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Credits: NASA/Goddard/Scientific Visualization Studio
导语：美国航空航天局（NASA）新发明了一种逾越地球国际的电脑三维动画，从此人类能够经过一款线上的“CGI月球套件”（CGI Moon kit），取得史无前例的月球体会。
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相片仍然是一件困难的事。幻想一下，假如咱们要拍照一个三维物体的完好图画，一起这个物体以每秒约一英里（1.6千米）的速度移动；光源间隔咱们9300英里（约1.5亿公里）之远，而整个三维物体的外表需求精确地出现在100英尺（约30米）水平的平面之上。
NASA的月球勘察轨迹飞翔器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）在它绕月飞翔的十年间，克服了重重困难，记载下了月球外表的描摹信息。
运用LRO信息搜集所得的图画，厄尼 赖特（Ernie Wright）将月球栩栩如生地展现在人类眼前，细节表现也到达了前史最佳水平。赖特是一位科学可视化作业者，在马里兰州格林贝尔特NASA戈达德航天中心（Goddard Space Flight Center）的科学可视化作业室（Scientific Visualization Studio）作业，正是他创立了在线CGI月球套件。
创立CGI月球套件的意图，是为了让三维艺术作业者更快捷地获取NASA的数据。在一开端，赖特创立三维月球地图仅仅想作为科学可视化作业室的内部资源，但后来，他收到了许多期望能同享创立可视化月球模型数据的恳求，所以莱特决议揭露同享他的发明，为艺术作业者和LRO树立联络。
“（咱们的月球套件）让许多其他艺术作业者也能获取到LRO的数据，发明出相似我创立的东西，”赖特说道。
LRO的首要方针之一，是精确地制造出月球的地势图，让阿尔忒弥斯方案（Artemis program）中的航天项目能更安全地下降到咱们期望探究的月球地址。LRO航天器上有两个要害的部件：月球勘察轨迹飞翔器相机（Lunar Reconnaissance Orbiter Camera，LROC），以及月球轨迹飞翔器激光测高仪（Lunar Orbiter Laser Altimeter，LOLA）。
LROC的作业方法相似于扫描仪，航天器在月球外表上空运动时，LROC就能逐线扫描月球外表的信息，然后构筑出月球图画。LOLA则运用激光脉冲来丈量月球的尺度：向下发送出单个的激光脉冲，并随之分红五个独立的光束；激光脉冲抵达月球外表后，就会反弹射回航天器；然后，LOLA会丈量出光束回来航天器所需的时刻（以纳秒为单位），从而读取月球地势信息。假如光束回来得很快，那么LOLA就能够得知该处地势高度较高；假如光束回来后强度比较弱，则标明月球的外表比较粗糙，光束的能量因散射而削弱了。
搜集到的数据到达必定数量后，LRO航天器会将信息发送回地球上的接收器，LRO研讨团队的使命便是处理和转译原始数据。
“CGI月球套件”之色图
运用LRO上相机和激光测高仪搜集的月球外表信息，赖特创立了一系列五颜六色图和高程图，适用于三维烘托软件。这张五颜六色月球图以0°经线为中心，可供给多种尺度24位RGB 标签图画文件格局（Tag Image File Format，TIFF）的图片。
图片来历：NASA/戈达德航天中心/科学可视化作业室
色图（也称五颜六色贴图）由Hapke标准化广角摄像机组合图画（Hapke Normalized WAC Mosaic）调整而来，这种图画是由摄像团队依据10万多张广角摄像机（Wide Angle Camera，WAC）拍照的相片构建而成的组成图画。
关于这儿的色图，可视化东西润饰并兼并了LROC色彩数据的七个波长带中其间三个，以更挨近人类肉眼的能见规模。图画默许有三个通道（channel）：赤色通道（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发生的，以使它们更居中挨近于532 纳米（绿色）和472 纳米（蓝色）。运用的伽玛值为2.8（LROC的数据是线性的），再将三个通道乘以（0.935，1.005，1.04），用以平衡色彩。强度规模（0.16，0.4）映射到每个通道的完好（0，255）8位规模。除此之外，还运用了Photoshop的内容感知点修正画笔来修补顶部和底部邻近的小规模数据丢掉。
源数据包含的月球外表规模从北纬70°一直到南纬70°，因为月球的轴向和轨迹歪斜视点都很小，即便LRO的相机腾跃拍照了数千次，这些纬度以外的大部分区域仍被暗影笼罩，因而这些区域被扫除在了LROC的组合图画之外。在这张色图中，缺失的纬度规模是用是非LROC数据和反照率图（LROC data and an albedo map，LDAM）组合而成的，其间反照率图由LRO激光测高仪搜集的数据组成而来。当用十分传神的暗影烘托时，月球图这些部分的可见度并不会特别高，虽然占有了月球图画素的20％以上，但它们代表的实践面积仅占月球外表的6％。
这张图片在美学的视点进步行了优化，并没有百分之百爱崇科学；科学技能相关的运用需求运用原始数据。
“CGI月球套件”之位移图
这张位移图以0°经线为中心， 大局圆柱投影为64、16和4像素每度，可供给相对半径为1737.4千米、以千米为单位的浮点TIFF图，或许相对半径为1 747 400米、以0.5米为单位的16位TIFF图。
图片来历：NASA/戈达德航天中心/科学可视化作业室
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研讨团队的最新（到2019年春季）网格数据（gridded data）产品。LOLA的数据存储在行星数据体系（Planetary Data System）的地球科学节点（Geosciences Node）中，其间的一小部分LOLA数据（大局圆柱投影为4、16和64像素每度）已从头格局化为未紧缩的TIFF文件，其笔直单位为浮点千米，或16位无符号整数倍0.5米。
一切LRO数据的参阅外表，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。关于浮点TIFF，源数据的处理是除以2000；关于无符号16位TIFF，源数据的处理是偏移+20,000（10 千米），因而一切值均为正值。第二种格局是为无法与浮点或有符号整数文件合作运用的软件供给的。
月球图的正确打开方法
这张动图演示了在三维动画软件中，是怎么运用色图和位移图来描绘和构建相似月球这样的什物的。
视频来历：NASA/戈达德航天中心/科学可视化作业室
在三维动画软件中，构建像月球这样的物体是从简略的几许形状开端的，关于月球图而言也便是球形。相似于视频里纹路贴图（texture map）的作用是为模型增加更多细节，色图辅导软件制造外表，位移图则能教会软件怎么增加界说月球地势的形状细节。没有这几种贴图，月球模型就仅仅一个润滑的是非球体。虽然这些贴图实践上都是平面矩形，可是软件会将它们了解为球形外表的贴图，而且了解该怎么将它们扭变成球形的几许形状。
纹路贴图中的每个像素都对应着月球外表上以经度-纬度界说的某个点。在运用改变的光线和相机视点（在技能阐明中被称为入射角i和出射角e）之前，色图中的像素包含月球外表的基色；而位移图中的像素则包含相应方位月球外表的高度。
NASA戈达德航天中心的LRO科学家诺亚 佩特罗（Noah Petro）十分了解赖特这项作业的价值，以及这项作业能将LRO使命与群众联络起来的社会含义。佩特罗认为，惊人的视觉效果是LRO使命成功的要害因素。“运用LRO的数据，他能叙说完好的月球故事，并描绘出难以用语言传达的主意或概念，不管实在的故事究竟是什么样的，” 佩特罗说道，“所以我认为他现已对人们运用这些月球信息的方法发生了一些影响， 即便人们乃至都没意识到这种影响的存在。”
赖特解说说，创立和同享月球的信息仍是比较简单的部分，实在的应战在于场景设置：为了尽或许完美地向观众叙说完好的月球故事，赖特充分考虑了模型的灯火、方位和全体状况。
“3D动画软件的运用十分相似于真人扮演的拍照，包含灯火、照相机、道具和布景。”赖特说道，“可是可视化更像是拍照纪录片，既是在论述现实，也是在发明一种叙说方法。”
在制造展现阿波罗17号（Apollo 17）着陆点视频的录像带时，赖特采取了一种着重于杰出宇航员行进道路的方法。月球上的可见视界小于一个像素，将其扩大并显现探测器的运转轨迹，都为LRO捕获的图画能交织出完好的故事供给了最终方针。
“咱们将拍照的相片置于原有的布景环境中，”赖特说，“将这些信息复原到开始的源头。”
数量巨大的数据能够随时在线取得，可是假如没有LRO广泛的技能布景，则或许很难转译这些信息，而视觉动画的创立，让那些没有技能布景的人也能够看懂这些公共数据。“一切这些数据都是彻底揭露的，但并不是想当然就能被简单了解的，” 赖特说，“因而，（咱们）以大多数人能够了解和运用的方法发布了这些数据。”正因为如此，将这其间的科学与艺术和印象技能之间树立起联络，关于开发LRO使命悉数的潜力而言至关重要。
在NASA为Artemis方案做准备的过程中，赖特的三维动画有助于规划出更安全、更成功的登月使命。关于赖特来说，现有的数据量现已足够大了，他能够运用计算机程序将这些数据制造成动画，来描绘2024年人类登上月球之时，那些特定区域的实在容貌。这让科学家能够为行将进行的探究找到更多的方针区域。
这是有史以来，群众能揭露获取到由行星飞船搜集到的数据量最大的一次，赖特的著作能够在各式各样的当地找到：从纸质范本到在线模板，再到各种活动的布景幕布。
“他所描绘的月球故事，将咱们正在做的工作近乎完美的出现给了群众，而这只靠咱们是简直不或许做到的。” 佩特罗说。
参阅来历：
[1]https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/cgi-moon-kit-as-a-form-of-visual-storytelling/
[2] https://svs.gsfc.nasa.gov/4720#
来历：NASA爱好者
作者：哇喳
