Астронавты Аполлона-17 в течение трех дней исследовали долину Таурус-Литтров на Луне в 1972 году. Во время своего третьего выхода на поверхность они провели более часа на Станции 6 — геологической точке, состоящей из трех больших и двух малых фрагментов валуна, скатившегося с Северного массива. Мы использовали все доступные отсканированные цифровые фотографии миссии «Аполлон», сделанные астронавтами на Станции 6, чтобы создать комплексную трехмерную модель исследованной области. Мы использовали фотограмметрию на основе метода Structure from Motion (SfM) для автоматического определения положения каждого из 154 доступных изображений с помощью их перекрытия. Все изображения были выровнены в едином фотограмметрическом проекте, что позволяет, с одной стороны, автоматически визуализировать положение астронавтов во время их исследований, а с другой стороны — реконструировать в 3D три основных фрагмента валунов, тем самым определяя их относительные размеры и ориентацию. Помимо валунов, мы показываем, что трехмерная реконструкция методом фотограмметрии может быть также применена к образцам лунных пород, взятым из самих валунов. Эти образцы систематически фотографировались с разных ракурсов в Лунно-планетном институте в 1970 годах после доставки на Землю. Для реконструкции мы использовали отсканированные архивные изображения, представляющие 16 стереоскопических пар, чтобы создать 3D-модели образцов 76015, 76215, 76315 и 76275. Эти модели могут помочь сохранить научные данные, так как некоторые образцы были распилены для анализа и уже не существуют в первоначальном виде. Трехмерные модели лунных пород и валунов можно просмотреть и визуализировать на веб-платформе. Кроме того, они интегрированы в VR-среду, что позволяет исследовать их в натуральную величину — с эффектом погружения и возможностью совместной работы. Знание ориентации и положения образцов в их естественной среде помогает лучше понять некоторые процессы. Например, изменения, вызванные космическим выветриванием в результате микрометеоритных ударов и воздействия частиц солнечного ветра. Фотограмметрические трехмерные реконструкции на основе снимков, сделанных роверами и/или астронавтами, могут одной из базовых технологий будущих лунных миссий. Этот метод способен максимизировать их научную, образовательную и популяризаторскую ценность.
- 1) Введение
- 2) Фотограмметрическая реконструкция валунов Станции 6
- 2.1) 3D-реконструкция отдельных валунов с использованием метода Structure from Motion
- 2.2) Комплексная интеграция основных фрагментов валунов на Станции 6
- 2.3) Сравнение с орбитальными снимками ЛРО
- 3) Фотограмметрическая трехмерная реконструкция образцов лунных пород, доставленных со Станции 6 на Землю
- 3.1) Образец 76015
- 3.2) Образец 76215
- 3.3) Образец 76315
- 3.4) Образец 76275
- 3.5) Образцы лунных пород 76255, 76295 и 76235
- 4) Интеграция в дополненную или виртуальную реальность и научные результаты
- 4.1) Доступность образцов на платформе Sketchfab
- 4.2) Размещение образцов лунных пород в их исходном положении и симуляция в виртуальной реальности
- 4.3) Пример результатов: значение для изучения процессов космического выветривания
- 5) Заключение и перспективы
1 Введение
В рамках миссии «Аполлон-17» 11 декабря 1972 года была совершена посадка в долине Таурус-Литтров на Луне. Геологический состав района посадки, расположенного на восточной окраине Моря Ясности, детально изучался в течение трех дней во время выходов на лунную поверхность. Во время последней миссии Аполлона 111 кг репрезентативных образцов лунных пород и грунта были собраны, задокументированы фотографически и устно и доставлены на Землю. Затем они также были задокументированы в Лунной приемной лаборатории в Хьюстоне.
Среди нескольких ключевых точек в долине Таурус-Литтров, представляющих интерес с точки зрения геологии, астронавты боле часа исследовали пять крупных фрагментов валуна в месте под названием «Станция 6», которые лежали у основания идущего с Северного массива длинного следа от валуна (рисунок 1). Валун скатился вниз по склону с уклоном 22,5 градуса, образовав след шириной 10 м, который начинается на высоте 394 м и заканчивается в текущем местоположении валуна, где он раскололся на пять крупных частей. Анализ, проведенный Шмиттом и др. (2017), указывает, что изначально единый валун образовался из выбросов брекчии ударного расплава периода формирования Моря Кризисов, перекрытых выбросами брекчии ударного расплава периода формирования Моря Ясности. Более ранние фотогеологические интерпретации предполагали, что Северный массив в основном относится к периоду формирования Моря Ясности.
В предыдущем исследовании мы использовали отсканированные фотографии, сделанные астронавтами на месте камерами Hasselblad, чтобы реконструировать индивидуальные 3D-модели каждого из основных валунов Станции 6, используя методы фотограмметрии SfM. В ряде исследований данные миссий «Аполлон-11» и «Аполлон-12» обрабатывались методом фотограмметрии — в основном для точного определения мест, где были сделаны снимки во время этих экспедиций. Фотограмметрию применили и к фотографиям с китайского ровера Chang’E-4: на основе этих снимков построили трехмерную модель кратеров и камней в месте посадки с сантиметровой детализацией. На первом этапе, представленном в работе Ле Муэлик и др. (2020), мы показали, что фотограмметрическая трехмерная реконструкция отдельных валунов у Станций 2, 6 и 7 была возможна, даже со снимками, сделанными 50 лет назад на пленочную камеру. Однако в этой первой работе валуны анализировались независимо друг от друга. Поэтому их взаимное положение и ориентация на Станции 6 не были уточнены в привязке друг к другу, и мы также не учитывали образцы пород. В данном исследовании мы развиваем метод реконструкции дальше: с одной стороны, используя расширенный набор фотографий для более точного определения взаимного расположения и масштаба основных фрагментов валунов на Станции 6 в их естественном контексте, а с другой — применяя ту же фотограмметрическую методику непосредственно к образцам пород.
В первом разделе мы показываем, что дополнительные изображения, такие как две панорамы с обзором 360° и снимки, сделанные с ровера, могут быть интегрированы в общий фотограмметрический проект для охвата всей территории Станции 6. Во втором разделе, продолжая работу Вулфа и др. (1981), мы показываем, что процесс фотограмметрической реконструкции может быть применен к нескольким образцам пород со Станции 6, используя исходные лабораторные фотографии этих пород, полученные несколько десятилетий назад до их распила для анализа. В третьем разделе мы описываем, как 3D-модели могут быть интегрированы в дополненную и виртуальную реальность, и обсуждаем научное значение полной трехмерной реконструкции валунов и образцов лунных пород для исследования, например, начала таких явлений, как процессы космического выветривания и локального затенения.
Рисунок 1. (a) Расположение долины Таурус-Литтров. (b) Карта маршрута внекорабельной деятельности. Станция 6 (красный круг) расположена у подножия южного склона Северного массива (изображение адаптировано из материалов ЛРО/Аризонского государственного университета/Р. Вагнера). (c) Снимок камерой ЛРО валунного комплекса, показывающий пять основных блоков на Станции 6, сделан при том же освещении, что и во время третьего выхода астронавтов на поверхность 13 декабря 1972 года (изображение узкоугольной камеры M129086118LR). Следы, оставленные астронавтами в грунте, до сих пор видны справа от валунов. На врезке показана нумерация валунов, временное местоположение ровера и приблизительные фотометрические позиции двух панорам на 360° со стрелками, указывающими на приблизительные места отбора образцов пород.
2 Фотограмметрическая реконструкция валунов Станции 6
2.1 3D-реконструкция отдельных валунов с использованием метода Structure from Motion
В предыдущем исследовании Ле Муэлик и др. (2020) мы использовали отсканированные версии коллекции фотографий миссии «Аполлон» для выполнения фотограмметрической реконструкции отдельных валунов на Станциях 2, 6 и 7 с помощью программного обеспечения Agisoft Metashape. На Станции 6 мы реконструировали отдельные валуны под номерами 1, 2–3 и 4–5 (их расположение показано на врезке рисунка 1) с помощью метода SfM по 82 снимкам. Пространственное покрытие, перекрытие кадров и количество точек съемки позволили выполнить автоматическую реконструкцию методом SfM. В данном методе ключевые точки автоматически определяются через анализ корреляции между парами снимков, сделанных под разными углами. Благодаря эффекту параллакса становится возможным определить трехмерные координаты этих опорных точек. Алгоритм последовательно выравнивает отдельные снимки в соответствующих позициях. После первоначального определения ключевых точек и выравнивания изображений формируется плотное облако соответственных точек. На следующем этапе строится полигональная сетка, повторяющая структуру этого облака. Завершающий шаг предполагает наложение на полученную полигональную сетку текстуры — мозаики из исходных фотографий. Весь процесс показан на рисунке 2 (от a до d) на примере Валуна 1.
Рисунок 2. Процесс фотограмметрической реконструкции Валуна 1. (a) Подмножество исходной серии отсканированных фотографий Аполлона. (b) Облако связующих точек и изображения, выровненные фотограмметрическим программным обеспечением. (c) Полигональная сетка, соединяющая плотное облако точек. (d) Окончательная текстурированная трехмерная модель Валуна 1. Красным прямоугольником выделена область, которая будет рассмотрена далее на рисунке 15. (e) Фрагмент снимка As17-141-21608, показывающий единственный доступный общий вид Валуна 1, отраженный в забрале шлема Юджина Сернана.
Астронавты не сняли общего вида южной стороны Валуна 1 во время фотодокументирования. Случайно доступен только один непрямой общий вид благодаря отражению, видимому в забрале шлема Юджина Сернана на снимке As17-141-21608, которое сработало как объектив типа «рыбий глаз» (рисунок 2 e). В целом фотограмметрическая реконструкция хорошо соответствует форме Валуна 1, видимой в этом отражении. В исследовании, проведенном в работе Ле Муэлика и др., основные валуны Станции 6 изучались независимо друг от друга с использованием соответственно 42 (Валун 1), 7 (Валун 2–3) и 33 (Валун 4–5) снимков. Это оставило неопределенность в отношении их взаимного расположения, масштаба и ориентации. В следующем разделе мы добавим больше изображений в качестве исходных данных для реконструкции местности возле Станции 6 в рамках одного фотограмметрического проекта, в этот раз используя все доступные 154 изображения вместо 82.
2.2 Комплексная интеграция основных фрагментов валунов на Станции 6
Мы усовершенствовали исходные отдельные 3D-модели валунов у Станции 6, описанные в работе Ле Муэлика и др., добавив в фотограмметрический проект снимки двух панорам на 360°, сделанных с точек «Северная панорама» (кадры As17-140-21483-21508) и «Южная панорама» (кадры AS17-141-21575-21603). Мы также добавили два снимка As17-146-22293 и As17-146-22294, сделанные с места стоянки ровера в юго-западной части участка (их расположение показано на рисунке 1c, а соответствующие добавленные изображения — на рисунке 3). Пять других снимков As17-141-21616-21620 представляют собой детальный вид Валуна 2–3. Три снимка As17-141-21630, охватывающие его обратную сторону (полностью в тени), не были включены из-за сильного недостатка контрастности.
154 снимка были сделаны двумя разными камерами, каждая из которых была закреплена на груди астронавта. Мы выполнили предварительную проверку, попытавшись разделить два набора данных в Agisoft Metashape, однако это не улучшило процесс выравнивания. В результате была продолжена обработка объединенных данных с обеих камер, учитывая, что в исходном наборе снимков и так имелось достаточно разреженное перекрытие изображений.
Камеры «Hasselblad HDC» были оснащены высококачественными объективами Zeiss Biogon 60 мм f/5.6, специально разработанными для использования на лунной поверхности и калиброванными по реперным пластинам в камере. Все объективы были спроектированы с минимальными тангенциальными и радиальными искажениями по всему полю изображения. Поэтому мы предположили, что они схожи в первом приближении, если сравнивать с другими источниками вариаций, такими как, например, возможные искажения при сканировании негативов. У нас не было доступа к оптическим параметрам камер, поэтому параметры камер были оставлены свободными в Agisoft Metashape, без самокалибровки.
Для итеративного достижения полного выравнивания набора из 154 изображений (рисунок 4) в проект были добавлены дополнительные маркеры. Две полные 360-градусные панорамы обеспечивают ключевые опорные точки, жестко фиксирующие пространственное взаиморасположение валунов. Снимки, полученные с ровера, дополнительно предоставляют виды теневых сторон валунов с достаточным количеством распознаваемых характерных точек. Особую роль играет кадр AS17-140-21434, который служит основным связующим звеном между Валунами 2-3 и Валуном 4. Однако следует учитывать, что область перекрытия между изображениями освещенной стороны Валунов 2-3 и остальными валунами Станции 6 крайне ограничена. Это обстоятельство может вызывать незначительные остаточные погрешности в определении общего положения и ориентации объектов, количественная оценка которых в настоящем исследовании не представляется возможной.
Интеграция всех этих дополнительных ракурсов в один фотограмметрический проект, содержащий теперь в общей сложности 154 выровненных фотографии вместо 82, все же позволила получить более качественное абсолютное масштабирование и позиционирование пяти основных валунов и части подстилающего грунта. Всего были использованы один миллион связующих точек и плотное облако из 110 миллионов точек для создания текстурированной сетки из 6 миллионов полигонов, которая была уменьшена до 1,5 миллионов полигонов с 10 текстурами размером 8192x8192 пикселей для облегчения манипуляций с конечным 3D-продуктом (рисунок 5). В финальном проекте Agisoft Metashape 981 204 связующие точки демонстрируют ошибку репроекции (СКО) в 1,18 пикселя.
Рисунок 3. Панорамы и изображения, добавленные в фотограмметрический проект в дополнение к 82 отдельным снимкам валунов, использованным в работе Ле Муэлика и др. (2020). (a) «Южная» панорама (кадры AS17-141-21575-21603). (b) «Северная» панорама (кадры AS17-140-21483-21508). (c) Кадр AS17-140-21434. Ровер виден на заднем плане за Валуном 4. Этот кадр — единственный, показывающий освещенную сторону Валунов 2–3 (в правом верхнем углу) с частью Валуна 4 (слева). (d) Кадр, снятый с лунного автомобиля, показывающий обратную сторону Валунов 2-3 и край Валуна 4 (в тени). (e) Фрагмент снимка AS17-146-22355, показывающий Станцию 6, вид со Станции 7, с расстояния 475 м. Всего в фотограмметрическом проекте теперь используется 154 совмещенных изображения для реконструкции валунов возле Станции 6 (рисунок 4).
Масштабирование различных элементов в фотограмметрическом проекте может быть уточнено размером следов астронавтов, гномоном (высота 62 см в развернутом состоянии), снимками ровера, положением различных камер (расположенных на груди астронавта, то есть на постоянной высоте относительно поверхности) и сопоставлением с орбитальными снимками ЛРО, которые обеспечивают общий контекст. На общем виде сверху (верхняя часть рисунка 4) мы видим, что процесс фотограмметрического выравнивания, основанный на сопоставлении точек в парах изображений, потенциально позволяет определить положение астронавтов во время проводимой ими фотографической съемки. Каждое из 154 изображений представлено синим прямоугольником, показанным в перспективе. Эти позиции в первом приближении хорошо согласуются с другими независимыми исследованиями, такими как пространственно-временные карты Роузборо и др. (2023), даже если могут существовать небольшие различия в зависимости от используемого метода. В частности, благодаря процессу автоматической корреляции проявляются позиции Юджина А. Сернана на круговой северной панораме и Харрисона Х. Шмитта на круговой южной панораме.
Джонс и др. упоминают, что фрагменты валунов около Станции 6 также можно идентифицировать на снимке As17-146-22355, сделанном со Станции 7, то есть с расстояния около 475 м. Согласно интервалу реперных крестов в 10,3°, со Станции 7 можно оценить расстояние между вершинами Валунов 2 и 5 примерно в ~9,7 м. Эта оценка соответствует нашему определению размеров.
Рисунок 4: Вид сверху и вид в перспективе (слева направо) облака связующих точек в фотограмметрическом проекте по всей области Станции 6. Каждый из 154 фотографических кадров, сделанных астронавтами, отображается в виде синего прямоугольника и, таким образом, может быть размещен в абсолютной позиции.
Рисунок 5: Вид в перспективе 3D-реконструкции основных валунов около Станции 6. Верхняя панель соответствует полигональной сетке геометрического объекта. Нижняя панель показывает текстурированную 3D-модель Станции 6.
2.3 Сравнение с орбитальными снимками ЛРО
Станция 6 была заснята на нескольких изображениях узкоугольной камеры Лунного разведывательного орбитера (ЛРО) при различных условиях освещения и съемки. На рисунке 6 показаны девять снимков, сделанных узкоугольной камерой, которые охватывают случаи наиболее экстремальных углов падения солнечных лучей, с углами съемки от -20° до +15,14°. Эти изображения не орторектифицированы. В результате могут наблюдаться небольшие видимые деформации формы валунов как в правом/левом направлении в зависимости от угла съемки, так и в направлении север–юг, учитывая, что валуны расположены на склоне с севера на юг с уклоном 22,5°. Разница в условиях освещения и съемки выявляет различные особенности поверхности, такие как небольшие ударные кратеры, следы валунов и, что более важно, некоторые следы астронавтов. Часть следов особенно хорошо видна на снимках M129086118LR, M109032389L, M172717297R и M113751661LR. Эти следы могут служить для проверки достоверности фотограмметрической реконструкции, которую мы обсуждали в предыдущем разделе. Действительно, позиции изображений, полученных методом фотограмметрии, должны логически совпадать со следами астронавтов, обнаруженными ЛРО.
Именно это мы можем наблюдать на рисунке 7, где фотограмметрический проект наложен на снимок ЛРО M129086118LR. Этот снимок ЛРО был сделан под углом съемки 0°, что позволило минимизировать возможные видимые деформации валунов в направлении восток–запад. Мы видим, например, что темные следы на снимках ЛРО соответствуют определенному расположению семи изображений, сделанных для фиксации характеристик Валуна 2–3, в правой части рисунка. На рисунке 7 мы также видим, что место съемки северной панорамы, сделанной Ю. Сернаном, приходится на верхний край темных отметин на снимке ЛРО, что также подтверждает определенное местоположение. Положение фотографий и контуры валунов в целом согласуются с фоном снимков ЛРО с точностью менее ~1 м (одно деление сетки), что мы считаем консервативной оценкой точности реконструкции.
Съемка Станции 6 с ЛРО охватывает достаточно широкий диапазон условий освещения и обзора, что потенциально открывает новые направления исследований с использованием орбитальных снимков.
В дальнейших исследованиях для более простого и точного определения положения, масштаба и ориентации фотограмметрической реконструкции с использованием отсканированных фотопленок Аполлона, можно собрать контрольные точки с орторектифицированных снимков, сделанных узкоугольной камерой ЛРО. Мы использовали орторектифицированную мозаику Astropedia Геологической службы США (0,5 м/пиксель) и связанную с ней ЦМР (1,5 м/пиксель), обработанную из стереопар, сделанных узкоугольной камерой, чтобы оценить целесообразность проведения орбитальной фотограмметрии. Однако оказалось, что пространственного разрешения ЦМР в 1,5 м недостаточно для точной передачи формы валунов, которые в своем наибольшем измерении занимают менее 5 пикселей в ЦМР. Следовательно, на цифровой модели рельефа Геологической службы США они отображаются лишь в виде сглаженных возвышений.
Для детального восстановления трехмерной формы валунов по орбитальным снимкам, вероятно, потребуется применение более сложных методов, включая субпиксельный анализ топографии и алгоритмы суперразрешения, подобные тем, что разработаны Тао и др. (2022). Альтернативно, метод восстановления формы по теням (shape-from-shading) также может оказаться полезным для создания ЦМР с пиксельным разрешением на основе монокулярных снимков с ЛРО. Эти подходы выходят за рамки нашего исследования, которое было в основном сосредоточено на данных с поверхности. Поэтому мы решили оставить систематическое изучение набора орбитальных снимков узкоугольной камеры ЛРО с использованием современных алгоритмов для дальнейших комплексных работ.
Рисунок 6: Снимки узкоугольной камерой ЛРО района Станции 6, показывающие валуны при различных условиях освещения (угол падения солнечных лучей) и съемки (угол съемки). Разница в условиях освещения выявляет небольшие кратеры, следы валунов, а также часть следов астронавтов, которые видны как темная линия потревоженного грунта, особенно на снимках M129086118LR и M109032389L (стрелки).
Рисунок 7: Наложение фотограмметрической модели на снимок ЛРО M129086118LR. Расположение фотографий (особенно в правой части) совпадает с темными отпечатками следов астронавтов. Северная панорама также связана с отметинами потревоженного грунта.
3 Фотограмметрическая трехмерная реконструкция образцов лунных пород, доставленных со Станции 6 на Землю
В дополнение к 3D-реконструкции валунов и части их окружения мы продвинули обработку данных на шаг дальше, выполнив реконструкцию самих образцов пород. Для этого мы воспользовались тем фактом, что образцы пород, взятые из валунов, были тщательно задокументированы в Лунной приемной лаборатории в Хьюстоне после доставки на Землю. В нашем исследовании мы использовали в качестве исходных данных серии отсканированных фотографий, доступных на сайте Лунно-планетного института. Для большинства образцов, размещенных на вращающейся платформе, было сделано до 16 стереоскопических пар снимков: 8 пар равномерно распределялись в экваториальной плоскости образца, и еще 8 пар — в перпендикулярной плоскости с таким же равномерным распределением. Два примера таких исходных изображений показаны на рисунке 8 для образца 76015.
Рисунок 8: Пример архивных лабораторных фотографий образца породы 76015, взятого из Валуна 5. В семидесятые годы образцы систематически фотографировались под разными углами. Для значительного количества образцов доступно до 16 пар стереоскопических изображений. В процессе фотограмметрической реконструкции мы вручную добавляли маркеры на каждое изображение для облегчения этапов выравнивания изображений. Эти изображения могут служить основой для создания полной цифровой 3D-модели образцов пород (см. рисунок 9) до того, как они были распилены на несколько частей, как показано на нижнем изображении S76-21672 образца 76015, сделанном после распила в Лунной приемной лаборатории в 1976 году.
Образцы фотографировались на вращающейся платформе с фиксированным фоном, на котором отображался номер образца. Для масштаба был приложен кубик с гранью 1 см. Во избежание ошибок корреляции, связанных с фиксированным фоном, при вычислении разреженного облака ключевых точек мы использовали маски, соответствующие контурам пород. При наличии достаточного количества ракурсов набор фотографий потенциально позволяет выполнить полную фотограмметрическую 3D-реконструкцию пород с использованием метода «структура из движения». Эта техника также используется в проекте Astromaterials 3D для образцов, которые можно фотографировать и сегодня. Образцы пород со Станции 6 были распилены на несколько частей для анализа, и их характеристики в первоначальном виде зафиксировать невозможно. Поэтому приходится полагаться только на доступные архивные снимки. В зависимости от сложности формы образцов пород, значительная разница углов около 45° между каждым стереоскопическим ракурсом иногда не позволяет фотограмметрическому программному обеспечению автоматически находить связующие точки на первом этапе выравнивания изображений.
В большинстве случаев нам приходилось вручную добавлять несколько маркеров на исходные фотографии, чтобы помочь алгоритму произвести сведение (рисунок 8). Перед завершающим этапом создания текстуры мы применили цветовую балансировку первого порядка к отсканированным фотографиям, чтобы привести к единообразию условия освещения, которые не всегда были полностью согласованными в сериях снимков. Используя эти предварительные шаги, мы в итоге смогли вычислить детальную текстурированную 3D-модель для каждого из образцов лунных пород 76015, 76215, 76315 и 76275.
3.1 Образец 76015
Этот образец породы 76015, который находился в свободном состоянии на Валуне 5, был снят с верхнего угла Валуна 5. Его фотографировали до и после взятия. Это крупный образец весом 2,8 кг серо-коричневой везикулярной микропойкилитовой брекчии ударного расплава. На его открытой поверхности видна тонкая коричневая патина, местами пробитая кратерами от ударов микрометеоритов, темная область без микроударов по краю и частично защищенная свежая более светлая зона. Это метакластическая (измельченная и перекристаллизованная) брекчия с изначально расплавленной мелкозернистой матрицей, теперь состоящей из сцепленных кристаллов пироксена, которые включают мелкие кристаллы плагиоклаза (пойкилитовая текстура). В породе присутствует широкое разнообразие литических и минеральных кластов, включая различные комбинации плагиоклаза, пироксена, ортопироксена и оливина, а также базальт. Радиологическое датирование методом 40Ar-39Ar указывает на возраст кристаллизации ~3,9 миллиарда лет. Период облучения, определенный методом 81Kr-Kr, вероятно, указывает на момент, когда валуны упали с Северного массива. Он оценивается в 17,5 ± 0,5 млн лет.
Мы использовали 32 архивных изображения с маркировкой S73-18763 – S73-18778 для выполнения процесса фотограмметрической 3D-реконструкции. Эти снимки были сделаны до распиливания образца на несколько частей для различных научных исследований. Все изображения были выровнены с использованием 60 маркеров для создания финальной текстурированной 3D-модели из 800 000 полигонов. Различные этапы реконструкции показаны на рисунке 9. Трехмерную модель этого образца породы, который больше не существует в первоначальном виде, можно свободно просматривать онлайн по адресу https://sketchfab.com/LPG-3D/collections.
Рисунок 9: Фотограмметрическая трехмерная реконструкция образца породы 76015 с использованием 32 архивных лабораторных снимков с маркировкой S73-18763 – S73-18778 в качестве исходных данных (вверху слева). Все изображения были выровнены в программе Agisoft Metashape (вверху справа) для создания 3D-сетки (внизу справа), которая была текстурирована мозаикой из исходных изображений (внизу слева). 3D-модель этого образца породы, который был распилен на несколько частей и поэтому физически больше не существует в своем первоначальном виде, можно просмотреть и интерактивно изучить онлайн по адресу: https://sketchfab.com/LPG-3D/collections.
3.2 Образец 76215
Отколовшийся образец породы 76215 был взят у основания Валуна 4, где он случайно оказался рядом с гномоном. Этот образец, подобно образцу 76015, представляет собой везикулярную микропойкилитовую брекчию ударного расплава с несколькими мелкими литическими кластами, богатыми плагиоклазом, и кластами минералов плагиоклаза и оливина. На нем имеется открытая поверхность, покрытая патиной, с кратерами от ударов микрометеоритов и множеством защищенных участков. Матрица представляет собой пойкилитовое срастание плагиоклаза и оливина в более крупных кристаллах клинопироксена (пижонита и авгита). Пойкилитовая текстура переходит в офитовую (лейсты плагиоклаза в пироксене) вблизи стенок везикул. Класты плагиоклаза имеют эвгедральные (с явными кристаллическими гранями) нарастания. Радиометрическое датирование методом 40Ar-39Ar указывает на возраст кристаллизации матрицы ~3,94 миллиарда лет. Период облучения, определенный методом 81Kr-Kr, оценивается примерно в ~19 миллионов лет.
Как и в случае с предыдущим образцом, для процесса 3D-реконструкции доступен набор из 32 отсканированных архивных фотографий (16 стереоскопических пар с маркировкой S73-20410 по S73-20425B). Для этого образца все изображения были корректно выровнены без необходимости добавления каких-либо связующих точек вручную. Это обусловлено относительно простой выпуклой геометрией образца. На рисунке 10 показан результат фотограмметрической обработки. 3D-модель можно свободно поворачивать для исследования соответствующих свойств открытых и защищенных поверхностей образца породы.
Рисунок 10: Основные этапы процесса трехмерной реконструкции образца 76215. 32 исходные фотографии образца (вверху слева) выравниваются в фотограмметрическом программном обеспечении (вверху справа). Автоматическая корреляция между перекрывающимися изображениями используется для создания трехмерной сетки (внизу справа). Финальная драпирующая текстура вычисляется с использованием мозаики из исходных фотографий (внизу слева).
3.3 Образец 76315
Этот образец породы 76315 был извлечен из Валуна 2 возле Станции 6. Это брекчия ударного расплава, состоящая из открытой поверхности, покрытой патиной, с кратерами от ударов микрометеоритов и частично защищенной свежей зоной. Эта брекчия содержала два важных класта: класт полевошпатового гранулита и анортозитовый класт. Большой белый класт, богатый плагиоклазом, имеет прожилки ударного расплава, который теперь имеет тонкокристаллическую структуру. Серо-голубая часть 76315 имеет очень тонкую везикулярную структуру (везикулы менее 1 мм в поперечнике), и очень мелкие кристаллы оливина и пироксена окружают плагиоклаз. Линии везикул создают постоянную сланцеватость по всему образцу. Радиологическое датирование этого образца с использованием метода 40Ar-39Ar указывает на возраст кристаллизации серо-голубой матрицы ≈3,9 млрд лет. Это, вероятно, период образования бассейна Моря Кризисов. Период его облучения, определенный методом 81Kr-Kr, составляет ~22 ± 1 млн лет. На рисунке 11 показан результат процесса 3D-реконструкции образца 76315, который мы выполнили с использованием 32 отсканированных архивных изображений, соответствующих 16 стереоскопическим парам с маркировкой от S73-18731 до S73-18746B.
Рисунок 11: Основные этапы процесса трехмерной реконструкции для образца 76315. 32 исходные архивные фотографии образца (вверху слева) выравниваются в фотограмметрическом программном обеспечении (вверху справа). Автоматическая корреляция между перекрывающимися изображениями используется для создания 3D-сетки (внизу справа), текстурированной мозаикой из исходных фотографий (внизу слева). Куб размером 1 см добавлен для масштаба.
3.4 Образец 76275
Лунный образец размером 4,6 см под номером 76275 был отколот от боковой части Валуна 1. Это брекчия ударного расплава сине-серого цвета с кластами, невезикулярная, схожая с другими образцами Станции 6. Модальный минералогический состав образца 76275 включает около 50% плагиоклаза, 40% низкокальциевого пироксена, с небольшим содержанием авгита, оливина, ильменита, армальколита и металлического железа. Матрица имеет более мелкозернистую структуру по сравнению с другими образцами большого валуна. Кадоган и Тернер определили для этого образца возраст по аргоновому плато в 4,02 ± 0,04 млрд лет. Хигути и Морган отметили, что состав микроэлементов сидерофильной группы всех образцов валунов Станции 6 образует плотную группировку (метеоритная группа 2) на диаграммах состава. Образец 76275 имеет более высокое содержание этих метеоритных элементов, чем матрицы образцов 76015 и 76215. На рисунке 12 показан результат фотограмметрической реконструкции образца 76275, выполненной с использованием набора из 38 архивных снимков (снимки с маркировкой от S73-15076 до S73-24039B), сделанных до того, как образец был распилен на несколько десятков частей для анализа.
Рисунок 12: Основные этапы создания трехмерной реконструкции образца 76275, извлеченного из Валуна 1. 38 исходных архивных фотографий образца (вверху слева) выравниваются в фотограмметрическом программном обеспечении (вверху справа) для создания 3D-сетки (внизу справа), текстурированной мозаикой из исходных фотографий (внизу слева).
3.5 Образцы лунных пород 76255, 76295 и 76235
Три других образца лунных пород со Станции 6 (номера 76255, 76295, 76235) были доставлены на Землю и задокументированы. Для образца 76235 также имеется 16 пар изображений, но выравнивание не сработало, вероятно, из-за отсутствия текстуры на этом крошечном светлом камне. На сайте Лунно-планетного института изначально было доступно только 16 ракурсов (без стереоскопических пар) для образцов 76295 и 76255. После специального поиска удалось отыскать старые стереоскопические пары, но процесс реконструкции все равно не дал результатов. В следующем разделе мы обсудим, как реконструированные образцы лунных пород и валуны могут быть интегрированы в дополненную или виртуальную реальность, и как можно сделать первые интерпретационные выводы о поверхностных процессах на основе уточненной ориентации пород.
4 Интеграция в дополненную или виртуальную реальность и научные результаты
4.1 Доступность образцов на платформе Sketchfab
Мы разместили трехмерные модели образцов лунных пород на веб-платформе Sketchfab по адресу https://sketchfab.com/LPG-3D/collections для удобного визуального осмотра и интерактивного изучения. Эти 3D-модели представляют особый интерес, учитывая тот факт, что данные образцы лунных пород были распилены на множество частей после того, как были сфотографированы несколько десятилетий назад. Следовательно, они больше не существуют в своем первоначальном виде, так как были разрезаны для распределения по хранилищам и изменены для разрушающего анализа. Цифровая 3D-реконструкция делает их снова доступными для визуального исследования морфологии и текстуры. Таким образом, цифровая 3D-модель может рассматриваться как своего рода историческое сохранение образцов пород в исходном виде. Используя эту реконструкцию, мы можем в итоге получить физическую копию формы образцов пород с помощью 3D-принтера (рисунок 13 a, б). Ими также можно манипулировать в виртуальной реальности с помощью VR-гарнитуры или даже просматривать их в дополненной реальности с помощью мобильного телефона или планшета (рисунок 13 c, d).
Наше исследование показывает, что этот процесс может быть применен к старым архивным серебряным фотографиям при условии, что количество ракурсов достаточно велико для той или иной сложности формы образца. Этот подход дополняет более комплексную инициативу Astromaterials 3D, целью которой является объединение фотограмметрических моделей с данными рентгеновской компьютерной томографии, в частности для образцов, которые все еще доступны в первоначальном виде, для фотофиксации глубинных характеристик. В работе Блюменфельд и др. для реконструкции образца лунной породы 60639, привезенного в рамках миссии «Аполлон-16», использовалось до 240 изображений, снятых с шагом в 15 градусов на нескольких высотах. Очевидно, это более благоприятно, чем набор из 32 архивных изображений с разделением в 45°, доступный на сайте Лунно-планетного института по старым образцам в их первоначальном виде. Несмотря на это различие, мы делаем вывод, что процесс тем не менее осуществим в некоторых случаях с использованием набора старых изображений.
Рисунок 13: Цифровая 3D-модель (вверху слева) образца лунной породы 76215 в сравнении с его распечаткой на 3D-принтере в масштабе 1:1 (вверху справа). Цифровую 3D-модель также можно просматривать как в виртуальной реальности (внизу слева), так и в дополненной реальности (внизу справа) непосредственно на Sketchfab.
4.2 Размещение образцов лунных пород в их исходном положении и симуляция в виртуальной реальности
Цифровая трехмерная реконструкция позволяет разместить образцы лунных пород в их исходном положении и ориентации непосредственно на 3D-моделях самих валунов. Это может быть интересно для восстановления точной исходной ориентации образцов, чтобы исследовать, например, характеристики их покрытий. Некоторые образцы демонстрируют различную степень поверхностных изменений в зависимости от их подверженности бомбардировке микрометеоритами и частицами солнечного ветра. Рисунок 14 (вверху слева) соответствует снимкам Аполлона до (AS17-140-21411, на врезке) и после (AS17-140-21413) отбора образца 76015. Эти изображения «до и после» очень полезны для уточнения ориентации 3D-модели образца, которая показана в правом верхнем углу рисунка 14. В нижней части рисунка 14 показан прототип простой сцены, воссозданной в виртуальной реальности с использованием среды SteamVR Workshop. В то время как более сложные симуляции можно вычислить с помощью игровых движков, эта среда SteamVR предоставляет базовые функции, позволяющие простое виртуальное иммерсивное исследование в совместном режиме.
Мы создали простую демонстрационную сцену SteamVR, используя трехмерные модели валунов и камней, которые были интегрированы с орбитальными снимками Кагуя и ЛРО для создания общего контекста (дальнего горизонта). На рисунке 14 (нижняя часть) показана 3D-модель образца 76015, размещенная в правильном месте с правильной ориентацией на 3D-модели Валуна 5. Другой пример показан на рисунке 15, где 3D-модель образца 76275 помещена в исходное положение на 3D-модели Валуна 1. Пользователи с VR-гарнитурой потенциально могут свободно перемещаться по сцене в совместном режиме (т. е. несколько пользователей могут видеть друг друга в виде аватаров и напрямую обсуждать валуны) и в конечном итоге исследовать положение камней относительно их родительских валунов.
Такой опыт виртуальной реальности в целом позволяет пользователю лучше понять реальные размеры и характеристики геологических объектов. В более общем плане виртуальная реальность также может помочь лучше ощутить расстояния, которые трудно воспринимать на Луне (или Марсе) из-за отсутствия известных ориентиров и атмосферного рассеяния. Образцы можно исследовать в их реальном контексте. Это также обеспечивает простой способ изучения конкретного обнажения породы с любой желаемой точки обзора (независимо от исходных снимков). Это может быть особенно полезно для сравнения формы и внутренней структуры (например, магматической текстуры, трещин и т. д.) валунов с информацией, полученной из видео низкого разрешения, снятого с ракурса камеры лунного автомобиля во время отбора проб. В редких случаях применительно к Луне эта процедура может помочь в определении ориентации для палеомагнитных исследований.
Рисунок 14: Слева вверху исходные фотографии Аполлона до (врезка, AS17-140-21411) и после (AS17-140-21413) извлечения образца 76015. Справа вверху трехмерная модель образца 76015, созданная на основе лабораторных фотографий. Нижняя панель: симуляция Станции 6 в виртуальной реальности с интеграцией 3D-моделей. Для обеспечения контекста использовались орбитальные снимки. Точка обзора показывает Валуны 2–3, 4 и 5. Образец 76015 помещен в свое первоначальное положение и место на Валуне 5. Эта сцена доступна по адресу https://steamcommunity.com/sharedfiles/filedetails/?id=2676700770.
Рисунок 15: Крупный план трехмерной модели образца 76275 шириной 4,6 см, помещенного в исходное положение (на правых панелях) на 3D-модели Валуна 1 около Станции 6 (см. контекст на рисунке 2, красный прямоугольник). Цветовой баланс различается из-за разных условий освещения образца (в лаборатории) и валуна (на Луне).
4.3 Пример результатов: значение для изучения процессов космического выветривания
Образцы лунных пород были проанализированы на Земле, но их интерпретация с точки зрения первичного происхождения (магматические потоки, везикулы и т. д.) и процессов изменения (космическое выветривание, микрократерирование и т. д.) требует знания ориентации и положения этих образцов в обнажении породы.
Некоторые исследования ограничивались лишь качественным анализом цифровых снимков, выполненных астронавтами. Однако современные методы трехмерной реконструкции могут помочь обеспечить более точную локализацию и ориентацию пород в пределах обнажений.
Одним из возможных результатов такого 3D-моделирования является изучение процессов космического выветривания. На образце 76015 как минимум три различных участка поверхности демонстрируют разную степень формирования патины, что можно соотнести с исходным положением образца относительно различных уровней воздействия микрометеоритов и частиц солнечного ветра (рисунок 16). Верхняя сторона, обращенная к небу, наиболее подвержена эффектам космического выветривания, с хорошо развитой патиной и небольшими свежими ударными кратерами, которые выглядят как маленькие белые точки. Интересно, что моделирование в виртуальной реальности указывает на то, что одна из поверхностей образца 76015 была защищена от бомбардировки микрометеоритами и на ней образовалась толстая темная патина на стороне, которая, по-видимому, была защищена расщелиной. Данные конкретные условия могут являться определяющим фактором наблюдаемой разницы в степени поверхностных изменений по сравнению со свежей частью породы и сильно измененной верхней поверхностью. Толстая патина может быть результатом стеклянных брызг на противоположных поверхностях находящихся рядом валунов. Подобное непрерывное изменение толщины патины присутствует на стенке везикулы образца 76215.
Продолжается анализ вариаций толщины патины в зависимости от длительности воздействия, поскольку имеются предположения, что Валуны 4 и 5 откололись от Валуна 2 намного позже того, как родительский валун откатился на свое место примерно 20 миллионов лет назад. Детальное исследование также может определить, сформировались ли отдельные участки патины до того, как валун был отделен от коренной породы на Северном массиве. В таком случае были бы возможны ориентированные палеомагнитные измерения.
Рисунок 16: (а) Множественные 3D-виды образца 76015, показывающие три основных элемента: измененную поверхность с ударами микрометеоритов, темную патину без кратеров по краям и свежую светлую поверхность снизу. (б) Перспективный 3D-вид образца, помещенного на 3D-модель Валуна 5. Область толстой темной патины в нижней части образца приходится на расщелину. Патина могла образоваться в результате брызг стекла на противоположных поверхностях близлежащих валунов.
Знание трехмерной формы валунов также может быть полезно для моделирования условий освещения (теней) в зависимости от положения Солнца в течение лунных дней и для определения холодных ловушек. Образец реголита 76240 был собран под основанием северной стороны Валуна 4 в постоянно затененной области, тогда как образец реголита 76260 был собран в находящейся поблизости освещенной части грунта. Были отмечены различия в состояниях термолюминесценции между защищенными от Солнца и освещенными Солнцем образцами реголита, что позволяет различать роль, которую играют энергичные частицы солнечного ветра и внутренние альфа-частицы в процессах старения.
5 Заключение и перспективы
Мы выполнили реконструкцию валунов и образцов горных пород со Станции 6 миссии «Аполлон-17» с помощью методов фотограмметрии «структура из движения», используя в качестве исходных данных набор архивных отсканированных серебряных фотографий. Мы, в частности, показываем, что с помощью этого метода можно исследовать как валуны, задокументированные в полевых условиях, так и образцы лунных пород, отснятые в лаборатории.
Процесс реконструкции прошел успешно, несмотря на использование отсканированных серебряных пленок вместо снимков цифровой камеры, как это обычно происходит при фотограмметрии в наши дни. Это стало возможным благодаря операционной стратегии, применяемой астронавтами, которые документировали обнажения горных пород, делая стереоскопические снимки до и после отбора проб, чаще всего со значительным перекрытием между снимками.
Валуны Станции 6 были реконструированы с использованием всех доступных изображений, представляющих набор из 154 выровненных снимков Аполлона. Четыре из шести камней, извлеченных из этих валунов, также были реконструированы в 3D с использованием наборов из 32 архивных изображений из Лунно-планетного института по каждому из образцов. Цифровые 3D-модели лунных валунов и образцов пород могут служить как для научного анализа, так и для целей образования и популяризации науки. Они также играют роль в сохранении культурного наследия. Действительно, некоторые образцы лунных пород были распилены на множество частей для анализа и больше не существуют в своем первоначальном виде.
Трехмерная цифровая реконструкция, полученная из архивных стереоскопических изображений, делает их снова потенциально доступными для визуального исследования. Процесс, проиллюстрированный в этом исследовании, может быть обобщен для изучения других образцов, хранящихся в Лунно-планетном институте, с учетом наличия 16 стереоскопических пар. Для образцов лунных пород, которые доступны на сегодняшний день, желательно использовать большее количество изображений для получения более точного трехмерного сканирования. Блюменфельд использовал 240 изображений для одного образца с Аполлона-16.
По результатам лабораторных экспериментов можно дать эмпирическую рекомендацию: делать снимки образца на вращающейся платформе с шагом ~15° по горизонтали, выполняя при каждом шаге как боковой снимок, так и снимок под углом ~45°, и повторять этот процесс как минимум в 2–3 различных ортогональных положениях породы для получения изображений с обеих сторон. Фотограмметрическая реконструкция также может быть проведена в других местах посадки. На Станции 6 новые фотограмметрические исследования могут быть проведены в будущем для дальнейшей оценки преимуществ использования различной калибровки двух камер в фотограмметрической обработке этого конкретного набора данных, а также с использованием возможных дополнительных уточнений, полученных по результатам исследований в сверхвысоком разрешении орторектифицированных снимков, сделанных узкоугольной камерой ЛРО. Аналогично, могут быть протестированы другие фотограмметрические цепочки, такие как Reality Capture, чтобы сравнить результаты с полученными в Agisoft Metashape.
В ближайшие годы планируется несколько роботизированных и даже пилотируемых миссий на Луну. Представляет большой интерес получение изображений особенностей лунной поверхности с разных точек обзора и с достаточным перекрытием между снимками во время этих миссий для более систематической 3D-реконструкции исследуемой среды, что позволит создавать симуляции в виртуальной или дополненной реальности. Такая визуализация в дополненной/виртуальной реальности будет полезна для поддержки операций на лунной поверхности и может служить основой для дальнейших научных исследований, образовательных и просветительских мероприятий. Новые образцы, которые будут доставлены в результате этих миссий, также могут быть систематически отсканированы в формате 3D с использованием фотограмметрии для документирования их в первозданном виде и возможного упрощения предоставления к ним доступа, а также их сохранения перед изменениями, необходимыми в ходе разрушающего анализа.
Ссылки на источники, используемые в статье, были удалены. Библиография доступна в оригинальной публикации.
Авторы статьи: С. Ле Муэлик (LPG, UMR CNRS 6112, Университет Нанта, Университет Анже, Университет Ле-Мана, Франция), М. Геннегес (LPG, UMR CNRS 6112, Университет Нанта, Университет Анже, Университет Ле-Мана, Франция), Х. Х. Шмитт (Кафедра инженерной физики, Висконсинский университет в Мэдисоне, п/я 90730, Альбукерке, Нью-Мексико 87199, США), Л. Маке (LPG, UMR CNRS 6112, Университет Нанта, Университет Анже, Университет Ле-Мана, Франция), Н. Мангольд (LPG, UMR CNRS 6112, Университет Нанта, Университет Анже, Университет Ле-Мана, Франция), Г. Каравака (IRAP, UMR 5277 CNES, UPS, CNRS, Тулуза, Франция), Б. Сеньовер (Обсерватория наук о Вселенной (OSUNA), Нант, Франция), Э. Ле Менн (LPG, UMR CNRS 6112, Университет Нанта, Университет Анже, Университет Ле-Мана, Франция), Л. Лента (LPG, UMR CNRS 6112, Университет Нанта, Университет Анже, Университет Ле-Мана, Франция).
Статья — перевод оригинальной публикации из научного журнала Planetary and space science (2023).
Источник фото для обложки: flickr.com