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Mars 2020: Mastcam-Z il futuro imaging su Marte

Modello 3D della Mastcam-Z
Modello 3D della Mastcam-Z

La Mastcam-Z, il sistema di imaging evoluto che fa parte dei sette strumenti selezionati per la missione Mars 2020, sta prendendo forma in questi giorni.

La fotocamera è ancora lontana dalla fase di realizzazione ma ha passato un'importante pietra miliare nell'iter progettuale: la Preliminary Design Review (PDR).

La Mastcam-Z erediterà molte caratteristiche della Mastcam di Curiosity che, secondo il team, sta lavorando bene su Marte.
Su questo punto, però, vorrei aprire una parentesi personale.

La Mastcam di Curiosity è la prima fotocamera Bayer CCD inviata sulla superficie di Marte, del tutto simile a quelle comuni in commercio.
Utilizza un modello Bayer, cioè un sensore con un particolare schema nella disposizione degli elementi sensibili ai colori. Il colore risultate viene ottenuto tramite una sintesi additiva RGB. In teoria, questo dovrebbe garantire informazioni cromatiche più ricche e una visione dell'ambiente realistica, con tutti i vantaggi della sensibilità digitale contro le limitazioni e la soggettività della vista umana. Eppure, guardando queste suggestive immagini marziane, ho spesso nostalgia del buon vecchio metodo a filtri.
Missioni precedenti, infatti, hanno utilizzato fotocamere dotate di ruota porta-filtri: la PanCam di Opportunity sta ancora lavorando su Marte con questo sistema. Anche le Mastcam di Curiosity hanno otto filtri, oltre al bayer, ma vengono utilizzati solo per particolari osservazioni.
Per ottenere un'immagine a colori, in questo caso, la fotocamera deve scattare diverse foto della stessa scena con almeno tre filtri, che possono essere centrati su lunghezze d'onda dall'infrarosso al vicino ultravioletto. Sovrapponendoli, si ottiene l'immagine a colori: quando sono disponibili il rosso, il verde e il blu, il risultato finale è piuttosto simile ai "colori reali", cioè a quelli che il nostro occhio è in grado di percepire. Chiaramente questo metodo ha dei vantaggi perché permette di concentrarsi su lunghezze d'onda specifiche, trasformandosi in un utile strumento di indagine geologica, ma allo stesso tempo ha delle limitazioni nella gamma cromatica e svantaggi dovuti al fatto che il prodotto finale è frutto della combinazione di più frame, somma dei loro pregi ma anche dei loro difetti. Tuttavia, in molte occasioni, il Bayer CCD risulta ancor meno efficace con le immagini della Mastcam che soffrono di una fastidiosa "pixellatura" verde dall'inizio della missione. Questo artefatto è legato alla compressione applicata a monte per ridurre la mole di dati spedita a Terra (che si somma alla compressione del formato jpg con cui vengono rilasciate le immagini nel catalogo ufficiale) e ad una predominanza di verdi nella matrice Bayer che sembrano "illuminarsi" in eccesso. Un difetto che, allo stato attuale, è quasi impossibile eliminare o attenuare. Così, spero che per la Mastcam-Z verrà presa in esame anche una revisione degli algoritmi di compressione e debayerizzazione.

In origine, la Mastcam di Curiosity doveva essere una fotocamera stereo a colori con capacità di zoom 9:1.
A seguito di varie revisioni e tagli di budget, la messa a fuoco e lo zoom vennero eliminati a favore di due fotocamere con focali fisse, una da 34 e l'altra da 100 millimetri.
In ogni caso, un prototipo con zoom era stato realizzato, utilizzando lo stesso sistema di messa a fuoco del MAHLI ma i risultati non sembravano soddisfacenti. Così, a causa di una riduzione di fondi, del poco tempo a disposizione e dei test negativi, Curiosity partì per Marte senza zoom.

Ora, però, la Mastcam-Z è una nuova opportunità per riproporre l'idea e portare su Marte un sistema di telecamere stereo a colori con capacità di zoom e filtri accuratamente selezionati per studi geologici, qualcosa che nessuna missione ha mai avuto prima.

La testa della fotocamera, compreso il CCD, sarà identica a quella di Curiosity tranne che per l'utilizzo di filtri rettangolari anziché circolari. L'elettronica sarà quasi identica ma con un processore aggiornato (lo stesso che verrà utilizzato nella missione Osiris-Rex).
La differenza principale sarà proprio nel meccanismo di messa a fuoco e zoom. Tuttavia, viste le prove già effettuate per Curiosity, ora si sta progettando un primo modello semplificato con soli due gruppi di lenti in movimento ed uno zoom limitato 3:1 esteso dai 34 ai 100 millimetri, come le due focali fisse di Curiosity. Il modello non sarà pronto prima di agosto 2017 e dovrà convincere la commissione. Ma cosa accadrà se il test non dovesse riuscire? Il team ha un piano di riserva che ripiegherà nuovamente sulla focale fissa.

Mastcam-Z con zoom

Ma la strada è ancora lunga.
Attorno all'idea dello zoom ci sono anche altre questioni in ballo, come il fatto che il design attuale prevede una posizione di blocco delle ottiche, quando la fotocamera non è in uso o ad esempio, durante la fase di atterraggio per prevenire urti, che non sarebbe utile ai fini dell'imaging. In tal modo, se qualcosa dovesse fallire, la fotocamera resterebbe inutilizzabile. Un punto progettuale che andrà assolutamente rivisto.

 

Riferimenti:
- http://science.nasa.gov/media/medialibrary/2015/11/03/Mars2020_PSS_Farley_Tahu.pdf
- http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/2015/11230700-mastcam-z-pdr.html

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Elisabetta Bonora

Sono una image processor e science blogger appassionata di astronomia, spazio, fisica e tecnologia, affascinata fin da bambina dal passato e dal futuro.
Dal 2009 elaboro le immagini raw delle missioni spaziali insieme a Marco Faccin ed ho creato questo blog ad agosto 2012, in occasione dello sbarco del rover Curiosity su Marte.
Per lavoro mi occupo di digital advertising, web e video analytics presso Shiny (SV – Italia) ma passo la maggior parte del tempo libero su questo sito e tra i cataloghi delle foto scattate dalle sonde e dai rover inviati nel nostro Sistema Solare "per esplorare nuovi mondi, alla ricerca di nuove forme di vita, per arrivare là dove nessuno è mai giunto prima!" ...Ovviamente, è chiaro, sono una fan di Star Trek!

Sito web: https://twitter.com/EliBonora
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