Image-based shape reconstruction of dimorphos using stereophotoclinometry

Launched in October 2024, the Hera mission will arrive at the Didymos system in 2027 to investigate the effects of NASA’s DART impact, the first planetary defense mission to test the kinetic impactor technique. Key objectives of the mission include assessing the momentum transfer efficiency of DART's impact and estimating Dimorphos' mass and internal structure, both of which rely on accurate shape reconstruction. These objectives will be achieved by Milani, one of the two cubesats aboard Hera, which will capture images of Dimorphos using its Navigation Camera. This thesis aims to predict the accuracy of Dimorphos' reconstructed shape using simulated images captured by Milani's Navigation Camera (NavCam). A high-fidelity, physically-based raytracer was developed to simulate images, accounting for multiple light bounces and the interaction with the NavCam’s Bayer filter. The generated images are used to reconstruct the asteroid's topography through a process called Stereophotoclinometry (SPC), a technique that creates Digital Terrain Models (DTMs) from images. SPC relies on multiple images of the same surface, captured under different lightning conditions, to estimate slopes and albedo of small terrain patches through linear estimation. The slopes are then integrated to provide estimate of the terrain elevation. The SPC algorithm was applied to different image datasets, evaluating performance across different mission phases: Far Range, Close Range, and Experimental. Reconstruction accuracy was assessed by comparing synthetic topography with ground-truth reference. This study demonstrates that Milani's NavCam images can generate DTMs that accurately reconstruct Dimorphos' topography. In particular, Experimental Phase images allow to reconstruct the topography with average errors between 0.2 m and 1.3 m, demonstrating the potential for high-precision shape reconstruction.

Lanciata nell’ottobre 2024, la missione Hera raggiungerà il sistema di Didymos nel 2027 per studiare gli effetti dell’impatto di DART della NASA, la prima missione di difesa planetaria a testare la tecnica dell’impatto cinetico. Gli obiettivi principali della missione includono la valutazione dell’efficienza del trasferimento di quantità di moto dell’impatto di DART e la stima della massa e della struttura interna di Dimorphos, entrambe dipendenti da una ricostruzione accurata della forma dell’asteroide. Questi obiettivi saranno raggiunti da Milani, uno dei due CubeSat a bordo di Hera, che catturerà immagini di Dimorphos utilizzando la sua camera di navigazione (NavCam). Questa tesi si propone di prevedere l’accuratezza della ricostruzione della forma di Dimorphos utilizzando immagini simulate acquisite dalla NavCam di Milani. Per simulare le immagini, è stato sviluppato un raytracer ad alta fedeltà, in grado di tenere conto dei rimbalzi multipli della luce e dell’interazione con il filtro di Bayer presente nella NavCam. Le immagini generate sono state utilizzate per ricostruire la topografia dell'asteroide attraverso un processo chiamato Stereofotoclinometria (SPC), una tecnica che genera modelli di elevazione digitali (DTM) a partire da immagini. SPC si basa su più immagini della stessa superficie, catturate in diverse condizioni di illuminazione, per stimare le pendenze e l’albedo di piccole porzioni di terreno attraverso tecniche di stima lineare. Le pendenze vengono poi integrate per ottenere una stima dell’elevazione del terreno. L’algoritmo SPC è stato applicato a diversi set di immagini, valutando le prestazioni durante le varie fasi della missione: Lunga Distanza, Distanza Ravvicinata e Sperimentale. L’accuratezza della ricostruzione è stata valutata confrontando la topografia sintetica con un modello di riferimento. Questo studio dimostra che le immagini della NavCam di Milani possono generare DTM in grado di ricostruire accuratamente la topografia di Dimorphos. In particolare, le immagini della fase Sperimentale consentono di ricostruire la topografia con errori medi compresi tra 0,2 m e 1,3 m, dimostrando il potenziale per una ricostruzione della forma ad alta precisione.