2021年5月15日，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器成功实现在火星表面软着陆，迈出了我国星际探测征程的重要一步，在火星上首次留下中国人的印迹，这是我国航天事业具有里程碑意义的进展。6月11日，着陆巡视器的首批科学影像图揭幕仪式在北京举行，这标志着我国首次火星探测任务取得了圆满成功！
这次任务的成功，机器视觉技术发挥了重要作用。机器视觉技术具有重量轻、功耗低、稳定性强和算法先进等许多优点，而且能够提供最直观的影像，带给人们对地外星体身临其境的感受。“天问一号”探测器包含了着陆器和巡视器（又被称为“祝融号”火星车），并搭载了丰富的机器视觉传感器，从探测器进入火星大气层弹出减速降落伞到“祝融号”火星车在火星表面移动巡航，探测器的各个运行阶段中，机器视觉技术都在为火星探测任务保驾护航。
在着陆器打开降落伞前一刻，着陆器背罩上的开伞监视相机就开机工作，拍摄到了“开伞影像”。“天问一号”探测器上的开伞监视相机由两部工业相机组成，成功捕获到了从弹出降落伞、伞衣充气张满和减速下降各阶段的降落伞影像。这些影像事后被传回地球，用来分析降落伞的运动参数和形态参数，为研究伞的充气性能提供了宝贵的资料。火星降落伞影像受制于拍摄环境，动态模式的图像采集分辨率仅有100万像素，且降落伞的伞衣颜色与背景天空对比度低，拍摄距离远，这些因素都给视觉测量系统带来不小的挑战。我们“三维空间信息处理”研究团队承担并圆满地完成了火星降落伞的外观喷涂图案设计、相机的几何标定、降落伞运动参数和几何形态参数分析算法的设计集成等关键任务。实现了超分辨率重建和影像增强三维数据重建，获得了可靠的计算结果，根据地面验证系统分析，精度优于1.5%，测量精度非常高。这是在没有任何经验可供参考的条件下，全世界范围内首次实现行星表面着陆的降落伞影像数据定量分析。
在着陆器下降抵近火星表面时，安装在着陆器底部的摄像机俯视向下拍照，获得了“降落影像”。降落影像不但在火星着陆任务中存在，在我国的嫦娥系列登月任务中也有应用，它对地形信息感知发挥了重要作用。在着陆悬停阶段，探测器在约100米的高度上，使用全自动悬停避障系统，融合导航惯性测量单元、激光测距、微波测距、光学成像和激光三维成像等传感器，为这个1300公斤大家伙精准地选择安全的着陆区域。降落影像快速识别出大型的陨石坑或者石块障碍物，为着陆器的避障操作给出判断依据。在探测器着陆后，通过把降落影像与已有的行星轨道器制作的地图数据进行匹配，能够搜索到精确的着陆点经纬度坐标。此外，利用三维摄影测量算法，能够从连续拍摄的多张二维降落影像中，对着陆器的三维降落轨迹进行模拟重建，同时获得着陆区的三维地形结构。
着陆后，“祝融号”火星车脱离着陆器，行进约10米后，投放了2台分离相机。分离相机与火星车之间使用无线WIFI信号进行通信，像人们日常的自拍相机一样，分离相机实现了人类首次在火星表面拍摄火星车移动过程影像。在火星车退回到着陆器身旁时，分离相机拍摄到了火星车和着陆器同框的合影，这张合影显示了科学家的极致创意。合影传回地球的数据通信链涵括了分离相机、火星车和中继卫星轨道器等多个系统，体现了精准的测控技术。合影之后，火星车逐渐驶离着陆器，开始了精彩的探险之旅。
当“祝融号”火星车在火星表面移动巡航时，火星车桅杆上的双目导航相机和全景相机发挥类似人类眼睛的作用，拍摄了丰富的“导航影像”和“全景影像”。它们环视着火星车周围的环境，做到了在陌生的火星上知己知彼。桅杆可以进行左右旋转和上下俯仰，进行大范围的立体观测。通过双目立体视觉技术，从导航相机拍摄的双目影像中，可以精确恢复出巡视器周围的三维地形地貌信息。通过图像拼接方法，能够得到火星车巡视区的全景图像。这些地形地貌信息为移动轨迹规划和兴趣目标的选择提供了重要的参考依据。
根据不同位置拍摄的序列影像，使用视觉里程计技术，能够解算出火星车在火星表面的位置和姿态。视觉里程计技术在地球上的无人驾驶领域已经有广泛的研究应用。在地球上，通过将图像数据与全球导航定位系统和惯性导航系统进行融合处理，辅助无人车或无人机等载体自动避障行进。但在火星表面，没有全球导航定位系统的辅助，单纯依靠图像的定位定姿，具有更大的技术挑战。经与其他研究团队联合攻关，我们成功实现了将火星车的导航定位精度保持在20厘米的范围内。截至2021年8月15日，“祝融号”火星车成功从着陆器上出发，由北向南行驶了889米，安全工作90个火星日（约92个地球日）。视觉技术确保火星车保持良好稳健的前进状态。地面遥测遥控人员通过这些视觉影像，可以运筹帷幄之中，决胜千万里之外。
火星上的机器视觉传感器与人们的日常消费级的相机不同，在地外星体探测时没有随插随用的能源补充能力。各类传感器需要控制自身的体积重量，并具备低功耗的特性，时刻为探测器节约能量。此外，这些相机还需要忍耐高达100多度的温差，能够在极寒极热的环境下工作，并且能抗高频振动。这些复杂的工作环境，对传感器的制作能力提出了很高的要求。“天问一号”着陆巡视器的所有相机在轨运行期间，都实现了正常运转，体现了我国精湛可靠的深空探测相机制造加工工艺，这些相机可谓是真正的“火眼金睛”。航天领域的视觉技术研究为社会生产生活中许多高难度需求领域的应用和转化推广提供了能力储备。
中国首次火星探测项目完成了一次发射任务实现火星环绕、着陆和巡视三项高难度动作，机器视觉技术功不可没。机器视觉技术在“天问一号”着陆巡视器上的成功应用，也为全人类的深空探测活动贡献了中国智慧。与人类对地球探索的历史相比，人类对太空的探索仍然在起步阶段，在对浩瀚星辰的征程中，机器视觉技术将继续为提高航天探测器的自主化和智能化发展发挥重要作用。
（作者系南京航空航天大学副教授、“三维空间信息处理”研究团队负责人）
责任编辑：王昆鹏
