CGI月球套件：将月球表面的每一处细节，完美地展现在你面前
Credits: NASA/Goddard/Scientific Visualization Studio
导语：美国航空航天局（NASA）新创作了一种超越地球世界的电脑三维动画，从此人类可以通过一款线上的“CGI月球套件”（CGI Moon kit），获得前所未有的月球体验。
智能手机的出现，让上百万人轻松变身业余摄影师，但在某些特定条件下拍到完美的照片仍然是一件困难的事。想象一下，如果我们要拍摄一个三维物体的完整图像，同时这个物体以每秒约一英里（1.6千米）的速度移动；光源距离我们9300英里（约1.5亿公里）之远，而整个三维物体的表面需要精确地呈现在100英尺（约30米）水平的平面之上。
NASA的月球勘测轨道飞行器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）在它绕月飞行的十年间，克服了重重困难，记录下了月球表面的形貌信息。
利用LRO信息采集所得的图像，厄尼•赖特（Ernie Wright）将月球活灵活现地展示在人类眼前，细节体现也达到了历史最佳水平。赖特是一位科学可视化工作者，在马里兰州格林贝尔特NASA戈达德航天中心（Goddard Space Flight Center）的科学可视化工作室（Scientific Visualization Studio）工作，正是他创建了在线CGI月球套件。
创建CGI月球套件的目的，是为了让三维艺术工作者更便捷地获取NASA的数据。在一开始，赖特创建三维月球地图只是想作为科学可视化工作室的内部资源，但后来，他收到了许多希望能分享创建可视化月球模型数据的请求，于是莱特决定公开分享他的创作，为艺术工作者和LRO建立联系。
“（我们的月球套件）让许多其他艺术工作者也能获取到LRO的数据，创造出类似我创建的东西，”赖特说道。
LRO的主要目标之一，是准确地绘制出月球的地形图，让阿尔忒弥斯计划（Artemis program）中的航天项目能更安全地降落到我们希望探索的月球地点。LRO航天器上有两个关键的部件：月球勘测轨道飞行器相机（Lunar Reconnaissance Orbiter Camera，LROC），以及月球轨道飞行器激光测高仪（Lunar Orbiter Laser Altimeter，LOLA）。
LROC的工作形式类似于扫描仪，航天器在月球表面上空运动时，LROC就能逐线扫描月球表面的信息，从而构筑出月球图像。LOLA则利用激光脉冲来测量月球的尺寸：向下发送出单个的激光脉冲，并随之分成五个独立的光束；激光脉冲抵达月球表面后，就会反弹射回航天器；然后，LOLA会测量出光束返回航天器所需的时间（以纳秒为单位），进而读取月球地形信息。如果光束返回得很快，那么LOLA就可以得知该处地形高度较高；如果光束返回后强度比较弱，则表明月球的表面比较粗糙，光束的能量因散射而减弱了。
收集到的数据达到一定数量后，LRO航天器会将信息发送回地球上的接收器，LRO研究团队的任务就是处理和转译原始数据。
“CGI月球套件”之色图（color map）
利用LRO上相机和激光测高仪收集的月球表面信息，赖特创建了一系列彩色图和高程图，适用于三维渲染软件。这张彩色月球图以0°经线为中心，可提供多种尺寸24位RGB 标签图像文件格式（Tag Image File Format，TIFF）的图片。
图片来源：NASA/戈达德航天中心/科学可视化工作室
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色图（也称彩色贴图）由Hapke标准化广角摄像机组合图案（Hapke Normalized WAC Mosaic）调整而来，这种图案是由摄像团队根据10万多张广角摄像机（Wide Angle Camera，WAC）拍摄的照片构建而成的合成图像。
对于这里的色图，可视化工具修饰并合并了LROC颜色数据的七个波长带中其中三个，以更接近人类肉眼的能见范围。图像默认有三个通道（channel）：红色通道（red channel）包含643 纳米波段，而绿色和蓝色是由566和415 纳米波段的不同线性组合产生的，以使它们更居中接近于532 纳米（绿色）和472 纳米（蓝色）。应用的伽玛值为2.8（LROC的数据是线性的），再将三个通道乘以（0.935，1.005，1.04），用以平衡颜色。强度范围（0.16，0.4）映射到每个通道的完整（0，255）8位范围。除此之外，还使用了Photoshop的内容感知点修复画笔来修补顶部和底部附近的小范围数据丢失。
源数据涵盖的月球表面范围从北纬70°一直到南纬70°，由于月球的轴向和轨道倾斜角度都很小，即使LRO的相机飞跃拍摄了数千次，这些纬度以外的大部分区域仍被阴影笼罩，因此这些区域被排除在了LROC的组合图像之外。在这张色图中，缺失的纬度范围是用黑白LROC数据和反照率图（LROC data and an albedo map，LDAM）组合而成的，其中反照率图由LRO激光测高仪收集的数据合成而来。当用非常逼真的阴影渲染时，月球图这些部分的可见度并不会特别高，尽管占据了月球图像素的20％以上，但它们代表的实际面积仅占月球表面的6％。
这张图片在美学的角度上进行了优化，并没有百分之百尊崇科学；科学技术相关的应用需要使用原始数据。
“CGI月球套件”之位移图（displacement map）
这张位移图以0°经线为中心， 全局圆柱投影为64、16和4像素每度，可提供相对半径为1737.4千米、以千米为单位的浮点TIFF图，或者相对半径为1 747 400米、以0.5米为单位的16位TIFF图。
图片来源：NASA/戈达德航天中心/科学可视化工作室
位移图（也称置换贴图）也被称作高度图（height map）或高程图（elevation map），直接取自LOLA研究团队的最新（截至2019年春季）网格数据（gridded data）产品。LOLA的数据存储在行星数据系统（Planetary Data System）的地球科学节点（Geosciences Node）中，其中的一小部分LOLA数据（全局圆柱投影为4、16和64像素每度）已重新格式化为未压缩的TIFF文件，其垂直单位为浮点千米，或16位无符号整数倍0.5米。
所有LRO数据的参考表面，均是一个半径为1737.4 千米的球体，LOLA的网格高程数据以带符号的、相对该半径的16位整数倍0.5米为单位。对于浮点TIFF，源数据的处理是除以2000；对于无符号16位TIFF，源数据的处理是偏移+20,000（10 千米），因此所有值均为正值。第二种格式是为无法与浮点或有符号整数文件配合使用的软件提供的。
月球图的正确打开方式
这张动图演示了在三维动画软件中，是如何利用色图和位移图来描绘和构建类似月球这样的实物的。
视频来源：NASA/戈达德航天中心/科学可视化工作室
在三维动画软件中，构建像月球这样的物体是从简单的几何形状开始的，对于月球图而言也就是球形。类似于视频里纹理贴图（texture map）的作用是为模型添加更多细节，色图指导软件绘制表面，位移图则能教会软件如何添加定义月球地形的形状细节。没有这几种贴图，月球模型就只是一个光滑的黑白球体。尽管这些贴图实际上都是平面矩形，但是软件会将它们理解为球形表面的贴图，并且明白该如何将它们扭变成球形的几何形状。
纹理贴图中的每个像素都对应着月球表面上以经度-纬度定义的某个点。在应用变化的光线和相机角度（在技术说明中被称为入射角i和出射角e）之前，色图中的像素包含月球表面的基色；而位移图中的像素则包含相应位置月球表面的高度。
NASA戈达德航天中心的LRO科学家诺亚•佩特罗（Noah Petro）非常理解赖特这项工作的价值，以及这项工作能将LRO任务与公众联系起来的社会意义。佩特罗认为，惊人的视觉效果是LRO任务成功的关键因素。“利用LRO的数据，他能讲述完整的月球故事，并描绘出难以用语言传达的想法或概念，无论真正的故事究竟是什么样的，” 佩特罗说道，“所以我认为他已经对人们使用这些月球信息的方式产生了一些影响， 即使人们甚至都没意识到这种影响的存在。”
赖特解释说，创建和共享月球的信息还是比较容易的部分，真正的挑战在于场景设置：为了尽可能完美地向观众讲述完整的月球故事，赖特充分考虑了模型的灯光、位置和整体情况。
“3D动画软件的使用非常类似于真人表演的拍摄，包括灯光、照相机、道具和布景。”赖特说道，“但是可视化更像是拍摄纪录片，既是在阐述事实，也是在创造一种叙述方式。”
在制作展示阿波罗17号（Apollo 17）着陆点视频的录像带时，赖特采取了一种着重于突出宇航员前进路线的方式。月球上的可见视野小于一个像素，将其放大并显示探测器的运行轨道，都为LRO捕获的图像能交织出完整的故事提供了最终目标。
“我们将拍摄的照片置于原有的背景环境中，”赖特说，“将这些信息还原到最初的源头。”
数量庞大的数据可以随时在线获得，但是如果没有LRO广泛的技术背景，则可能很难转译这些信息，而视觉动画的创建，让那些没有技术背景的人也可以看懂这些公共数据。“所有这些数据都是完全公开的，但并不是想当然就能被容易理解的，” 赖特说，“因此，（我们）以大多数人可以理解和使用的形式发布了这些数据。”正因为如此，将这其中的科学与艺术和影像技术之间建立起联系，对于开发LRO任务全部的潜力而言至关重要。
在NASA为Artemis计划做准备的过程中，赖特的三维动画有助于规划出更安全、更成功的登月任务。对于赖特来说，现有的数据量已经足够大了，他可以利用计算机程序将这些数据制作成动画，来描绘2024年人类登上月球之时，那些特定区域的真实模样。这让科学家可以为即将进行的探索找到更多的目标区域。
这是有史以来，大众能公开获取到由行星飞船收集到的数据量最大的一次，赖特的作品可以在各种各样的地方找到：从纸质范本到在线模板，再到各种活动的背景幕布。
“他所描述的月球故事，将我们正在做的事情近乎完美的呈现给了大众，而这只靠我们是几乎不可能做到的。” 佩特罗说。
参考来源：
[1]https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/cgi-moon-kit-as-a-form-of-visual-storytelling/
[2]https://svs.gsfc.nasa.gov/4720#
