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Panoramafotografie auf dem Mars

Es geht weiter mit den Weltraumwochen bei DOCMA … Der Mars-Rover Perseverance hat mittlerweile zwei Panoramen seines Landeplatzes auf der Mars-Oberfläche aufgenommen – Panoramafotografie auf dem Mars.

Panoramafotografie auf dem Mars
Perseverance während des Abstiegs zur Mars-Oberfläche: Oben der Sky Crane mit seinen Bremstriebwerken, von einer Kamera des Rovers gesehen, unten der Rover aus der Perspektive des Sky Crane. (Bilder: NASA/JPL)

Fangen wir mit einer Richtigstellung an: Letzte Woche hatte ich irrtümlich behauptet, die beiden Mastcam-Z-Kameras des Mars-Rovers hätten eine kleinbildäquivalente Brennweite von 28 bis 100 mm. Tatsächlich ist dies jedoch der reale Zoombereich; umgerechnet auf das Kleinbildformat wären die Brennweiten rund dreimal länger, denn die Sensoren der Kameras sind ja nur knapp 12 Millimeter breit. Die Objektive sind also Telezooms, und das ist gerade im Zusammenhang mit den Panorama-Aufnahmen nicht ganz unwichtig.

Wie schon erwähnt steht das „Z“ in „Mastcam-Z“ für „Zoom“ – die früheren (und teilweise bis heute aktiven) Mars-Rover haben Kameras mit Festbrennweiten. Neu ist auch, dass Perseverance’ Mastcam aus zwei identischen Kameras besteht. Stereokameras gab es auch früher schon, nur hatten sie unterschiedliche Brennweiten, was den Wechsel der Vergrößerung erlaubte, aber die Erzeugung von 3D-Bildern erschwerte. Da nun jede Kamera die Brennweite ändern kann, sprach nichts mehr dagegen, beide identisch zu konstruieren. Die Stereobasis ist etwa dreimal so groß wie die unserer Augen, was eine genauere Messung von Entfernungen anhand der Parallaxverschiebung möglich macht.

Wer mit der aktuellen Kameratechnik vertraut ist, wundert sich, dass die Kameras von Raumsonden oft eine relativ geringe Auflösung haben – die CCDs der Mastcam-Z-Kameras lösen nur 1,9 Megapixel auf. (Perseverance verfügt über weitere Kameras mit Sensoren von Cmosis und Teledyne, die teilweise eine höhere Auflösung bis zu 20 Megapixeln haben.) Die vom Rover gesammelten Bilddaten müssen ja auch noch zur Erde übertragen werden, und diese Verbindung ist recht schmalbandig – man muss sich das wie das Internet der 90er Jahre vorstellen, als man geduldig wartete, bis sich die Bilder auf Webseiten im Browser aufgebaut hatten. Perseverance schickt seine Daten auch nicht direkt zur Erde, sondern nutzt die den Mars umkreisenden NASA-Raumsonden MRO und MAVEN sowie den Trace Gas Orbiter (TGO) der ESA als Relaystationen. Vergleichsweise niedrig auflösende Kameras verkürzen die Zeit, bis die Bodenstation ein vollständiges Bild sieht.

Wenn hochaufgelöste Bilder gefragt sind, nutzt Perseverance (wie schon Curiosity und andere, ältere Marssonden) die Brenizer-Technik: Die auf einer Art Panoramakopf montierten Kameras tasten mit langbrennweitigen Objektiven die Umgebung ab, und aus den teilweise überlappenden Einzelbildern wird ein Panorama berechnet. Für das erste Panorama mit 427,5 Megapixeln wurden 142 Einzelbilder verrechnet. Die Aufnahmen entstanden mit der kürzesten Brennweite des Zooms, aber schon diese erfasst einen relativ kleinen Bildwinkel von 23 mal 18 Grad, was einem typischen Porträt-Tele entspricht.

Panoramafotografie auf dem Mars
Panoramafotografie auf dem Mars: Das erste mit der Mastcam-Z des Mars-Rovers aufgenommene 360-Grad-Panorama der Landestelle. (Bild: NASA/JPL)

Das Panoramabild können Sie in voller Auflösung von der NASA-Website herunterladen, aber es dient natürlich nicht nur dazu, den US-amerikanischen Steuerzahler, der dieses Projekt finanziert, zu beeindrucken und damit vom Nutzen der Mission zu überzeugen. Vielmehr will die NASA so die Landestelle besser kennenlernen und auf dieser Basis die weitere Aktivität von Perseverance planen. Für das Panorama waren Tausende von Steuerbefehlen nötig, die das Kontrollzentrum sicherheitshalber schon zwei Wochen vor der Landung übertragen hatte – wären irgendwelche Kommunikationsprobleme aufgetreten, hätte Perseverance auch ohne weitere Anweisung gewusst, was nach der Landung zu tun war. Dabei half eine spezielle Software, mit der sich die Bewegungen der Mastcam-Z und ihres jeweils erfassten Bildfelds simulieren ließen.

Panoramafotografie auf dem Mars
Panoramafotografie auf dem Mars: Die überlappenden Einzelbilder, aus denen sich das Panorama zusammensetzt. (Bild: NASA/JPL)

Für das Stitching der Einzelbilder zum Panorama nutzen NASA beziehungsweise das Jet Propulsion Laboratory (JPL), die den Rover und seine Instrumente weitgehend entwickelt haben, ebenfalls eine eigens für diesen Zweck entwickelte Software. Für andere Aufgaben der Bildbearbeitung kommt jedoch auch Photoshop zum Einsatz.

Da dieses erste Panorama mit der kürzesten verfügbaren Brennweite entstanden war, konnte es noch nicht die Grenze des Auflösungsvermögens der Mastcam-Z demonstrieren. Mit der längsten Brennweite hat die Kamera danach noch einmal den Horizont abgetastet, woraus sich ein Bild mit knapp 100 Megapixeln stitchen ließ. Dieses Panorama ist kleiner als das erste, da es nur eine Zeile von Bildern enthält, während für das erste Panorama mehrere Zeilen mit unterschiedlichem vertikalen Blickwinkel aufgenommen wurden, so dass auch der Rover selbst im Bild erschien.

Ein (sehr kleiner) Ausschnitt des zweiten von Perseverance aufgeommenen Panoramas zeigt weit entfernte Motive in hoher Auflösung. (Bild: NASA/JPL)
Millionen von Namen, darunter auch meiner, wurden in Chips geätzt, die mit Perseverance zum Mars geflogen sind. Auch wenn man derzeit noch nicht selbst zum Mars reisen kann – einen Boarding Pass stellt die NASA schon mal aus.
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Michael J. Hußmann

Michael J. Hußmann gilt als führender Experte für die Technik von Kameras und Objektiven im deutschsprachigen Raum. Er hat Informatik und Linguistik studiert und für einige Jahre als Wissenschaftler im Bereich der Künstlichen Intelligenz gearbeitet.

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