La mission Mars Rover

L’équipe scientifique de la NASA peut piloter les robots martiens sur une distance de 40 m par jour, avec l’assistance de cartes du terrain en 3D qu’ils visualisent grâce à des solutions graphiques NVIDIA Quadro®. Cette image, utilisée avec l’aimable autorisation de l’équipe NASA/JPL/Cornell/Maas Digital LLC, a été créée à l’aide d’une solution graphique NVIDIA.

La fascination de l’homme pour la planète Mars n’a cessé de croître au fil des siècles. La découverte de canaux par les astronomes à la fin du XIXème siècle, puis les premières images fournies par la navette spatiale Mariner 4 au cours d’une mission effectuée en 1965, ont incité les spécialistes à rechercher des traces de vie sur la planète rouge. Aujourd’hui, les recherches portent sur les indices de présence d’eau. Il est encore envisageable qu’une forme de vie, quelle qu’elle soit, subsiste sur Mars, dans des sources souterraines ou sous d’épaisses calottes glaciaires, par exemple. En en apprenant davantage sur l’histoire de l’eau sur la planète Mars, les scientifiques espèrent remplacer le mythe par la réalité et répondre à quelques-unes des grandes questions que nous nous posons au sujet de notre univers.

Pour la mission Mars 2004, la NASA a déployé deux robots (rovers) de la taille d’une voiturette de golf. Ces robots sont équipés de caméras et d’instruments scientifiques destinés à observer et à analyser la surface. Les scientifiques qui participent à cette mission ont besoin d’un dispositif de sécurité intégré permettant de planifier les mouvements des robots, de garantir un fonctionnement sans faille et de recueillir le maximum d’informations. C’est pour répondre à ces besoins qu’ils ont choisi NVIDIA Corporation pour leur fournir une technologie graphique informatique professionnelle.

La NASA utilise les solutions graphiques NVIDIA Quadro® afin de reconstruire le sol de la planète Mars à partir des données transmises par les robots sous la forme d’une réalité virtuelle photoréaliste. Conséquence : les scientifiques peuvent explorer Mars en 3D comme s’ils se déplaçaient réellement en toute liberté à la surface de Mars. Cet environnement soutenu par du matériel NVIDIA fait office de système d’observation et de planification précis pour la NASA. Il permet aux scientifiques de répéter divers scénarios avec les robots, d’exécuter et de tester des mouvements en « survolant » des reconstructions en 3D extrêmement réalistes de la surface de Mars, avant de piloter réellement le véhicule en vue d’accomplir des tâches.


Traitement des données provenant de Mars

Au cours des trois prochains mois, la NASA va recevoir des téra-octets de données envoyés par deux robots. Le premier robot, dénommé Spirit, s’est posé sans encombre dans le Gusev Crater le 4 janvier 2004, trois semaines avant la date prévue pour le second rover. Le site du Gusev Crater a été sélectionné, car on y observe ce qui ressemblerait à des traces d’érosion très anciennes, causées par de l’eau vive.

Les solutions graphiques NVIDIA Quadro, qui boostent le logiciel de réalité virtuelle Viz de la NASA, représentent cette reconstruction du sol virtuel en 3D, révélant une trace laissée par l’un des coussins gonflables du robot Spirit. Image reproduite avec l’aimable autorisation de NASA Ames/JPL/Cornell.

Le site choisi pour le second robot, Opportunity, se trouve à mi-chemin de l’autre côté de la planète, dans une région appelée Meridiani Planum. Ce lieu constitue l’un des emplacements les plus plats et les plus lisses sur Mars. Par ailleurs, il suscite de l’intérêt car la navette spatiale Mars Global Surveyor y a détecté une forte présence d’oxyde de fer (de rouille), qui se forme généralement au contact de l’eau.

Le robot Spirit envoie sur Terre des données générées à partir de deux couples de caméras d’identification des risques montés sous le plateau avant et arrière du robot, et de deux autres paires de caméras placées en haut du pylône s’élevant sur le plateau. Ces caméras comprennent un appareil panoramique de haute résolution et un couple de caméras de résolution inférieure destiné à la navigation.

Les caméras offrent les vues indispensables à la navigation des robots et à la collecte des données géologiques et météorologiques. Les caméras panoramiques des rovers envoient des images de la surface de en haute résolution, à 360° et 1 024 x 1 024 x 16 bits. Ces panoramas sont extrêmement volumineux d’un point de vue numérique. Une transmission effectuée par un robot peut se chiffrer en centaines d’images.

Des cartes en 3D pour l’exploration des robots

Les solutions graphiques NVIDIA Quadro permettent aux scientifiques d’identifier les activités des robots sans avoir à passer au crible des quantités colossales de données photographiques. Les scientifiques de la NASA utilisent les solutions NVIDIA pour visualiser des photographies de haute résolution à une échelle trois fois supérieure à celle des images transmises par le robot Sojourner en 1997. Comme les nouveaux rovers peuvent parcourir une distance entre six et dix fois supérieure à celle que parcourait Sojourner, et qu’ils prennent environ entre 6 000 et 10 000 mesures supplémentaires par pied, les données observées à l’aide du matériel graphique NVIDIA sont converties en une représentation 3D du sol martien particulièrement détaillée et visuellement riche.

Le robot martien Spirit envoie sur Terre des photos du sol de haute résolution. Les solutions graphiques NVIDIA permettent à la NASA de reconstituer la surface en réalité virtuelle photoréaliste à partir de ces informations et d’autres données qui lui ont été transmises. Cette image, utilisée avec l’aimable autorisation de l’équipe NASA/JPL/Cornell/Maas Digital LLC, a été créée à l’aide d’une solution graphique NVIDIA.

Les robots travaillent continuellement au cours d’une mission. Une équipe scientifique de la NASA gère les activités quotidiennes du robot tandis qu’une autre planifie celles du lendemain en étudiant et en manipulant les données mathématiques et photographiques générées à l’aide du matériel NVIDIA et prises à partir de points ciblés (mais encore non explorés) sur le sol de la planète Mars. À mesure que des modèles de sols sont reconstruits à partir des nouvelles données image, les zones cartographiées en 3D déjà répertoriées sont fusionnées pour constituer un environnement virtuel principal qui, au terme de la mission, représentera l’ensemble des mouvements du robot.

Laurence Edwards, diplômé d’un doctorat (Ph.D.), est le responsable du projet Mars pour la visualisation et la reconstruction de la surface en 3D au Centre de recherche de la NASA basé à Ames. Il explique que « la technologie NVIDIA permet à la NASA d’observer le sol de la planète Mars en réalité virtuelle photoréaliste. De ce fait, les scientifiques sont à même de mieux comprendre l’environnement de la planète et de rationaliser les analyses effectuées. Grâce à cette fonctionnalité, les scientifiques se plongent dans un modèle visuel engageant de la surface de Mars et étudient sous différentes perspectives et de manière interactive (vues avant, arrière et latérales) les objets identifiés par les robots. De cette manière, ils peuvent totalement explorer tous les itinéraires et résultats possibles. »

« En boostant Viz, le logiciel de réalité virtuelle que nous utilisons pour les missions sur Mars, à l’aide d’une solution graphique NVIDIA Quadro, nous pouvons également modeler les conditions d’éclairage et de surface en fonction de nos hypothèses pour une expérience donnée », affirme M. Edwards. « Si une pierre projette une ombre, obscurcissant une fonction qui nous intéresse, les scientifiques connaîtront cet effet à l’avance et pourront anticiper une parade. Les fonctionnalités offertes par les solutions NVIDIA permettent à la NASA de conceptualiser divers scénarios et de planifier les mouvements et activités des robots avant de guider les engins dans leurs tâches effectives. »

Visualisation avancée sur les stations de travail PC

Cette image en 3D d’Adirondack, une pierre de la taille d’une balle de football, a été reconstituée à l’aide de Viz et du matériel graphique NVIDIA Quadro. La pierre fut choisie comme première cible pour Spirit en raison de sa surface plane et relativement dépourvue de poussière, conditions idéales pour creuser à l’intérieur afin d’exposer la couche de roche inférieure. Image reproduite avec l’aimable autorisation de NASA Ames/JPL/Cornell.

« La technologie NVIDIA a joué un rôle essentiel dans la mise au point d’une solution répondant à nos besoins de visualisation en constante évolution pour les missions sur Mars. Les performances, la précision et le placage d’ombres incroyables dont sont capables les solutions NVIDIA Quadro permettent à la NASA d’utiliser des stations de travail PC standard pour observer les reconstructions de la surface martienne à grande échelle. Les cartes NVIDIA Quadro, disponibles en systèmes individuels ou sous forme de clusters (groupes), nous permettent d’élaborer des cartes en 3D du sol martien au sein d’un espace virtuel photoréaliste. De ce fait, les scientifiques sont à même de mieux comprendre l'environnement de la planète et de rationaliser le processus d’analyse », affirme Laurence Edwards.

La plupart des scientifiques consacrent leur temps à observer les modèles de sols à l’aide de stations de travail standard configurées pour les opérations scientifiques de la NASA et équipées d’une solution graphique NVIDIA Quadro FX 2000. D’après M. Edwards, « cette solution NVIDIA permet de traiter une zone relativement grande du modèle global et rend l’accès aux données d’une efficacité redoutable. Pour la résolution maximale, les modèles de sol en 3D avec des vues à 360° de la surface, nous avons adopté les Quadro FX 3000. Nous prévoyons également de regrouper en clusters plusieurs stations de travail PC équipées de solutions NVIDIA Quadro FX 3000G. Un tel système surpassera la puissance de superordinateurs onéreux et offrira une visualisation haut de gamme à un plus grand nombre de scientifiques ».

D’après Jeff Brown, responsable général de la gestion du parc des stations de travail chez NVIDIA, la NASA a migré Viz du superordinateur vers les stations de travail PC équipées de solutions graphiques NVIDIA Quadro pour les raisons suivantes :

• Les performances :
  Une carte graphique NVIDIA Quadro de génération antérieure installée dans une station de travail PC affichait les images trois fois plus rapidement que le système propriétaire et onéreux.



• Un ombrage d’une qualité supérieure :
  La solution NVIDIA permet à Viz de traiter de manière optimale les simulations d’ombres interactives en temps réel afin de prédire les situations d’ensoleillement et d’ombre pour les expériences affectées par les degrés de luminosité.



• Le clustering :
  Le fait de pouvoir lier plusieurs solutions NVIDIA Quadro FX 3000G permet d’atteindre avec Viz des niveaux de performances équivalents ou supérieurs à ceux obtenus avec un superordinateur pour environ un dixième du prix de ce dernier.



• Un accès étendu aux applications :
  La gamme complète des solutions graphiques professionnelles NVIDIA, qui passe du Quadro FX 500 en entrée de gamme au Quadro FX 3000G haut de gamme, est disponible pour les stations de travail PC standard du secteur. Elle rend le logiciel de réalité virtuelle Viz de la NASA accessible à partir de quasiment tout ordinateur de bureau.

Visualisation des prochaines missions sur Mars

L’équipe de visualisation et de reconstruction de surfaces en 3D de la NASA, basée à Ames, évalue constamment la technologie graphique. Elle est tenue de maintenir Viz à la pointe du progrès et de s’assurer de pouvoir répondre aux conditions scientifiques et de communication des missions à venir. « Nous étudions sans cesse des concepts d’avant-garde pour les interfaces de fonctionnement des robots et les interfaces de traitement des données scientifiques », affirme M. Edwards. « Notre unité est chargée d’appliquer les dernières technologies disponibles à la partie interface utilisateur des missions. NVIDIA nous offre plusieurs perspectives d’améliorations. Nous projetons de mettre en place une interface utilisateur complète et détaillée au moyen d’un cluster de solutions graphiques Quadro FX 3000G. Cela permettra de plonger les scientifiques au cœur de la planète au moyen d’un affichage généré informatiquement. Nous pensons qu’à plus ou moins long terme, nous serons capables d’installer les chercheurs devant un tel dispositif qu’ils pourront programmer les mouvements et les actions des robots à l’aide d’un simple écran tactile ou de commandes vocales. »

Le partage des connaissances

En convertissant les données recueillies par les caméras et les instruments scientifiques installés sur les robots en connaissances disponibles par le biais de la visualisation, la technologie graphique NVIDIA contribue au partage des connaissances acquises par la NASA lors des missions sur Mars avec le reste du monde. Les scientifiques du monde entier peuvent en effet découvrir et étudier les modèles 3D les plus grands et les plus précis d’un point de vue topographique jamais construits au cours d’une exploration de l’espace à distance. Grâce à la mise en ligne régulière des images générées par la technologie NVIDIA sur Internet, le public a également la possibilité de participer virtuellement à la recherche de signes de vie sur Mars conduite par la NASA.

Les mouvements des robots sont soigneusement chorégraphiés. Les scientifiques testent tous les itinéraires possibles et choisissent les objets à étudier en « survolant » la reconstruction virtuelle du sol martien. Cette image, utilisée avec l’aimable autorisation de l’équipe NASA/JPL/Cornell/Maas Digital LLC, a été créée à l’aide d’une solution graphique NVIDIA.	Cette image en 3D de l’approche d’Adirondack a été générée à l’aide du logiciel de réalité virtuelle Viz de la NASA (Ames) et de solutions graphiques NVIDIA Quadro. L’outil d’abrasion de pierres de Spirit permettra d’aplanir une zone de la roche à des fins d’examen détaillé au moyen de l’outil Microscopic Imager. Image reproduite avec l’aimable autorisation de NASA Ames/JPL/Cornell.	Cette image panoramique, transmise à la NASA par Spirit, peut encapsuler le voyage du robot de l’atterrisseur à la destination finale en direction des collines de l’est (à environ 5 km de distance). Les images de ce type sont converties avec d’autres données en réalité virtuelle tridimensionnelle par Viz et la solution graphique NVIDIA, ce qui permet ensuite aux scientifiques de mieux planifier l’itinéraire du robot. Image reproduite avec l’aimable autorisation de NASA/JPL/Cornell.

Informations complémentaires

Pour de plus amples informations concernant les solutions NVIDIA Quadro, rendez-vous sur le site Web suivant : http://www.nvidia.fr/quadro

Pour de plus amples informations concernant la mission sur Mars de la NASA, rendez-vous sur le site Web suivant : http://marsrovers.jpl.nasa.gov/home/index.html