火星攝影師
——祝融號火星車巡視探測拍攝紀(jì)實

張?zhí)煲?田鶴 南山（北京空間飛行器總體設(shè)計部）

1 引言

天問一號火星探測任務(wù)的工程目標(biāo)已經(jīng)圓滿實現(xiàn)，祝融號火星車正在這顆紅色星球的表面開展巡視探測，已經(jīng)傳回大量圖片和其他科學(xué)探測數(shù)據(jù)。

利用火星車拍攝的圖片，既可以開展火星表面地形地貌研究，也可以用于確定火星車探測的目標(biāo)，規(guī)劃火星車行駛的路線，還可以為工程留下重要的圖片、視頻資料。為了精心設(shè)計拍攝這些圖片時的構(gòu)圖，以及選擇相機(jī)的曝光參數(shù)，火星車的地面操作控制人員被培養(yǎng)成了火星攝影師。

火星車上共安裝了9臺相機(jī)，它們是：一對導(dǎo)航地形相機(jī)、一臺多光譜相機(jī)、4臺避障相機(jī)，以及兩臺相機(jī)集成的WiFi分離探頭。

桅桿云臺上的導(dǎo)航地形相機(jī)(位于兩側(cè))和多光譜相機(jī)(位于中間)

2 導(dǎo)航地形相機(jī)

兩臺導(dǎo)航地形相機(jī)安裝在祝融號火星車桅桿的頂端左右兩側(cè)，站得高則看得遠(yuǎn)，這一對相機(jī)對火星車而言十分重要，相機(jī)的視場大致是46o×46o。

拍攝了周圍地形圖像之后，利用兩臺相機(jī)的視差，可以恢復(fù)出火星車周邊的立體地形圖，既可以服務(wù)火星車行駛所需要的路徑選擇，也可以用于開展地形地貌方面的科學(xué)研究。

著陸之后，為了盡快確定火星車周圍的地形信息，地面安排火星車的第一個任務(wù)，就是利用這一對相機(jī)拍攝著陸平臺周圍的情況。第一圈拍攝的是平臺附近的一圈，看到圖像之后設(shè)計師們很興奮，開始規(guī)劃未來一段時間火星車的行駛計劃，同時還覺得不過癮，決定第二天在桅桿云臺抬起來一些的位置，拍攝包括地平線的著陸平臺周圍的環(huán)境。這兩圈圖像各幅圖片之間均有重疊，經(jīng)過地面處理，就可以形成著陸點周圍壯觀的火星地貌全景。

等到火星車在火星表面工作一段時間之后，設(shè)計師會想知道太陽翼電池片上沉積了多少火星塵土，在火星車頂部的兩個集熱窗上又積累了多少火星塵土，這與火星車的能量供應(yīng)情況密切相關(guān)，十分重要。把桅桿云臺的指向角度再放低些，就可以看到火星車的車體頂部，把圖片與剛到火星表面的圖像對比，設(shè)計師就可以了解個大致。導(dǎo)航地形相機(jī)是彩色成像的，公開的彩色照片一般都是由這兩臺相機(jī)拍攝的。

導(dǎo)航地形相機(jī)拍攝的火星車頂板狀態(tài)

導(dǎo)航地形相機(jī)拍攝的火星表面（右上角是背罩和降落傘）

導(dǎo)航地形相機(jī)拍攝的著陸區(qū)全貌

3 多光譜相機(jī)

桅桿中央的相機(jī)是一臺多光譜相機(jī)，針對可見光譜段中與礦物成分判斷密切相關(guān)的8個譜段，設(shè)計了只能透過窄帶光譜能量的8個濾光片，有點像是左輪手槍，一次可以選擇一個譜段進(jìn)行拍照，也可以根據(jù)對巡視區(qū)域礦物成分的初步判斷，進(jìn)行部分譜段的拍攝，還可以8個譜段均照。實際上,這個左輪手槍共有9個檔位，也就是說,在8個單色檔位之外，還有1個特殊的第9檔位，這個檔位是個全色檔，所有顏色的光均會透過，不過光強(qiáng)已經(jīng)大大減少了，這就是利用了天體拍攝愛好者熟悉的所謂巴德膜減光功能。之所以安排第9檔位，目的是為了拍攝太陽，這不是為了去參加攝影比賽，而是為了在火星車遇到確定方向的敏感器出現(xiàn)問題，或者其他無法確定火星車航向的復(fù)雜局面時，利用太陽辨識方向，這與荒野求生時利用太陽確定方向的原理是一樣的。

目前，多光譜相機(jī)已經(jīng)開始工作，進(jìn)行了巖石礦物成分分析，但是第9檔位拍攝太陽的功能還沒有使用。

上述導(dǎo)航地形相機(jī)和多光譜相機(jī)均兼顧了工程與科學(xué)兩方面的需求，不過側(cè)重程度不同。

4 避障相機(jī)

火星車的車體前方、后方各有一對避障相機(jī)，這4臺相機(jī)的視場很大，大致是100o×100o，四角會有比較大的變形，主要功能是判斷車體前后方附近是否有障礙，利用安裝在不同位置的一對相機(jī)在拍攝時產(chǎn)生的視差進(jìn)行地形恢復(fù)。當(dāng)年設(shè)計玉兔月球車時只有前避障相機(jī)，考慮到火星地形復(fù)雜，火星車設(shè)計時特意增加了后避障相機(jī)，目的就是要盡全力確保火星車的行駛安全。避障相機(jī)是黑白成像的，照片的四角會有比較明顯的變形。

后避障相機(jī)圖片顯示火星車已經(jīng)行駛到火星表面

5 WiFi分離探頭

火星車上還有兩臺相機(jī)，集成在一起叫做WiFi分離探頭。它安裝在車體底部，工作的時候，從車體掉落到火星表面，設(shè)備開始工作，兩臺相機(jī)進(jìn)入靜態(tài)和動態(tài)拍攝模式，可以獲得若干張圖片和動態(tài)視頻。

設(shè)計這臺設(shè)備的目的是增加工程展示度。因為火星車在火星表面工作，雖然可以自拍，但是照片的視角不好，只能獲得火星車的頂視圖，無法展示火星車在火星表面工作時的自然視角圖片。相關(guān)人員提出能不能想個辦法，拍一張火星車的火面工作照，為此，設(shè)計師絞盡腦汁提出了分離探頭方案。

火面工作的第18天，探頭與火星車車體分離，落到火星表面上，探頭開始拍照?；鹦擒嚵⒓醋鲂┡浜蟿幼鳎仁呛笸藥酌?，到達(dá)拍攝最佳位置，獲得幾張火星車的標(biāo)準(zhǔn)照。隨后火星車原地轉(zhuǎn)向，再繼續(xù)后退，到達(dá)火星車與著陸平臺合影位置。

這個探頭自帶電池，只能工作幾個小時，然后就完成了它的使命。兩臺相機(jī)中，一臺是航天產(chǎn)品，視場是方形；另外一臺相機(jī)的元器件等級偏低，視場是長方形的。兩臺相機(jī)均正常工作，獲得了一批靜態(tài)圖片和一段視頻，拍攝效果不錯，設(shè)計師看到從火星傳來的合影圖片，發(fā)出了一陣驚呼聲。

稍有遺憾的事情是，相機(jī)落到火星表面時，其面對的方向偏轉(zhuǎn)了10o左右，導(dǎo)致拍攝的圖片中，右側(cè)的平臺梯子沒有進(jìn)入視場，左側(cè)的留白有點多。設(shè)計師分析原因，猜想相機(jī)右側(cè)可能有個小石子，相機(jī)正好碰到它，因此鏡頭方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。利用火星車的導(dǎo)航地形相機(jī)對分離探頭進(jìn)行拍攝，想找到這塊小石頭，結(jié)果什么也沒有發(fā)現(xiàn)，為什么發(fā)生這個10o的左轉(zhuǎn)，可能要成為千古之謎了?？墒?，也有人認(rèn)為現(xiàn)在的構(gòu)圖剛剛好，看來大家對最美構(gòu)圖的理解并不一致。

WiFi分離探頭拍攝的火星車與著陸平臺合影

6 著陸平臺拍攝

導(dǎo)航地形一般的拍攝場景使用自動曝光方式就可以了，圖像質(zhì)量效果一般都不錯，但是在拍攝著陸平臺時，遇到了困難。照片中火星表面和著陸平臺的成像效果都不錯，只是梯子金屬表面反光嚴(yán)重，有些過曝。由于上方“屋檐”的陰影影響，平臺上的國旗的曝光有些不足。

大家討論時提出各種建議，曝光參數(shù)選多少合適，在什么時間拍攝國旗亮度均勻，火星車行駛到什么位置拍攝合適，需要拍攝幾張照片才能把著陸平臺全部收入取景框……集思廣益之后，最終任務(wù)交給了火星車的系統(tǒng)設(shè)計師。設(shè)計師分析火星星歷，得出結(jié)論，在火星表面10點37分之后拍攝，就不會出現(xiàn)國旗表面存在明暗差異，全部處于平臺結(jié)構(gòu)板的陰影中。而在火面的7點之前拍攝，國旗則會完全處于陽光照射之下，可是這時候拍攝對火星車的要求太高了，陽光從東方地平線照來，火星表面溫度很低，火星車機(jī)構(gòu)的溫度也很低，拍攝前需要對機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱，最后決定放棄在早晨這個時間段拍攝。

為了提亮拍攝目標(biāo)，曝光時間需要增加。火星車的導(dǎo)航地形相機(jī)不能調(diào)整光圈大小，只能調(diào)整曝光時間的長短。已經(jīng)獲得的照片的曝光時間是6.3ms，測量照片中目標(biāo)的灰度值是50左右，為了使特定目標(biāo)的曝光合適，需要把灰度值提高到100左右。

經(jīng)過分析，設(shè)計人員決定選擇3組曝光參數(shù)，第一組仍然是自動曝光，第二組左右導(dǎo)航相機(jī)的曝光時間都選擇為10ms，最后一組的曝光時間都是15ms。每組照片是相互搭接的3張照片，通過地面處理就形成了著陸平臺壯觀的完整照片。

第二天，拍攝的照片傳回。第一組照片的整體效果不錯，國旗還是偏暗。接著第二組照片傳來，國旗處的灰度值達(dá)到了80，著陸平臺整體效果也不錯。第三組照片中，國旗部分很鮮亮，灰度值達(dá)到了112，但是平臺及天空背景過曝嚴(yán)重。大家仔細(xì)分析了照片，確認(rèn)拍攝任務(wù)完成，經(jīng)過地面幾何校正和輻射校正，拼接后，利用不同時間拍攝的3張圖片經(jīng)過復(fù)雜的高動態(tài)范圍圖像（HDR）處理，形成了媒體公布的著陸平臺的漂亮圖片。

7 結(jié)語

就這樣，火星攝影師的任務(wù)完成了。講述這些火星表面圖片拍攝的過程，就是想為祝融號火星車的研制工作，以及這些火星攝影師們，留下一個剪影。