NASA-Marslandesonden

 
 
NASA-Marslandesonden
Visualisierung auf dem Roten Planeten – mit NVIDIA Quadro-Grafik
Die Mission

Gesteuert von den NASA-Wissenschaftlern können die Marslandesonden bis zu 40 Meter am Tag zurücklegen. Das 3D-Terrainkartenmaterial wird dabei von NVIDIA Quadro® Grafiklösungen visualisiert. Dieses Bild (Quelle: NASA/ JPL/Cornell/Maas Digital LLC) wurde ebenfalls mit NVIDIA-Grafiklösungen erstellt.
Schon seit Jahrhunderten ist die Menschheit vom Mars fasziniert – besonders aber in jüngster Zeit. Die Entdeckung von Kanälen im späten 19. Jahrhundert und die ersten Marsansichten, die 1965 von Mariner 4 noch im Vorbeiflug aufgenommen wurden, ließen die Frage aufkommen, ob es auf dem Mars wohl einmal Leben gegeben hat oder sogar noch gibt. Heutzutage hält man es für durchaus möglich, dass Leben auf dem Mars in bestimmten Formen existieren könnte, beispielsweise in unterirdischen Quellen oder unter dicken Eisschichten. Immer jedoch ist Wasser im Spiel – das daher auch der Hauptgegenstand heutiger Untersuchungen und Marsmissionen ist. Durch die Untersuchung der Wasservorkommen auf dem Mars und deren zeitlicher Entwicklung hoffen die Wissenschaftler, etwas mehr Gewissheit in die zahlreichen Spekulationen bringen zu können und vielleicht Antworten auf einige der großen Fragen unseres Universums zu finden.

Bei der aktuellen NASA-Marsmission kommen zur visuellen Erfassung und Analyse der Planetenoberfläche zwei etwa golfwagengroße Landesonden zum Einsatz, die mit Kameras und einem umfangreichen wissenschaftlichen Instrumentarium ausgerüstet sind. Die Anforderungen an die Technik waren enorm: Die Wissenschaftler brauchten ein absolut zuverlässiges System für die Streckenplanung der Landemobile, um den Erfolg der Mission sicherzustellen und möglichst viele wertvolle Daten zu erhalten. Schließlich entschieden sie sich für professionelle Grafiktechnologie von NVIDIA.

Im neuen System der NASA kommen NVIDIA Quadro® Grafiklösungen zum Einsatz, mit denen die Marsoberfläche anhand der von den Landesonden empfangenen Daten fotorealistisch rekonstruiert wird. So entsteht eine Virtual Reality-Umgebung, in der die Wissenschaftler den Mars dreidimensional erkunden können – als ob sie tatsächlich dort wären und sich frei bewegen könnten. Diese NVIDIA-gestützte Umgebung dient den NASA-Wissenschaftlern als präzise Visualisierungs- und Planungslösung: Im virtuellen Überflug einer höchst realistischen, dreidimensional simulierten Marsoberfläche lassen sich verschiedene Streckenplanungen und Experimente im Voraus durchspielen, bevor letztendlich der tatsächliche Fahrtbefehl an die Landesonde übertragen wird.

Dank unserer NVIDIA-Grafiklösungen können unsere Wissenschaftler die Bewegungen der Landesonden in fotorealistischen 3D-Oberflächenansichten interaktiv planen. So gehen wir sicher, dass die jeweilige Sonde am geplanten Zielort auch tatsächlich erfolgreiche Experimente durchführen und Daten sammeln kann. Von den Marssonden erhalten wir ständig riesige Mengen an Bilddaten, die wir in kürzester Zeit analysieren und unserem Forscherteam zugänglich machen müssen. Hierfür hat sich die fotorealistische 3D-VR-Visualisierung als optimal erwiesen – so können wir die zurückgelegte Strecke maximieren und noch mehr Daten und Wissen sammeln.' 
Dr. Laurence Edwards, Mars-Projektleiter für 3D-Visualisierung und Oberflächenrekonstruktion, Intelligent Robotics Group, NASA Ames Research Center

Die Mars-Datenflut – und wie die NASA damit fertig wird

Im Laufe der nächsten drei Monate werden die beiden Marslandesonden Datenmengen an die NASA übertragen, die im Terabytebereich anzusiedeln sind – ein gewaltiges Datenvolumen also. Die erste Landesonde, getauft auf den Namen Spirit, setzte bereits am 4. Januar 2004 im Gusev-Krater auf dem Mars auf. Drei Wochen später folgte ihm die Schwestersonde Opportunity auf den Planeten. Ausschlaggebend für die Wahl des Gusev-Kraters war die Vermutung, er könne eventuell durch Wassererosion entstanden sein.

Auf Basis von NVIDIA Quadro-Grafikprodukten kann Viz, die Virtual Reality-Software der NASA, die Marsoberfläche  in 3D rekonstruieren. Dabei entstehen Bilder wie dieses, das die Schleifspur eines Spirit-Luftlandekissens zeigt.  Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA Ames/JPL/Cornell.
Für die Landung von Opportunity wurde hingegen eine Region auf der anderen Seite des Planeten ausgewählt, das so genannte Meridiani Planum. Hierbei handelt es sich um eine der ebensten, gleichmäßigsten Landschaften des Planeten, für die sich die Wissenschaftler besonders interessieren, weil die Mars Global Surveyor-Sonde hier große Vorkommen eines Eisenoxidminerals ausgemacht hatte – und Eisenoxid, besser bekannt als Rost, entsteht natürlich in der Regel gerade dort, wo auch Wasser vorhanden ist.

Die zur Erde übermittelten Daten gewinnt Spirit einerseits aus vier Kameras zur Hinderniserkennung, die paarweise vorne und hinten am Fahrgestell des Marsmobils angebracht sind, andererseits aus zwei weiteren Kamerapaaren, die an einem höher aufsteigenden Mast montiert sind. Hierzu gehören eine hochauflösende Panoramakamera und zwei niedriger auflösende Kameras, die der Navigation dienen.

So erfüllen diese Kameras eine doppelte Funktion: Erstens verschaffen sie den Wissenschaftlern Bildmaterial für die Navigation der Landesonden, zweitens dienen sie der wissenschaftlichen Erfassung geologischer und meteorologischer Daten. Die Panoramakameras beispielsweise schicken hochauflösende 360-Grad-Oberflächenpanoramen als Bilddateien mit 1024x1024 Bildpunkten in 16 Bit Farbtiefe zurück zur Erde. Dabei kann eine einzige Übertragung Hunderte von Bildern umfassen.

3D-Karten für die Fortbewegung

Dank der NVIDIA Quadro-Visualisierungslösung können die NASA-Wissenschaftler die nächsten Schritte ihrer Landesonden planen, ohne sich durch riesige Bilddatenmengen kämpfen zu müssen. Die hochauflösenden Fotos der aktuellen Sonden sind dabei dreimal so detailliert wie die Bilddaten, die 1997 bei der Sojourner-Mission übertragen wurden. Die neuen Landesonden legen sechs- bis zehnmal längere Strecken zurück und übermitteln pro gefahrenem Meter etwa 20-30.000 Messaufnahmen mehr als Sojourner. Aus dieser gewaltigen Datenbasis entsteht mithilfe der NVIDIA-Visualisierungslösung eine besonders detaillierte, dreidimensionale Wiedergabe der Planetenoberfläche in bester Grafikqualität.

Die Marssonde Spirit überträgt hochauflösende Bilder der Marsoberfläche an die Erde. NVIDIA-Grafiklösungen helfen der NASA, diese Bilddaten mit anderen Messdaten zu einer fotorealistischen Virtual Reality-Umgebung zu verwandeln. Dieses Bild (Quelle: NASA/ JPL/Cornell/Maas Digital LLC) wurde ebenfalls mit NVIDIA-Grafiklösungen erstellt.
Damit bei der Arbeit der Landesonden keine unnötigen Unterbrechungen auftreten, arbeiten die NASA-Wissenschaftler im Team: Eine Gruppe kümmert sich um die Steuerung der Sonde, während eine andere Gruppe anhand der gerenderten Bild- und Messdaten von bisher noch nicht angefahrenen Gebieten das Arbeitspensum für den nächsten Tag festlegt. Im Zuge der Terrainrekonstruktion aus den neu eintreffenden Daten werden die jeweils fertig gestellten 3D-Kartensegmente in eine Master-Umgebung integriert, die nach Abschluss der Mission eine vollständige Virtual Reality-Dokumentation der Sondenbewegungen darstellen wird.

Dr. Laurence Edwards, Mars-Teamleiter für 3D-Visualisierung und Oberflächenrekonstruktion beim NASA Ames Research Center, erklärt den Prozess wie folgt: „Dank der NVIDIA-Technologie kann die NASA das Marsterrain als fotorealistische VR-Umgebung simulieren. So erhalten unsere Wissenschaftler eine viel anschaulichere Umgebungsdarstellung, und die Analyse wird bedeutend einfacher. Sie können praktisch selber auf dem Mars stehen und alle Objekte, die das Landemobil untersucht hat, aus mehreren Perspektiven betrachten – von vorne, von hinten, von der Seite. Damit haben sie eine optimale Planungs- und Entscheidungsgrundlage, um festzulegen, wohin die Sonde als nächstes fahren soll und welche Experimente dort durchgeführt werden.“

„Mit den NVIDIA Quadro-Grafiklösungen als Hardwarefundament unserer Virtual-Reality-Software Viz können wir auch die voraussichtlichen Licht- und Oberflächenbedingungen bei geplanten Experimenten simulieren“, so Edwards weiter. „Wenn etwas, das uns interessiert, beispielsweise im Schatten eines Felsklumpens verborgen liegt, erkennen die Wissenschaftler im Kontrollzentrum dies schon im Voraus und können das Problem umgehen. So können wir dank dieses NVIDIA-gestützten Systems verschiedene Szenarien, Wegstrecken und Experimente exakt im Detail vorausplanen, bevor wir der Sonde den tatsächlichen Einsatzbefehl geben."

Modernste Visualisierung in PC-Workstations

Dieses 3D-Bild von „Adirondack“, einem etwa rugbyballgroßen Felsklumpen, wurde mit Viz auf Basis einer NVIDIA Quadro-Grafiklösung erzeugt. Dieser Stein wurde als erstes Zielobjekt für Spirit auserkoren, da er eine flache Oberfläche hat und relativ staubfrei ist. Dies sind ideale Voraussetzungen, um tiefer in den Stein zu bohren und dort „unberührte“ Gesteinsschichten zu untersuchen. Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA Ames/JPL/Cornell.
„Der NVIDIA-Technologie kam eine Schlüsselrolle zu, als es darum ging, unsere stetig wachsenden Visualisierungsanforderungen für Marsmissionen zu erfüllen. Dank der hervorragenden Leistung, der Präzision und den Schatten-Mapping-Funktionen der NVIDIA Quadro-Lösungen können wir bei der NASA jetzt mit ganz normalen PC-Workstations arbeiten, um die Marsoberfläche im Detail zu rekonstruieren. Mit den NVIDIA Quadro-Karten haben wir in Einzelsystemen wie auch in Clustern die Möglichkeit, in einer fotorealistischen Virtual Reality-Umgebung 3D-Karten der Marsoberfläche zu rekonstruieren. Unsere Wissenschafter erhalten so ein viel besseres Verständnis der Marsumgebung, und der gesamte Analyseprozess wird deutlich vereinfacht“, freut sich Edwards.

Ein Großteil der Wissenschaftler visualisiert die Terrainmodelle an normalen NASA-Workstations, die mit einer NVIDIA Quadro FX 2000-Grafikkarte ausgerüstet sind. Edwards weiter: „Diese Lösung auf Basis einer NVIDIA-Karte deckt schon einen guten Teil unseres Gesamtmodells ab, was für uns natürlich auch einen großen Kostenvorteil bedeutet. Für die hochauflösenden 3D-Terrainmodelle und 360-Grad-Oberflächenpanoramen haben wir Systeme mit der NVIDIA Quadro FX 3000 im Einsatz. Außerdem möchten wir jetzt einige PC-Workstations mit NVIDIA Quadro FX 3000G-Karten zu einem Cluster verbinden. Mit so einem System haben wir dann eine Visualisierungsleistung, wie sie uns nicht einmal ein teurer Supercomputer bieten könnte – und das bedeutet, dass dann noch mehr unserer Wissenschaftler die Vorteile einer Highend-Visualisierungslösung nutzen können.“

Jeff Brown, Leiter des Workstation-Produktmanagements bei NVIDIA, gibt unter anderem folgende Gründe an, die letzlich für die NASA ausschlaggebend waren, ihre Viz-Software von einer Großrechnerumgebung auf PC-Workstations mit NVIDIA Quadro-Grafiklösungen zu migrieren:
  • Performance:
    Bereits eine PC-Workstation mit einer NVIDIA Quadro-Karte der Vorgängergeneration kann Bilddaten 33% schneller anzeigen als die teure, proprietäre Vorgängerlösung der NASA.


  • Überlegene Schattensimulation:
    Viz profitiert nun von interaktiver Schattensimulation in Echtzeit, sodass die Umgebungsbedingungen für lichtabhängige Experimente vorhergesagt werden können.


  • Clustering:
    Dank der Möglichkeit, mehrere NVIDIA Quadro FX 3000G-Systeme zu einem Cluster zu verbinden, erreicht Viz eine Performance, die mindestens auf Großrechnerniveau liegt – allerdings zu einem Zehntel der Kosten.


  • Bessere Anwendungsverfügbarkeit:
    Da NVIDIAs professionelle Grafiklösungen von der NVIDIA Quadro FX 500 im Einstiegsbereich bis hin zur NVIDIA Quadro FX 3000G im Highend alle Leistungssegmente abdecken, kann die NASA ihre Virtual Reality-Software Viz mit ganz normalen PC-Workstations praktisch an jedem Arbeitsplatz zur Verfügung stellen.
Visualisierungsansprüche zukünftiger Marsmissionen

Natürlich gibt sich das Team, das im NASA Ames Research Center für die 3D-Visualisierung und Oberflächenrekonstruktion zuständig ist, nicht mit dem bisher Erreichten zufrieden. Ständig wird neue Grafiktechnologie getestet, um sicherzustellen, dass Viz stets auf dem neuesten Stand der Technik ist und die Anforderungen der Wissenschaftler auch bei zukünftigen Missionen noch erfüllen kann. „Wir bemühen uns ständig um neue, noch bessere Konzepte, beispielsweise was die Bedienerschnittstelle der Landesonden oder die nachgelagerte wissenschaftliche Auswertung angeht“, kommentiert Edwards. „Die Aufgabe unserer Gruppe ist es, in die Anwender- und Bedienerschnittstelle einer Mission stets die neuesten Technologien einfließen zu lassen. Die NVIDIA-Produkte bieten uns in diesem Zusammenhang noch viele Möglichkeiten, um unsere Systeme weiter zu verbessern. Beispielsweise möchten wir jetzt den Prototyp einer großen 360-Grad-Bedieneroberfläche auf Basis eines NVIDIA Quadro FX 3000G-Clusters demonstrieren. Damit könnten die Wissenschaftler förmlich in die Marsumgebung eintauchen. In nicht allzu ferner Zukunft haben wir dann vielleicht den Punkt erreicht, an dem der Forscher mitten in einer solchen Simulation sitzt und die Fortbewegung und die Experimente der Landesonde einfach per Touchscreen oder über Sprachbefehle steuert."

Geteiltes Wissen

Erst durch die anschauliche Visualisierung werden die von den Landesonden gesammelten Kamera- und Messdaten zu direkt verwertbarem Wissen. So hilft NVIDIAs Grafiktechnologie der NASA, die gesammelten Erkenntnisse der Marsmissionen anderen Forschern zugänglich zu machen. Wissenschaftler auf der ganzen Welt haben problemlosen Zugriff auf die erstellten 3D-Modelle – und zwar in einem Umfang und in einer topographischen Genauigkeit, die in der gesamten Geschichte der Raumfahrt bisher nie erreicht wurde. Da darüber hinaus regelmäßig Marsbilder, die mithilfe der NVIDIA-Lösungen erstellt wurden, im Internet veröffentlicht werden, kann auch die interessierte Öffentlichkeit virtuell an der Suche nach Leben auf dem Mars teilhaben.

Die Bewegungen der Landesonde müssen sorgfältigst geplant werden. Im virtuellen „Überflug“ über den Mars spielen die Wissenschaftler daher jede mögliche Route durch und bestimmen potenzielle Untersuchungsobjekte. Dieses Bild (Quelle: NASA/ JPL / Cornell/Maas Digital LLC) wurde auf einer NVIDIA-Grafiklösung erzeugt. Dieses 3D-Bild, das die Sicht der Sonde bei der Anfahrt auf den Felsklumpen „Adirondack“ zeigt, wurde mit der Virtual Reality-Software Viz von NASA Ames auf Basis einer NVIDIA Quadro-Grafiklösung erzeugt. Sprit wird einen Teil des Felsens zur genaueren mikroskopischen Untersuchung mittels einer speziellen Vorrichtung abschleifen. Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA Ames/JPL/Cornell. Dieses von Spirit gesendete NASA-Panoramabild könnte bereits die vorgesehene Wegstrecke der Landesonde von der Landestelle bis zum endgültigen Bestimmungsort an den östlich gelegenen Hügeln (Entfernung etwa 3 bis 3,5 km) beschreiben. Dank solcher Bilder, die nach der Übertragung mithilfe der Viz-Software und NVIDIA-Grafiklösungen in eine Virtual Reality-Umgebung aufgearbeitet werden, können die Wissenschaftler den Weg der Landesonde besser planen. Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA/JPL/Cornell.

Weitere Informationen

Nähere Informationen zu NVIDIA Quadro-Lösungen: http://www.nvidia.de/quadro

Weiterführende Informationen zum NASA-Marslandeprojekt: http://marsrovers.jpl.nasa.gov/home/index.html



 
 
 
 
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