按照NASA公佈的資訊，機智號火星無人預計將在4月11日-12日進行首次飛行，這將是無人機第一次在地球以外的星球飛行，因此也吸引了無數航天愛好者關注。相信大家非常期待機智號無人機航拍的圖片，作為一名相機工程師，我特別關注機智號無人機的眼睛（相機），今天就在火星無人機即將首飛前給大家聊聊將帶給我們精彩航拍圖片的機智號無人機的相機。

圖 1待飛的機智號（毅力號火星車左側的桅杆變焦相機拍攝，時間：20210409，SOL48）

據公開的資訊，機智號火星車造價約8500萬美元（超過了5億人民幣），其重量只有1.8kg，為了實現這麼輕的重量，不可能按照傳統航天的設計思路進行（NASA把火星無人機定位為測試機，所以可以採取非常規的做法），機智號研發團隊採用了大量的COTS產品（Commercial-Off-The-Shelf），包括IMU、高度計以及相機等。由於為測試機，並沒有攜帶科學儀器，只有兩臺相機，如圖 2和圖 3所示，其中一臺為用於導航的黑白相機（NAV相機），另外一臺為彩色相機，用於對火星表面拍照，NASA把這臺相機叫Return-to-Earth（RTE）相機，不知道是不是翻譯成“返回地球相機”，為了避免翻譯錯誤，我們後面就叫RTE相機吧。

圖 2機智號上的相機安裝位置圖

圖 3 機智號上的相機安裝角度及拍攝區域示意圖

導航相機為一個解析度640 ×480的黑白相機，用於飛行導航，其採用的影象感測器為OV的OV7251，如圖 4所示為OV7251的技術引數，OV7251是一個全域性快門、像元大小為3um×3um的黑白波段的影象感測器。其安裝在舜宇光學模組上，具有133°× 100°的視場，空間解析度為3.6 mRad/pixel，並且能夠以10幀/秒的速度獲取影象，從影象中提取視覺特徵並逐幀跟蹤以提供速度估計。

從選用的感測器和光學鏡頭看，我們可以看到導航相機是一個成本比較低的產品，但又有很強的實用性。首先因為存在相對運動，選擇了全域性快門，可以避免捲簾快門造成的影象扭曲。其次選擇黑白感測器而不是彩色感測器，主要有以下幾個原因，第一，同樣大小的像元，黑白感測器可以用較小的曝光時間獲取理想的影象，這樣可以減弱抖動以及飛行運動造成的影響（實際上NAV相機就是採用控制曝光時間來減弱運動模糊的）；第二，同樣的畫素個數，黑白感測器可以比彩色感測器獲得更高的空間解析度，彩色感測器因為顏色插值的原因會使解析度降低大約30%左右。當然還有別的原因，如黑白影象資料量小，處理起來運算量小，實時性高等。

圖 4 OV7251技術引數

相對導航相機，大家可能更關注RTE相機，RTE相機相對水平方向傾斜向下22°安裝，將來估計我們看到的航拍影象大部分是RTE相機拍攝的。RTE相機採用SONY彩色影象感測器IMX214（圖 5為IMX214的引數），IM214解析度為4208×3120（1300萬畫素），捲簾快門，搭配歐菲光的光學鏡頭模組，實現的視場角為47°×47°，角解析度為0.26 mRad/pixel（根據這些引數分析，估計是沒用全解析度，用了大約3120 ×3120）。透過查詢發現IMX214在7年前被大量用來智慧手機上，如圖 5所示，包括OPPO、華為、榮耀、小米等。是不是突然覺得這個相機好落後呀！這個相機的後端處理使用的也是7年前手機大量使用的高通的驍龍801處理器（2014年2月4日釋出，小米11都用到曉龍888了），這看起來也比較落後，實際上這是包括毅力號火星車在內用的最先進的處理器了，這就是航天與消費產品的區別，所以不能拿航天的產品和消費類的產品簡單做比較。

圖 5 IMX214引數

圖 6 使用IMX214的手機

機智號無人機上的相機的介紹就先介紹到這，下面分享一個小細節，從這個細節中我們也許可以體會到航天產品的一些特點。機智號的研製團隊公開了這樣一個小細節，導航處理器的影象處理硬體也有一些不理想的特性。例如，區域性邊緣檢測濾波器觸發具有低邊緣響應的區域中的影象的自適應模糊，並且具有較高邊緣響應的空間高通濾波器區域。儘管這對於商業手機影象是可取的（因為它具有銳化效果，在具有較低空間頻率內容的區域中降低影象噪聲，同時在具有較高邊緣內容的區域中增強銳化），但是該功能降低了特徵檢測和跟蹤效能，尤其是當邊緣內容逐幀更改時。這種銳化濾波器有時甚至會導致邊緣內容周圍的處理畫素強度出現不需要的幀間閃爍。研製團隊找不到簡單的方法來關閉它。最終高通公司提供了一個程式可以關閉它，但來不及實施，因為所有主要的測試和驗證已經做完了。看到這裡，從事航天工作的小夥伴應該比較有感觸，有時候我們可能有更好的解決問題的方法或者技術，但遺憾的是已經無法實施了。