Image processing robustness assessment with procedural generated minor bodies shapes

Exploration of minor celestial bodies is a booming field. Asteroids and comets are triggering more and more scientific interest due to their potential richness in precious material, their scientific value, as they can give incomparable information on the origin of the Solar System and the Universe, and for their potential hazardousness as well, due to the possibility of impacts with the Earth or man-made satellites. Minor bodies are not uniform in size: they can go from spherical shapes without significant topological features to irregularly-shaped objects with rocky, uneven and cratered surface. Nowadays, space probes rely more and more on optical navigation techniques, due to the increasing demand for autonomy. When dealing with minor bodies, the diversified range of shapes can significantly affect the performance of optical techniques. As proved by the Hayabusa and Rosetta mission, usually the knowledge of the shape of the minor body can not be known until mid or late phases of the mission. The need for robust image processing techniques arises, in order to enable deep space probes to confidently deal with uncertainty. This M.Sc. thesis project will assess the performances of the most important image processing techniques, traditionally applied in minor bodies missions. In doing so, a variety of shape models are used. To complement the existing ones, new models are generated with procedural techniques and usage of analytical and machine learning merging approaches. The work is divided into three parts. The first one will deal with the generation of new synthetic shapes combining data from known asteroids. The second part will deal with the generation of topological features like craters, boulders and surface roughness, in order to make the obtained images as photorealistic as possible. Finally, the third part will include a survey of traditional image processing techniques applied on 387 synthetic images of minor bodies, in order to assess their robustness.

L'esplorazione di corpi celesti minori è un campo in piena espansione. Asteroidi e comete suscitano sempre più interesse dovuto alla loro potenziale ricchezza di materiali preziosi, dal loro valore scientifico, in quanto possono fornire informazioni impareggiabili sulle origini del Sistema Solare e dell'Universo e anche per la loro potenziale pericolosità, a causa della possibilità di impatti con la Terra o con i satelliti. Le forme dei corpi minori non sono uniformi: possono passare da sferiche senza caratteristiche topologiche significative a oggetti di forma irregolare con superfici rocciose, disomogenee e ricche di crateri. Oggigiorno, le sonde spaziali si affidano molto alle tecniche di navigazione ottica, a causa della crescente richiesta di autonomia. Quando si tratta di corpi minori, la diversità di forme può influenzare in modo significativo le performance di tali tecniche. Come dimostrato dalle missioni Hayabusa e Rosetta, la forma del corpo non è un dato la cui conoscenza è assicurata da osservazioni da terra, ma solo nelle fasi in cui il corpo risulta chiaramente visibile dal satellite. Robusti algorithmi di elaborazione di immagine sono necessari in modo da consentire alle sonde, nello spazio profondo, di affrontare senza pericolo qualsiasi tipo di incertezza. Nel lavoro di tesi magistrale si andranno a valutare le performance delle più importanti tecniche di elaborazione di immagine, applicate tradizionalmente in missioni intorno a corpi minori. Per far ciò, è stata utilizzata una grande varietà di forme. A completamento dei modelli esistenti, ne sono stati generati di nuovi con tecniche procedurali e con l' uso di approcci di fusione analitici e con apprendimento automatico. Il lavoro è diviso in tre parti. La prima tratterà la generazione di nuove forme sintetiche ottenute combinando forme di asteroidi noti. La seconda si occuperà della generazione di caratteristiche topologiche come crateri, rocce e rugosità superficiali, al fine di rendere i risultati il più fotorealistici possibile. Infine, nella terza parte ci sarà un'indagine sulle tecniche tradizionali di elaborazione di immagine applicate su 387 immagini sintetiche di corpi minori, al fine di valutarne la robustezza.