Modellazione del sensore pushbroom per la calibrazione del telescopio HYPSOS

Nowadays, one of the goals that we always try to satisfy when facing a space mission that has as objective the observation of solid bodies, is to obtain the DTM, Digital Terrain Model, of the planet’s surface that we are going to observe. The DTM model is a model that includes three-dimensional spatial characteristics of the region framed and it is the result of complex procedures starting from at least two images of the same region acquired from different point of views. HYPSOS, HYPerspectral Stereo Observing System, is an instrument that will employ a new technology able to give simultaneously both 3D spatial and spectral information of the observed features. With the spectral information and the spatial information, we can create a representation of the surface linked with the hyperspectral information emitted and diffused by the objects on the surface in 3D space. Thus, we name the resulting data product Hyperspectral Digital Terrain Model (HDTM). An important step for the use of the stereo camera is the modelling and calibration. In this thesis I present the work done for realizing a technique of geometric calibration of HYPSOS, which acquires the data by means of a pushbroom scanning system. The adopted technique follows the method introduced by Gupta and Hartley, that under some assumptions, allows to greatly simplify the computational steps usually involved in the pushbroom model calibration. This analysis allows to reproduce results at the sub-pixel scale, allowing also to model the non-linear effects induced by the camera movement. The accuracy of the model has been validated using different approaches: we used a series of simulated images obtained with a ray-tracing software and a numerical benchmark. An important task of the work has been to implement the estimation of the model proposed by Gupta & Hartley for the linear pushbroom systems and validate the method: this has been done both with numerical inputs and with the extraction of the chessboard corners coordinates extracted from the ray-traced images by means of a Harris Corner detector. Furthermore, I searched for the optimal chessboard geometry to provide the smallest error in the detection.

Al giorno d’oggi, uno degli obbiettivi che si cerca sempre di soddisfare in una missione spaziale che ha come obbiettivo l’osservazione di corpi solidi, è quello di ottenere il DTM, Digital Terrain Model, della superficie del pianeta da osservare. Il modello DTM è un modello che comprende le caratteristiche spaziali della regione analizzata, a partire da almeno due immagini della stessa regione acquisite da punti di vista differenti. HYPSOS, HYPerspectral Stereo Observing System, è uno strumento che impiegherà una nuova tecnologia che sarà in grado di restituire simultaneamente sia le informazioni spaziali 3D che le informazioni spettrali dell’oggetto osservato. Con le informazioni spaziali e spettrali, possiamo creare una rappresentazione della forma della superficie collegata insieme alle informazioni iperspettrali emesse e riflesse dagli oggetti ricoperti dalla superficie nello spazio 3D. Il modello che ne risulta viene chiamato Hyperspectral Digital Terrain Model (HDTM). Un passaggio importante per l'utilizzo della stereo camera è la modellazione e calibrazione; In questa tesi presenterò il lavoro svolto per la calibrazione geometrica del sistema di acquisizione pushbroom di HYPSOS, seguendo il metodo introdotto da Gupta e Hartley che, fatte alcune ipotesi, consente di semplificare notevolmente i passaggi computazionali solitamente coinvolti nella calibrazione del modello pushbroom. Questa analisi ha permesso di riprodurre i risultati alla scala sub-pixel, consentendo anche di modellare gli effetti non lineari indotti dal movimento della stereo camera. L’accuratezza del modello è stata validata utilizzando diversi approcci: abbiamo sfruttato una serie di immagini simulate ottenute con un software di ray-tracing e un benchmark numerico. Un obiettivo fondamentale del lavoro è stato quello di implementare la stima del modello proposto da Gupta & Hartley per i sistemi pushbroom lineari e validare il metodo sia con input numerici, sia grazie alle coordinate dei corners della scacchiera estratti dalle immagini ottenute con ray-tracing per mezzo di un rilevatore Harris Corner. Inoltre, ho lavorato per capire quale potesse essere la migliore geometria della scacchiera per la calibrazione, che permettesse di ottenere un errore minore nel rilevamento.