрации результата выравнивания следующее видео показывает путешествие через позиции снимков всех изображений на различных орбитах зонда:
После того как все изображения были выровнены наилучшим возможным образом, я запустил расчет плотного облака и, прежде всего, карт глубины, используя стандартные значения настроек конфигурации Metashape.
После расчета карт глубины я запустил вычисление полигональной сетки, чтобы в итоге получить 132 миллиона граней для послеперигелийной модели. На самом деле результат составил 133 миллиона, но я не видел другого шлакового объекта внутри кометы с момента выравнивания. Я смог изолировать и удалить его, используя функцию Metashape:
Модель -> Плавное выделение -> Размер компонента связности -> 99%.
Мне удалось выполнить геопривязку постперигелийной 3D-модели к маркеру SPG SHAP7 Пройскера 2017, идентифицировав множество маркеров между двумя моделями. Затем я выровнял преперигелийную модель с послеперигелийной моделью, используя метод ключевых точек SIFT.
После получения и оптимизации трехмерной полигональной сетки нужно было перейти к фазе расчета текстур. Учитывая количество изображений, полученных при очень разных условиях освещения, различные попытки в обычном режиме оказались безуспешными. Полученный внешний вид был неудовлетворительным, что логично. Затем я решил вычислить текстуру, используя среднюю яркость изображений в рассматриваемых зонах. Результат все еще оставался крайне несбалансированным (поскольку в определенных областях кометы гораздо больше изображений), и мне пришлось вернуться к ретуши UV-карты (32 768 x 32 768 пикселей) в DXO, чтобы разблокировать и усилить темные участки, а также свернуть и уменьшить области с «самой высокой» средней яркостью. Я отрегулировал уровни серого в текстуре, сбалансировав гистограмму яркости для получения гауссового распределения, центрированного вокруг половины максимальной мощности.
Я счел полученную текстуру uvmap достаточно удовлетворительной, чтобы перейти к фазе создания анаглифических красно-голубых рельефных видеоанимаций. Вот облет этой 3D-модели — от некоторых сцен рельефа действительно дух захватывает. Вы увидите невероятные структуры и элементы рельефа этого небесного тела. Модель охватывает всю комету, которая представляет собой объект размером 4,3 x 2,6 x 2,1 км. Этот фильм с прорисовкой рельефа в формате 4K подчеркивает разнообразие поверхностных особенностей: пики, стрелы, круговые эрозионные впадины, дюны, утесы, уступы, осыпи, ямы, колодцы, разломы и разрывы, консолидированные и неконсолидированные участки, полигональные сети, перенос и отложения — словом, всю минеральную и звездную красоту кометы. Рекомендую смотреть его напрямую в приложении YouTube на 4K телевизоре, вечером в темноте, с большим уровнем басов, чтобы полностью оценить музыку Скотта Бакли. В анаглифной трехмерной версии высокая компрессия на YouTube приводит к появлению цветных «призраков». Анаглиф основан на передаче рельефа с помощью цветов, но сжатие слегка искажает эти цвета и детали, создавая несоответствия для мозга. Это может вызвать вибрации в определенных частях изображения или сделать их некомфортными для просмотра. Также крайне важно использовать очки, которые правильно фильтруют красный цвет для левого глаза и голубой для правого, и убедиться, что источники света, такие как светодиоды телевизора, излучают исключительно красный для R, зеленый для G и синий для B (элемент G, излучающий красный, или R, излучающий зеленый, способствует перекрестным помехам).
3D-анаглифное красно-голубое видео находится здесь:
2D-видео находится здесь, но стереоскопическая 3D-версия гораздо более впечатляющая:
Если вы хотите узнать больше об эволюции морфологии поверхности кометы, вы можете прочитать эту научную статью: «Морфология поверхности комет и связанные с ней эволюционные процессы: обзор наблюдений Розетты за кометой 67P Чурюмова – Герасименко».
Я сожалею только о том, что Metashape не рассчитывает трассировку лучей или отображение теней для анимации. Я мечтаю иметь возможность создавать видео с расчетом теней, отбрасываемых Солнцем. Я пытался импортировать все 132 миллиона граней в Blender, но он не рассчитан на такое количество граней и вылетает. Команда разработчиков Blender знает об этом, так как я открыл тикет на github по этому поводу.
Заключение
Наше исследование является частью недавних усилий, признающих ценность стереофотографии как инструмента для визуализации и характеристики поверхности тел Солнечной системы в пространственных масштабах и измерениях, обычно не достижимых для цифровых моделей рельефа. Оно также соответствует растущему интересу к точкам доступа под поверхность и их использованию в качестве средства исследования внутреннего строения этих тел. Мы впервые показали, что ядро кометы, а именно кометы 67P Чурюмова – Герасименко, имеет полости, которые, несомненно, соответствуют критериям точек доступа под поверхность (SAP). Аналогично, мы впервые продемонстрировали связь между кратковременной инсоляцией дна ледяной полости и выбросом крупной переходной струи.
Ссылки на источники, используемые в статье, были удалены. Библиография доступна в оригинальной публикации.
Статья — перевод публикации Давида Ромефа на ресурсе Agisoft Metashape Forum.
Оригинальный источник информации: статья «Обнаружение и характеристика ледяных полостей в ядре кометы 67P Чурюмова – Герасименко» Филиппа Лами, Гийома Фори, Давида Ромефа, Оливье Груссена в научном журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), том 531, выпуск 2, июнь 2024 г., страницы 2494–2516, DOI: 10.1093/mnras/stae1290