Apollo-11: egy filmfelvétel átalakulása felszínmodellé
(Rovat: Hazai kutatóhelyek és űripar, Az Apollo holdprogram , Távoli világok kutatói - 2023.07.16 06:15.)

Bár eredetileg csak a küldetés utólagos kiértékeléséhez akarták felhasználni, az Apollo-11 holdraszállása során készült filmfelvétel új életre kelt.

A modern fotogrammetria eszközei segítségével elő lehetett állítani a leereszkedési útvonal környezetének nagy felbontású fototérképét és felszínmodelljét. Az első holdraszállást végrehajtó Apollo-11 indításának 54. évfordulója alkalmából Pusztai Henrik Antal egyetemi hallgató és témavezetője, Molnár Gábor (Óbudai Egyetem Alba Regia Műszaki Kar, Székesfehérvár) írását közöljük.

A holdraszállások képi anyagának vitathatatlan sztárjai a Hasselblad kamerák kockaformátumú képei és az első holdralépés tévéközvetítésének videóátiratai. Kevésbé ismert, hogy a holdkomp fedélzetén működött egy felvevő kamera, amely az ablakon kitekintve folyamatosan filmezte a leszállás során a Hold felszínét. Ennek a filmre vett mozgóképi anyagnak a NASA által digitalizált változata az interneten elérhető. A digitalizált felvételt képkockákra bontottuk, és a Hold felszínét ábrázoló képkockákat a drónos légifelvételek feldolgozására kifejlesztett szoftverrel feldolgoztuk. A feldolgozás eredményeként a területet függőlegesen felülről ábrázoló képet (ortofotót) és az leképezett terület nagy felbontású felszínmodelljét kaptuk meg. Az ortofotóhoz és felszínmodellhez a leszállási területet ábrázoló Lunar Reconnaissance Orbiter felvétel felhasználásával rendeltünk földrajzi (holdrajzi) koordinátákat. A kapott eredmény a holdfelszín egy kis darabjának az 1969-es állapotát mutató igen részletes felszínmodellje, ami lehetővé teszi az azóta történt esetleges változások (meteorbecsapódás, kőzetaprózódás) kimutatását.

Az Apollo-11 holdkomp ablakában egy kis filmfelvevő kamera helyezkedett el, amely a leszállás alatt vette az ablakból látható holdfelszínt. Az emberes űrutazások dokumentálására és utólagos kiértékelésére kifejlesztett 16 mm-es Maurer DAC (Data Acquisition Camera) kamerát a NASA már több korábbi küldetésen is kipróbálta. A filmfelvevő kamerára azért volt szükség, mert a kor technikai színvonalán sem a Földre történő folyamatos képtovábbítás (tévéközvetítés,) sem pedig a folyamatos fedélzeti képrögzítés (videómagnó) nem volt megoldható. A könnyen cserélhető filmkazetta 130 láb hosszú színes filmet tartalmazott, amelyre a szokásos 24 kép/mp felvételi sebességgel mindössze három perces anyagot lehetett rögzíteni. A kamerán beállítható volt a felvételezés gyakorisága: a holdraszállást 6 kép/mp gyakorisággal vették fel, így egy filmtekercsre felfért a landolás több mint tíz perces utolsó fázisa. A kamera a washingtoni Nemzeti Repülési és Űrkutatási Múzeumban tekinthető meg.

A bal oldalon látható a holdkomp ablakából készült filmfelvétel egy képkockája, a jobb oldalon az Agisoft Metashape programban alkalmazott maszk, amely kizárja az elemzésből a holdkomp ablakának keretét és a képbe belógó antennát

A küldetés során készült filmanyagot digitalizálták, majd többféle videóformátumban is elérhetővé tették a NASA honlapján. A leszállás során a holdkomp ablakából a felszínt ábrázoló videóanyagot képkockákra bontottuk, és a képkockákat a drónokkal készített légi felvételek feldolgozásához használt Agisoft Metashape programmal dolgoztuk fel. A Metashape program a képkockákból létrehozza a leképezett holdfelszín felszínmodelljét, amihez a sztereoszkopikus hatást használja fel, amelyen az emberi térlátás alapul.

Az emberi térlátás azon alapul, hogy a két szem kissé más pontból nézi a környezetet, ezért a két szemünkkel látott kép nem tökéletesen azonos, és agyunk a két kép különbségéből határozza meg a tárgyak távolságát. A jelenséget úgy modellezhetjük, hogy egy mobiltelefonnal két képet készítünk, ügyelve arra, hogy közben azonos irányba tartsuk a telefont, miközben a két kép készítése között néhány centiméterrel oldalra elmozdítjuk a kamerát. Ha a két képet egy képfeldolgozó programban egymásra másoljuk, és a felső képet részben áttetszővé tesszük, azt tapasztaljuk, hogy a két kép nem hozható tökéletesen fedésbe, oldalirányban „szellemképes” lesz az eredmény. Geometriai összefüggésekkel igazolható, hogy a közelebbi tárgyakon ez az szellemkép nagyobb, mint a távolabbi tárgyakon, így az eltolódás nagyságából ki lehet számolni a tárgy távolságát. (A csillagászatban parallaxisnak nevezik ugyanezt a jelenséget.)

Mivel a holdkomp mozgása miatt az egymást követő képkockák különböző helyről készültek, ezért a képkockák között is fellép a sztereoszkopikus hatás. A Metashape program az egymást követő képekből képpárokat képez, és képpáronként összetartozó képrészleteket keres, amelyekre kiszámolja az oldaleltolódás mértékét. Azért, hogy az illesztési eljárás során során csak a Hold felszínén levő képrészleteket vegye figyelembe, a képeken a holdkomp ablakának keretét vagy a képbe belógó antennát egy maszk segítségével kitakartuk. A Hold felszínén azonosítható képrészlet lehet mondjuk egy kráter peremén a kráter saját magára vetett árnyékának végpontja, vagy egy apró kő a felszínen. A program minden olyan képrészletre, amelyet a képpár mindkét képén tudott azonosítani, kiszámolja az adott pont (képrészlet) háromdimenziós koordinátáit. Miután a műveletet képpáronként elvégzi a program, a kapott háromdimenziós pontokat egymáshoz illeszti, és ezzel megkapjuk a holdfelszínre illeszkedő pontfelhőt.

A program a pontfelhőre egy háromszöghálót illeszt, ezzel egy felületet hoz létre, ez a felszínmodell. Erre a felületre visszavetíti a képkockák képi tartalmát, majd létrehoz egy képet, amely olyan, mintha függőlegesen fentről készítettünk volna felvételt a felszínről. Ez az ortofotó, amely mentes az oldalra nézés és a domborzat torzító hatásától.

A képkockákból képzett egyik képcsoport automatikus feldolgozásának eredményeként kapott felszínmodellre vetített ortofotó perspektivikus képe. A modellekből georeferálás segítségével lehetett a létrehozni az ortofotó- és felszínmodell-mozaikot

A felszínmodellt és az ortofotót automatikusan elkészíti a program, de minthogy nem tudjuk, hogy a képek készítésekor pontosan hol tartózkodott a holdkomp, így a kapott felszínmodellt és ortofotót utólag kell hozzáilleszteni a holdfelszínhez. Az illesztéshez a QGIS térinformatikai programot és a Lunar Reconnaissainc Orbiter (LRO) felvételét használtuk.

A közösségi finanszírozással fejlesztett QuantumGIS (QGIS) nyílt forráskódú térinformatikai program a legtöbb adatformátumot és a programmal a térinformatikában használt szokásos műveleteket ismeri, így például űrfelvételek térképi vetületbe transzformálását is el lehet végezni vele.

Az LRO a Hold körül keringő űreszköz, amelyet 2009-ben bocsátottak fel, és keskeny látószögű kamerája fél méteres pixelméretű képeket készít a Hold felszínéről. A NASA honlapjáról letöltött LRO felvételekhez kiegészítő adatként megadják a sarokpontoknak a Holdon definiált vetületi rendszerben levő koordinátáit, így az LRO felvételek térhelyesen beolvashatók a felhasznált térinformatikai programba.

A térmodellt és az ortofotót az LRO felvételen is azonosított tereptárgyak segítségévél transzformáltuk az LRO felvétel vetületi rendszerébe. Az eljárás bevett neve „georeferálás”, azonban itt inkább „lunoreferálás” vagy „szelenoreferálás” lenne a helyes megnevezés… Technikai okokból nem lehetett valamennyi képkockát egyetlen folyamatban feldolgozni, ezért összességében 17 képcsoportban történt a feldolgozás, az ortofotó és a térmodell előállítása. Ezekből az ortofotókból a georeferálással létrejött ortofotó-mozaikot mutatja az alábbi ábra.

Az Apollo-11 leszállása közben készült filmfelvétel feldolgozásának eredményéül kapott ortofotó-mozaik, háttérben a georeferáláshoz felhasznált LRO felvétel. A kép bal oldalán (nyugati felén) van a leszállási hely. A keleti irányból ereszkedő holdkomp ablakából nagy terület látszódott kis felbontásban, majd nyugat felé haladva, egyre lejjebb ereszkedve egyre kisebb felszíndarab látszódott az ablakból, egyre jobb felbontásában. A leképezett terület északi részén található krátert átszelő, pontatlanul illeszkedő képszél jelzi a képcsoportonként feldolgozott felvételrészek georeferálásának bizonytalanságát

A kapott ortofotó-mozaik felbontása néhány helyen jobb, mint a holdfelszínről nagy részéről rendelkezésre álló LRO felvételek felbontása. Ezt a nagyobb részletességű felvételt fel lehet használni egészen apró kráterek azonosítására, majd a felszínek korának meghatározását szolgáló kráterméret-eloszlás statisztikák számolására. A feldolgozott képkockák 1969 júliusában, közvetlenül a holdraszállás előtt készültek, ezért az LRO felvételekkel összehasonlítva ellenőrizni lehet, hogy mi változott a felszínen a Holdséta vagy a felszállás eredményeként. A leszállási helytől távolabbi területeken meg lehet vizsgálni, hogy észrevehető módon változott-e a felszín, történt-e meteoritbecsapódás, aprózódtak-e a nagyobb sziklák az eltelt több mint fél évszázadban.

Pusztai Henrik Antal, Molnár Gábor