Jak czytać nazwy plików otrzymanych od Perseverance?

Artykuł o aparatach MastcamZ i o tym, jak rozumieć informacje zakodowane w nazwach zdjęć z Marsa.

Tytuł tego artykułu być może obiecuje za dużo. Przede wszystkim chciałbym tutaj wyjaśnić znaczenie dziwnej i długiej nazwy zdjęć z Marsa, jakie łazik Perseverance robi za pomocą aparatu MastcamZ. Być może ktoś uzna to za przydatne, zwłaszcza jeśli samodzielnie grzebie po archiwum surowych zdjęć misji Mars 2020. Ta wiedza jednak pomoże rozumieć też nazwy plików z innych instrumentów łazika, bowiem wszystkie marsjańskie pliki są kodowane za pomocą podobnych reguł.

Oto przykład zdjęcia z Marsa i jego dziwnej nazwy:

Ryc. 1.
Zdjęcie z Marsa o ciekawej nazwie:
ZRF_0004_0667302681_000FDR_N0010052AUT_04096_110085J
(Mars 2020 Raw Images © 2021 NASA/JPL-Caltech/ASU)

MASTCAM-Z.

Jednak nim rozszyfruję ten kod, wypada mi kilka słów napisać o tym, czym jest MastcamZ. Na stronie NASA opisującej instrumenty łazika Perseverance (tutaj) można przeczytać, że MastcamZ to „zaawansowany system kamer, z możliwością obrazowania panoramicznego i stereoskopowego z zoomowaniem”. (Więcej detali dostarcza ta strona). Piszą, że nazwa instrumentu bierze się z zamontowania go na maszcie łazika (mast-cam = kamery masztowe), na wysokości mniej więcej 2 m od podłoża. Są to dwa aparaty – prawy oraz lewy – rozmieszczone w odległości 24,2 cm jeden od drugiego, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie obrazu stereo fotografowanego obiektu. Wykonują zdjęcia o rozdzielczości 1600 x 1200 pikseli z hakiem, od 0,15 do 7,4 mm na jeden piksel, zależnie od odległości fotografowanego obiektu.

Ryc. 2.
MastcamZ. Kosmiczny kompakt.
Kolaż obrazków ze strony ASU i zdjęcia #25282 z zasobów NASA
(© 2019 NASA i MSSS/ASU)

Zgaduję, że dla większości osób MastcamZ to po prostu kolejne kamery łazika, które dostarczają zdjęć z powierzchni Marsa. Przy czym NASA zaleca myśleć o MastcamZ jak o głównych oczach łazika. Mają zapewnić obraz najlepszej jakości. Ku radości gawiedzi, dzięki obrotowej głowicy na maszcie, w której są umocowane, fotografując kawałek po kawałku otoczenia dookoła łazika, dostarczają zdjęć, z jakich możemy montować panoramy pokrywające 360° na boki (czyli wszystko) oraz 180° na linii góra-dół. Dzięki fotografowaniu tej samej sceny za pomocą prawego i lewego aparatu, uzyskujemy możliwość wizualizacji 3D sfotografowanego w ten sposób obszaru Marsa.

Z kolei naukowcom zdjęcia otrzymane z MastcamZ mają pomóc – cytuję za stronami Uniwersytetu Stanowego Arizony w USA – mają pomóc „scharakteryzować ogólną geomorfologię krajobrazu, procesy i charakter zapisu geologicznego (mineralogia, tekstura, struktura i stratygrafia)”, mają pomóc „ocenić bieżące wydarzenia atmosferyczne i astronomiczne”, a także „wesprzeć nawigację łazikiem i zapewnić kontekst dla wyboru miejsca pobierania próbek i używania innych instrumentów łazika”. To wszystko brzmi mądrze, nieprawdaż? Wydaje się, że uniwersytety przede wszystkim uczą nas, jak budować złożone zdania aby wyrażać nimi proste myśli.

Projektowi MastcamZ szefuje Jim Bell, profesor School of Earth and Space Exploration Uniwersytetu Stanowego Arizony, profesor kontraktowy Wydziału Astronomii Uniwersytetu Cornella w stanie Nowy Jork, a także profesor wizytujący Laboratorium Napędu Odrzutowego w Pasadenie (tak, tak, chodzi o tę słynną placówkę badawczą NASA, Jet Propulsion Laboratory, JPL, merytorycznie nadzorowane przez nie mniej słynną politechnikę Caltech). Krótko mówiąc, facet ma afiliacje w najbardziej prestiżowych amerykańskich ośrodkach akademickich, co dla pasjonata eksploracji kosmosu stwarza niewyobrażalne możliwości do wcielania science fiction w życie (zob. strona profesora).

W projekcie zatrudniony jest nie tylko sam szef, ale także jego zastępca, 15 pracowników naukowych z różnych uniwersytetów, 8 współpracowników naukowych z uczelni zagranicznych, 31 pracowników nie-naukowych oraz 44 studentów, doktorantów, świeżo upieczonych doktorów na post-doc'ach i współpracowników jeszcze innego rodzaju.

Więcej szczegółów może dostarczyć dedykowana temu instrumentowi strona internetowa (tutaj) pod auspicjami Uniwersytetu Stanowego Arizony. Można tam znaleźć nie tylko zdjęcia z Marsa, zarys historii tworzenia tego instrumentu czy jego dane techniczne, ale także można zapoznać się z zespołem, poczytać blog z popularnonaukowymi informacjami na temat tego urządzenia, jak też znaleźć dane bibliograficzne formalnych publikacji naukowych i inżynieryjnych opisujących MastcamZ. Tam też znajduje się krótki opis wyjaśniający, co zawierają dane zawarte w nazwach plików (tutaj) – moje podstawowe źródło informacji.

SZYFR ZDEKODOWANY.

Powróćmy zatem do przykładowego zdjęcia z Marsa, zamieszczonego na początku tego posta. Co oznacza jego nazwa? Idąc po kolei, zaznaczając niebieskim tłem, wyjaśniam znaczenie poszczególnych identyfikatorów.

ZRF_0004_0667302681_000FDR_N0010052AUT_04096_110085J

Pierwszy znak. Identyfikuje instrument łazika - którym aparatem fotograficznym wykonano zdjęcie:

• Z - MastcamZ;
• N – Navcam, aparaty nawigacyjne, również dwa (prawy i lewy) i również na obrotowej głowicy na szczycie masztu;
• F – przednie Hazcam, aparaty nawigacyjne w dolnej części łazika, które dostarczają zdjęć pomagających uniknąć ryzyka wjechania w głęboką dziurę, czy zderzenia się z kamieniem (stąd nazwa kamery, od hazard - ryzyko);
• R - tylne Hazcam, aparaty nawigacyjne do oceny ryzyka przy przemieszczaniu łazika, zamontowane z tyłu;
• E - aparaty zamontowane na lądowniku (używane przy lądowaniu; lądownik już się rozbił) lub na łaziku ale skierowane w górę bądź w dół.
• S - aparat zamontowany na mobilnym ramieniu, w ramach instrumentów nazywanych SHERLOC WATSON (The Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics & Chemicals)

ZRF_0004_0667302681_000FDR_N0010052AUT_04096_110085J

Drugi znak. W przypadku zespołu kamer stereo, jak MastcamZ, identyfikuje aparat po prawej i aparat po lewej stronie.

• R - right - prawy aparat;
• L – left - lewy aparat.

ZRF_0004_0667302681_000FDR_N0010052AUT_04096_110085J

Jeżeli chodzi o zdjęcia pozyskane z MastcamZ, trzeci znak identyfikuje filtr. Literka F informuje, że żaden specyficzny filtr nie został użyty. Gdyby było inaczej, w tym miejscu pojawiłaby się cyfra 1-7.

Światło w MastcamZ, już po przejściu przez układ optyczny, ale jeszcze za nim padnie na matrycę CCD, przechodzi przez koło filtrów – działające jak bęben rewolweru - oraz siatkę Bayera. Koło z filtrami ma 8 pozycji, przy czym pozycja 0 to brak filtra, światło po prostu przechodzi niezmienione wprost na siatkę Bayera. Siatka Bayera to rozwiązanie techniczne umożliwiające aparatom cyfrowym odtworzenie kolorów w rejestrowanym obrazie. Odbywa się to poprzez analizę natężenia światła dla długości fali odpowiadającej barwie niebieskiej (480 ± 46 nm), zielonej (544 ± 41 nm) i czerwonej (630 ± 43 nm). Podane tutaj długości fal odpowiadają parametrom tego filtru w MastcamZ. Jeżeli chcesz dowiedzieć się więcej o tym, czym jest siatka Bayera, musisz juz pogrzebać po Internecie (np. zob. temat na stronie optyczne.pl).

Tak więc pozycja 0 na kole z filtrami – kodowana literką F – oznacza brak użycia specyficznego filtra i wykonanie zdjęcia w zakresie świetlnym odpowiadającym mniej więcej temu, jak widzi ludzkie oko. Koło filtrów na innych pozycjach zawiera już konkretne filtry selekcjonujące wybrane zakresy fali elektromagnetycznej, co jest istotne dla naukowców analizujących np. minerały w kamieniu. Oba aparaty MastcamZ różnią się nieco zakresem filtrów, tak że lewy aparat ma zakres filtrów częściowo podobny do barw RBG siatki Bayera. Poniżej podaję kody filtrów dla lewego (L) i prawego (R) aparatu MastcamZ (Z) oraz zakres przepuszczanej długości fali (czyli to, jakby wyglądały trzy pierwsze znaki w takim pliku):

• ZL7 - filtr słoneczny 590 ± 88 nm, ND6;
• ZL6 - filtr dla 442 ± 12 nm;
• ZL5 - filtr dla 528 ± 11 nm;
• ZL4 - filtr dla 605 ± 9 nm;
• ZL3 - filtr dla 677 ± 11 nm;
• ZL2 - filtr dla 754 ± 10 nm;
• ZL1 - filtr dla 800 ± 9 nm;
• ZR1 - filtr dla 800 ± 9 nm;
• ZR2 - filtr dla 866 ± 10 nm;
• ZR3 - filtr dla 910 ± 12 nm;
• ZR4 - filtr dla 939 ± 12 nm;
• ZR5 - filtr dla 978 ± 10 nm;
• ZR6 - filtr dla 1022 ± 19 nm;
• ZR7 - filtr słoneczny 880 ± 10 nm, ND5.

Jeżeli chcesz dowiedzieć się czegoś więcej o filtrach MastcamZ, możesz poczytać ten artykuł na blogu zespołu zajmującego się tym instrumentem. Natomiast tutaj jest przykład zdjęcia wykonanego przez MastcamZ z filtrem 528 ± 11 nm. Nam się wydaje czarno-białe, ale w istocie natężenie światła na takim zdjęciu oznacza natężenie w zakresie przepuszczonym przez filtr, a nie w całym spektrum.

ZRF_0004_0667302681_000FDR_N0010052AUT_04096_110085J

Po trzech literach i znaku podkreślenia występują cztery cyfry. Ten identyfikator koduje numer dnia misji, w którym wykonano zdjęcie, ale w dobach marsjańskich sol a nie ziemskich. 1 sol odpowiada 24 godzinom i niecałym 40 minutom (zob. Wikipedia). W naszym przykładzie łazik wykonał zdjęcie w 4 dobie marsjańskiej, licząc od dnia lądowania.

ZRF_0004_0667302681_000FDR_N0010052AUT_04096_110085J

Dziesięć kolejnych znaków. Kodują podstawowy czas misji wedle wskazań pokładowego zegara na łaziku - zegara na statku kosmicznym (the spacecraft clock) - co w żargonie NASA zapisujemy jako SCLK i czytamy (po angielsku) jako s-clock.

Dlaczego nie stosować zegara na Ziemi i standardu zapisu czasu np. UTC? Chociaż prędkość światła – z jaką poruszają się fale radiowe – jest olbrzymia, jest też skończona. Ma wartość maksymalną i szybsza być nie może. Żyjąc na Ziemi możemy nie zauważyć różnicy w czasie między nadaniem jej z Sydney w Australii a odebraniem jej w Baranowie w Polsce. Ale odległość między Marsem a Ziemią jest już na tyle duża, że od razu zauważymy taką różnicę. Ponieważ Mars i Ziemia poruszają się po różnych orbitach i raz są bliżej siebie, a raz są dalej, to opóźnienie między nadaniem sygnału z Ziemi a jego otrzymaniem na Marsie jest zmienne. Może wynieść nawet ze 20 minut. W efekcie nie jest możliwe zdalne sterowanie łazikiem z Ziemi w czasie rzeczywistym. Wyobraźmy sobie najczarniejszy scenariusz: kierujemy dżojstik w lewo, ale sygnał dociera do łazika po 20 minutach, po czym po kolejnych 20 minutach wraca do nas informacja zwrotna, że łazik skręcił w lewo. Czy przez ten czas kręcił się w kółko cały czas skręcając w lewo? Może skręcił, pojechał i wpadł do rowu?

Ale to tylko teoria. W rzeczywistości jest jeszcze gorzej. Przecież łazik nie musi wykonać otrzymanego rozkazu od razu, jak tylko go otrzyma. Może będzie musiał najpierw dokończyć czynność, jaką już realizuje, może będzie musiał przekalibrować instrument. Co gorsza, jak już wykona rozkaz, np. wyzwoli migawkę aparatu MastcamZ, zdjęcie nie wyleci z niego od razu ku Ziemi. Być może bufor łączności będzie zapchany innymi danymi, jakie wysyła już od godziny. To, czy łączność będzie bezpośrednia, czy realizowana przez pośrednika – buszującego po orbicie satelitę – też może dołożyć swoje trzy grosze. W efekcie, kiedy wreszcie dane dotrą do centrum kontroli misji, gdyby je oznaczać zegarem na Ziemi, trudno byłoby ocenić, co się kiedy wydarzyło i w jakiej kolejności.

NASA już od dawna przybija stempel czasowy wydarzeniom w kosmosie według zegarów pokładowych SCLK. To one tam na miejscu odmierzają czas i wyznaczają moment, w którym sonda czy łazik coś zrobią. Przy tym SCLK właściwie należałoby wymawiać nie jako s-clock ale s-click, ponieważ nie jest to klasyczny zegar, a licznik. Może to być bardzo proste urządzenie. Przykładowo, SCLK słonecznej sondy Ulysses (zob. Wikipedia) po prostu powiększał wskazanie o 1 co dwie sekundy. Z kolei na innych statkach kosmicznych licznik miał więcej pól, za pomocą których śledził aktywność i kontrolował różne rzeczy. Poszczególne komendy są programowane tak, aby zostały uruchomione przy określonym wskazaniu SCLK. (Wyjaśnienie tego, czym jest SCLK zaczerpnąłem z opracowania „Basics of Space Flight” na stronach NASA – tutaj link do ustępu).

ZRF_0004_0667302681_000FDR_N0010052AUT_04096_110085J

Trzy znaki. Uzupełnienie stempla czasowego o milisekundy z SCLK.

ZRF_0004_0667302681_000FDR_N0010052AUT_04096_110085J

Trzy znaki kodujące kategorię produktu. Chociaż na co dzień myślimy o zdjęciach z Marsa po prostu jak o obrazkach zamieszczanych tak, jak miliardy innych obrazków w Internecie, dla fachowców są to w istocie produkty. W szczególności każda informacja pozyskana, przetworzona mniej lub bardziej, mająca sens naukowy - nawet jeśli tylko potencjalny - która opuszcza przedsiębiorstwo utrzymywane z pieniędzy podatników, nawet w formie tabelki z danymi, jest produktem. Z takiego produktu można się rozliczać, można go archiwizować, można mu przypisać afiliację i prawa autorskie itd.

FDR (Final Data Record; końcowy rekord danych) oznacza w tym przypadku, że mamy do czynienia z tzw. zdjęciem surowym, które już dalej nie będzie przetwarzane. Możliwe są też inne typy produktów, a w takiej sytuacji w tym miejscu w nazwie plików pojawi się inny identyfikator. Przykładowo CPG może oznaczać zdjęcie ze zmodyfikowanymi, „skalibrowanymi” barwami. Niestety, nic więcej nie napiszę, bowiem strona Uniwersytetu Stanowego Arizony - z której przepisuję na swoją stronę - informuje, że szczegóły podaje inna dokumentacja. Cudowne rozwiązanie, nieprawdaż? Widać w tym rękę inżyniera.

ZRF_0004_0667302681_000FDR_N0010052AUT_04096_110085J

Po czwartym symbolu podkreślenia ma miejsce jednoznakowa odpowiedź na pytanie, czy zdjęcie jest miniaturką? T = tak, N = nie. Proste, czyż nie? (W oryginale chodzi o thumbnail oraz non-thumbnail).

ZRF_0004_0667302681_000FDR_N0010052AUT_04096_110085J

Trzy znaki. Kodują miejsce, w którym łazik znajduje się na Marsie. Te dane przypisuje zespół kontroli misji arbitralnie. Zespół ustala, gdzie pojedzie łazik, gdzie się zatrzyma, co będzie badać i czy miejsce, w jakim łazik przebywa, warte jest oznaczenia. Na chwilę obecną łazik ciągle przebywa w tym samym miejscu, w którym wylądował – na lądowisku im. Octavii E. Butler (o tym, że tak to miejsce nazwano, NASA poinformowała na konferencji 05.03.2021) – i zapewne tę lokalizację wskazuje numer 001. Możemy domniemywać, że wraz z czasem trwania misji Mars 2020, łazik będzie się przemieszczał i docierał do kolejnych wyróżnionych lokacji.

ZRF_0004_0667302681_000FDR_N0010052AUT_04096_110085J

Pozycja łazika w danej lokacji.

ZRF_0004_0667302681_000FDR_N0010052AUT_04096_110085J

Dziewięć znaków, na które składa się literowy identyfikator instrumentu łazika oraz numeryczny identyfikator sekwencji. Zdjęcia wykonywane podczas pierwszych czterech dób marsjańskich różnymi instrumentami opisane są w tym miejscu identyfikatorem AUT_, ale późniejsze zdjęcia mają już w tym miejscu inne identyfikatory:

• ZCAM - MastcamZ
• NCAM - Navcam, aparaty nawigacyjne na maszcie
• FHAZ - frontal Hazcam, dolne aparaty z przodu
• RHAZ - rear Hazcam, dolne aparaty z tyłu
• SRLC - aparat SHERLOC WATSON na wysięgniku

Dla przykładu zob. zdjęcie otrzymane krótko po lądowaniu z przedniego aparatu Hazcam (tutaj), oraz zdjęcie z tylnego aparatu Hazcam wykonane w 16 dobie marsjańsiej (tutaj). Pierwsze zdjęcie nosi identyfikator AUT_, drugie RHAZ.

ZRF_0004_0667302681_000FDR_N0010052AUT_04096_110085J

Trzy znaki. Kodują ogniskową użytą do zrobienia zdjęcia. Wartości podawane są w mm.

Jeżeli nie znasz się na robieniu zdjęć, to pomyśl o ogniskowej jak o parametrze związanym z zoomowaniem. Obiektywy dzielimy na takie, które mają stałą ogniskową (np. 35 mm) oraz na takie, które mają zmienną ogniskową (np. 18-55 mm). Jeżeli obiektyw umożliwia płynną zmianę ogniskowej, mówimy, że umożliwia przybliżanie/oddalanie, powiększanie/pomniejszanie – zoomowanie. Obiektyw MastcamZ ma zmienną ogniskową, umożliwia zoomowanie. Im mniejsza wartość ogniskowej, tym obiektyw widzi szerzej, łapie więcej przestrzeni po bokach, z góry i z dołu. Im większa ogniskowa, tym obiektyw widzi lepiej dalsze obiekty, ale równocześnie w węższym zakresie przestrzeni. Mając małą ogniskową uchwycimy w kadrze całego Józia trzymającego balonik, ale mając dużą ogniskową wypełnimy cały kadr niezapiętym guzikiem koszuli pod szyją Józia. Obiektyw o małej ogniskowej (np. 14 mm) nazywamy obiektywem szerokokątnym, obiektyw o dużej ogniskowej (np. 100 mm) nazywamy teleobiektywem. Mając szeroką ogniskową możemy ciekawie zniekształcać obraz, np. wydłużać nogi modelki, czy zakrzywiać linie proste. Im więcej przestrzeni łapiemy w szerokokątnym kadrze, tym perspektywa robi się bardziej sferyczna. Możemy to zobaczyć na zdjęciach z Marsa (zob. to zdjęcie). Podejrzewam, że moje wyjaśnienia przyczynią się do palpitacji serca u fotografów, dlatego też możesz zobaczyć ten temat na mądrzejszych stronach, jak optyczne.pl czy Wikipedia.

ZRF_0004_0667302681_000FDR_N0010052AUT_04096_110085J

Jeden znak. Koduje redukcję rozdzielczości zdjęcia, kiedy z większego obrazka zrobiono mniejszy (downsampling). Wartość 0 oznacza pełną rozdzielczość zdjęcia, kolejne cyfry sugerują coraz dalej idące pomniejszanie rozdzielczości obrazka.

ZRF_0004_0667302681_000FDR_N0010052AUT_04096_110085J

Dwa znaki. Kodują stopień kompresji zdjęcia. Generalnie aparat cyfrowy wykonując zdjęcie, zyskuje ogrom danych, które można liczyć w setkach MB a nawet w GB. Fotograf lubi takie pliki, bowiem może je przetwarzać i wydobywać różne niuanse. Jednak na co dzień ciężko przechowywać i przetwarzać tak wielkie pliki, stąd opracowano metody redukcji rozmiarów pliku do paru MB lub nawet kilkunastu kB. Obrazek taki wciąż wydaje się ładny i może zawierać nawet dużo detali, choć fotograf już nic z nim nie zrobi, bo dalsze przetwarzanie jedynie pogorszy jego jakość. Trudno powiedzieć, w jakim formacie marsjański łazik przesyła zdjęcia do centrum kontroli misji, ale NASA publikuje te zdjęcia w większości już jako skompresowane.

Jeżeli w tym miejscu w nazwie pliku pojawią się litery LU to oznacza to, że mamy do czynienia ze zdjęciem bez kompresji, bądź o kompresji bezstratnej. Jeżeli w tym miejscu występuje liczba (jak w naszym przypadku), wskazuje ona na stopień stratnej kompresji algorytmem JPEG. Wartość 00 to największy stopień kompresji, a im większa liczba, tym lepsza jakość.

ZRF_0004_0667302681_000FDR_N0010052AUT_04096_110085J

Jeden znak. Koduje instytucję odpowiedzialną za przetworzenie i publikowanie zdjęcia:

• J - Laboratorium Napędu Odrzutowego (JPL)
• A - Uniwersytet Stanowy Arizony (ASU)

Uwaga! Po literce kodującej producenta produktu może pojawić się jeszcze liczba kodująca wersję produktu.

To chyba tyle. Prof. Jim Bell osobiście zapewnia, że po pierwszym półroczu misji pojawi się dokładniejsza dokumentacja dotycząca identyfikatorów w nazwach plików z Marsa. Ciekawe, czy mają te zasady spisane na tysiącu kartek i nie są gotowi je upublicznić, czy może jeszcze nie wiedzą, jakie dodatkowe dane będą zmuszeni dodawać do już zawartych w nazwach plików?