一些背景

在我们深入了解数据处理之前，最好简单地介绍一下“戏剧的主角”：成像器（也称为照相机）和太空飞行器的计算机。

凤凰号火星着陆探测器的主计算机的CPU是一个RAD6000，其最大时钟率为20MHz，另外它也能够以较低的时钟率来运行，以节省电池能量。这其中没有什么尖端的技术，只是一台防辐射的、把内存和闪存都混合在VME电路板的第一代PowerPC。CPU完成处理着陆任务后，它的主要功能是和地球通信（用专业术语来说，就是“上行和下行”，接下来将会详细介绍），监测太空飞行器的健康状况，通过从地球上发送的各种命令来协调各种科学设备的运行活动。它采用了WindRiver公司的VxWorks实时操作系统(ROS)，以及太空飞行器承包商Lockheed Martin公司提供的各种扩展软件。所有的飞行软件都是用C语言实现的，代码编写遵循一组特定的规范。

“上行”和“下行”

从太空飞行任务的专业角度来看，术语“上行”和“下行”指的是在地面和太空飞行器的控制器之间传送数据或命令。“上行”指的是传送命令或者数据到太空飞行器。“下行”发生在太空飞行器向地面发送回数据。

正如生活中的许多事情，指向飞行器顶部的天线并点击“Push To Talk”（对话）按钮，从来就不是一件很简单的事情。“上行”的数据或者命令必须首先通过审核，甚至是通过一些模拟来确保一切都准确无误。然后，命令和数据将会传递给命令控制器，当存在“上行”任务时，该控制器将会调度该任务（或者用太空术语来说，即“辐射”(rdiated)）。最后，这些数据进入NASA的Deep Space Network(DSN)通信系统，并从太空中辐射出来。但这并非最后一步，因为对于凤凰号探测器，它还必须通过绕火星轨道飞行的人造卫星进行中转，因为凤凰号探测器本身无法直接和地球通信。当该人造卫星运行到火星水平线时，凤凰号探测器将会监听新的“上行”数据。

“下行”也一样错综复杂。同样地，需要人造卫星作为中继，从凤凰号探测器接收数据，然后把这些数据传送回在地球上的NASA的其中一个DSN接收天线。然后，将会对这些数据进行各种处理和中转操作，直到把它们最终保存在JPL。如果是图像数据，JPL的Mission图像处理实验室将会对这些图像重新组合，提供给Arizona大学的科学运作中心的那些热切期待数据的科学研究团队。

凤凰号火星着陆探测器包含三个主要的照相机来完成表面科学成像：立体表面成像器(Sereo Surface Imager,SSI，有两个CCD感光元件）、机械臂成像器(Rbotic Arm Camera,RAC，只有一个CCD感光元件）、晶体管光学显微镜(MCA Optical Microscope,OM)成像器（同样，有一个和RAC相同的CCD)。图3-2显示了立体表面成像器SSI的飞行模型，图3-3显示了连接到机械臂的机械臂成像器RAC。光学显微镜放置在晶体管装置的内部，它本身看起来像是着陆器甲板表面上的一个黑盒子。

设计时所面临的挑战是设计一种方式，用以完成以下几个步骤的处理：从每个照相机上下载图像数据；把数据保存在一个预分配的内存空间；对数据进行处理，删除已知的像素点缺陷；修剪或者扩展图像；根据命令行参数进行压缩；然后对图像进行切片和切块(sice-and-dice)，把图像切分成各个数据包，把这些数据包传送给主机的“下行”(dwnlink)管理任务，从而传输回地球。

在立体表面成像器SSI中，每1024×1024像素的CCD感光元件能够生成2MB的数据，或者是100万个12位像素的数据。因为SSI是一台真正的立体照相机，它的成像器通常叫做“眼睛”。而且，SSI看起来确实有点像老式的机器人脑袋。机械臂成像器RAC和晶体管光学显微镜成像器OM每个都包含一个512×256像素的CCD感光元件成像器，每个成像器生成131072（或262144字节）个像素的数据（从现在开始，对于这两台成像器，我都将称之为RAC/OM，因为从成像软件角度出发，它们是完全一样的成像器）。实际上，CCD成像器的每个像素只占用12位的空间；标准内存的一个“字”长是16位。如何处理剩余的4个未使用的位，在设计阶段引发了一些有趣的讨论，这些讨论我将在下章中讨论。SSI、RAC和OM生成的所有图像都是单色的，没有彩色的图像。彩色图片是由在地球上使用过滤器或者特殊的照明技术，获取到独立的图像进行合成而来的。

图　3-2：立体表面成像器（图像来源：Arizona大学/NASA/JPL，见彩图11）

必须指出的是，虽然成像软件控制OM CCD来获取图像，但该软件和晶体管(MCA)设备、光学显微镜本身的电子机械控制并没有关系。后二者的控制是由JPL的MECA团队实现的一个独立的实时任务来负责处理的。

虽然以当前消费者的数字照相机的标准来看，凤凰号火星着陆探测器的100万像素并不算高，但是其使用的CCD成像器是为科学成像而专门定制的。照相机中的每个CCD感光元件设备都花费了数万美元，而且生产制造的数量有限。这些设备可靠、健壮而且精确，而且每台CCD都进行了全面地测试，而且为敏感度、噪音和缺陷等做了像素级别(pxel-by-pixel)的特性定制。正是这种特殊级别的特性化以及CCD生成的参考数据，把科学的CCD设备和消费者使用的普通照相机区别开。精确的特性化使得研究人员对图像数据能够精确地表现照相机所捕获的镜头充满自信。但是它也是影响CCD代价的主要因素。

图　3-3：机械臂照相机(Rbotic Arm Camera，图像来源：Arizona大学/Max Planck/NASA/JPL)