CN102542091A - 一种光电成像过程软件仿真平台的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电成像过程软件仿真平台的实现方法，包括以下步骤：分析光电成像过程，划分光电成像仿真组成环节；用矩阵的形式统一不同环节的外部数据接口，建立各环节间的联系，建立光电成像过程仿真数据流图；参照光电成像过程仿真数据流图建立各环节仿真模型；将仿真模型封装到各个联邦成员，基于HLA/RTI建立联邦成员间交互，实现成像过程仿真。本发明方法利于实现光电成像不同环节的串联和改进环节的嵌入，为从系统全局实现光电成像仿真整个过程，改进和完善光电成像系统提供实验手段，采用高层体系结构思想设计光电成像仿真联邦，实现光电成像过程连续仿真，提供光电成像各环节的数据参数即时显示和数据的存储、回放。

Description

一种光电成像过程软件仿真平台的实现方法

技术领域

本发明涉及一种光电成像仿真技术，具体的说是一种光电成像过程软件仿真平台的实现方法。

背景技术

光电成像过程软件仿真方法是近年来研究光电成像系统原理和过程影响因素的重要方法和开发改进光电成像系统的重要手段，由于光电成像系统性能受到外部自然界环境、目标场景试验条件和成像系统自身光学镜头、电荷耦合器件(CCD)以及数据发送传输接收等多环节多因素的影响，具备试验外部条件复杂、环节间多耦合、难以串联等难度，由于影响光电成像过程的外部因素和试验环境和条件的复杂性以及条件的不可重复性，很难从真实外场试验来分析和评判光电成像系统的整个过程，目前，还没有从整个系统的角度出发研究实现光电成像系统的整个过程的仿真。

发明内容

针对现有技术中光电成像过程复杂、难以描述、环节间关联性强等因素造成光电成像过程仿真各环节难以串联、仿真平台难以实现等难点，本发明要解决的技术问题是提供一种光电成像过程软件仿真平台的实现方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明光电成像过程软件仿真平台的实现方法包括以下步骤：

分析光电成像过程，划分光电成像仿真组成环节；

用矩阵的形式统一不同环节的外部数据接口，建立各环节间的联系，建立光电成像过程仿真数据流图；

参照光电成像过程仿真数据流图建立各环节仿真模型；

将仿真模型封装到各个联邦成员，基于HLA/RTI建立联邦成员间交互，实现成像过程仿真。

用矩阵的形式统一不同环节的外部数据接口为：

用空间点信息矩阵表示观测视点内目标场景信息；

用大气透过率矩阵计算光强到达视点后的表述；

用中低空背景辐射亮度矩阵表示大气辐射对成像影响；

用光强矩阵表示经光学镜头后光线的更新分布；

用图像矩阵表示经CCD系统后成像图像。

空间点信息矩阵通过如下方法获得：

空间点信息矩阵每个元素包含点坐标和亮度，根据观测几何关系，由视场窗口一点出发与场景进行碰撞检测计算，得到该像素对应场景空间点坐标P的坐标，空间点P的亮度由下式决定：

I＝k_a*I_a+k_d*I₁*(N*L)

I_a为场景的环境光强，k_a为场景物体表面环境光反射率；k_d为场景物体表面在被太阳直射照射点P处的漫反射光反射率，I₁为太阳入射光光强，N为景物在被照射点P处平面单位法向量，L为太阳入射光单位向量。

基于高层体系结构设计光电成像过程仿真联邦，将成像过程各环节定义为联邦成员，仿真光电成像过程对应物理环节；设计主控成员管理仿真的启动、中止、结束，监控仿真运行的状态和中间信息，联邦成员间通过发布/订阅联邦消息，推进仿真过程的进行。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.从能量传输和转化角度实现光电成像过程仿真。本方法基于能量传输和转化的角度分析光电成像过程，从CCD焦平面象元阵列出发分析光电成像的过程，构建不同环节矩阵，串联光电成像各环节，实现目标场景经光电成像系统形成图像的全过程仿真，该角度和方式利于实现光电成像不同环节的串联，利于改进环节的嵌入，为从系统全局实现光电成像仿真整个过程，改进和完善光电成像系统提供实验手段。

2.采用高层体系结构(HLA)思想设计光电成像仿真联邦。以前的光电成像过程仿真只能针对各环节进行独立研究，无法将各环节串联起来，形成系统进行仿真试验。本方法在优点一的基础上采用高层体系结构思想设计光电成像仿真联邦，实现光电成像过程连续仿真，提供光电成像各环节的数据参数即时显示和数据的存储、回放。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明方法中目标背景空间点信息计算图；

图3为本发明方法中光电成像仿真数据流图；

图4为本发明方法中光电成像过程联邦组成图。

具体实施方式

本方法提出一种光电成像过程软件仿真平台的实现方法，实现光电成像过程软件仿真平台过程如图1所示：

(1)分析光电成像过程，划分光电成像仿真组成环节

光电成像过程包括：目标场景、大气传输及中低空背景辐射、光学系统传输、CCD成像、图像处理过程、图像传输过程。对应光电成像仿真过程包含：目标场景仿真、大气传输仿真、中低空背景辐射仿真、光学仿真、CCD成像仿真、图像处理仿真、图像传输仿真。

(2)用矩阵的形式统一不同环节的外部数据接口，建立各环节间的联系，建立光电成像过程仿真数据流图

光电成像过程的根本是CCD焦平面阵列，成像过程中，落入焦平面像元内的光线能量转换为电流信号，焦平面阵列尺寸决定最终成像后图像的分辨率，构造与焦平面阵列一致的矩阵表述光电成像过程数据格式。用矩阵的形式统一不同环节的外部数据接口为：用空间点信息矩阵表示观测视点内目标场景信息；用大气透过率矩阵计算光强到达视点后的衰减；用中低空背景辐射亮度矩阵表示大气辐射对成像影响；用光强矩阵表示经光学镜头后光线的更新分布；用图像矩阵表示经CCD系统后成像图像。

仿真过程数据流图如图2所示。目标场景仿真是光电成像过程发生环节，输入场景、视点、大气特性、太阳位置信息，输出空间点信息矩阵，矩阵内元素表示空间点位置信息和亮度信息；大气传输矩阵输入空间点信息矩阵，根据空间点信息计算大气透过率，计算输出经大气传输后光强分布矩阵；中低空背景辐射仿真输入空间点信息矩阵，计算输出空间点背景辐射强度，二者叠加形成入瞳前光强分布矩阵；光学仿真输入是入瞳前光强分布矩阵，经几何光学和物理光学计算输出焦平面前光强分布矩阵；CCD仿真输入焦平面光强分布矩阵，计算输出灰度图像，灰度图像输入图像处理系统仿真进行处理得到处理后图像；数据传输系统接收处理图像，经编码压缩、传输、解压得到终端图像。

(3)参照光电成像过程仿真数据流图建立各环节仿真模型

仿真模型包括目标场景仿真、大气传输仿真、中低空背景辐射仿真、光学仿真、CCD成像仿真、图像处理系统仿真、图像传输系统仿真。目标场景仿真计算空间点信息矩阵如图3所示，首先根据对场景纹理贴图进行纹理分割，对不同纹理区域进行材质映射，应用具有材质属性的纹理图建立三维场景，通过场景渲染得到是环境光照亮度分布，同时在渲染过程中，计算由视点出发射线与场景空间交点，获得交点所在面的材质属性，根据太阳直射光照模型计算太阳直射光照的亮度分布，环境光照亮度分布与太阳直射光亮度分布求和得到空间点亮度分布，填充空间点信息矩阵。

(4)将仿真模型封装到各个联邦成员，通过HLA/RTI建立联邦成员间交互，实现成像过程仿真。

高层体系结构(HLA)是一种通用分布式仿真的的设计思想和规范，遵循HLA规范设计的分布式仿真系统称作联邦，参与联邦运行的程序称为联邦成员，联邦具备统一的时间推进机制，能够保证参与仿真的联邦成员协调一致推进仿真过程。

光电成像过程仿真联邦如图4所示，联邦成员包括：主控成员、目标场景仿真、大气传输仿真、中低空背景辐射、光学系仿真、CCD仿真、图像处理系统仿真、图像传输仿真。联邦成员之间通过运行支撑环境(RTI)发送即时消息和指令，通过TCP/UDP协议传输大数据包。

将仿真模型封装到各个联邦成员的具体做法是：

1.确定联邦成员，分配联邦成员功能，成员组成表如下表所示；

2.开发联邦对象模型，确定联邦成员公布能力和订购需求，确定联邦成员间的交互关系，形成联邦对象模型，联邦成员间交互过程为：

主控成员在实验开始时向其余成员发布运行仿真实验消息，向每个成员发布成员属性参数，启动仿真实验；

主控成员向目标背景成员发布视点信息，目标背景成员首先启动，进行目标场景仿真，其他成员处于等待状态，完成目标场景仿真后向主控成员和中低空背景辐射成员发布目标场景仿真完成消息；

中低空背景辐射成员收到完成目标场景仿真消息，进行中低空背景仿真，完成后向主控成员和大气传输成员发布中低空背景辐射仿真完成消息；

光学系统成员收到完成中低空背景辐射仿真，进行光学系统仿真，完成后向主控成员和CCD成员发布光学系统仿真完成消息；

CCD系统成员收到完成光学系统仿真消息，进行CCD仿真，完成后向主控成员和数据处理成员发布CCD仿真完成消息；

数据处理系统成员收到完成CCD仿真消息，进行数据处理仿真，完成后向主控成员和图像传输成员发布数据处理仿真完成消息；

图像传输系统成员收到完成数据处理仿真消息，进行图像传输仿真，完成后向主控成员发布图像传输仿真完成消息；

主控成员收到图像传输仿真消息，更新观测位置信息，向目标场景仿真成员发布更新后观测位置信息，进入新一轮成像仿真过程。

3.根据联邦对象模型，生成对应联邦成员的对象类和交互类，参照联邦运行的流程设计程序，在订阅交互类对象的响应函数中完成联邦成员的功能，在完成后发布消息，触发下一个联邦成员运行仿真。

光电成像过程仿真平台采用结构化设计，只要求功能模块传递数据符合统一接口，方便进行各种功能模块的增减和进一步的完善，设计方法是从目标场景开始，将自然环境和大气条件的综合影响、成像系统光学系统和成像探测器、图像处理系统、图像传输系统，通过数学建模、软件仿真手段得到整个过程的数字模拟。

Claims (4)

1.一种光电成像过程软件仿真平台的实现方法，其特征在于包括以下步骤：

分析光电成像过程，划分光电成像仿真组成环节；

用矩阵的形式统一不同环节的外部数据接口，建立各环节间的联系，建立光电成像过程仿真数据流图；

参照光电成像过程仿真数据流图建立各环节仿真模型；

将仿真模型封装到各个联邦成员，基于HLA/RTI建立联邦成员间交互，实现成像过程仿真。

2.按权利要求1所述的光电成像过程软件仿真平台的实现方法，其特征在于用矩阵的形式统一不同环节的外部数据接口为：

用空间点信息矩阵表示观测视点内目标场景信息；

用大气透过率矩阵计算光强到达视点后的表述；

用中低空背景辐射亮度矩阵表示大气辐射对成像影响；

用光强矩阵表示经光学镜头后光线的更新分布；

用图像矩阵表示经CCD系统后成像图像。

3.按权利要求2所述的光电成像过程软件仿真平台的实现方法，其特征在于：空间点信息矩阵通过如下方法获得：

空间点信息矩阵每个元素包含点坐标和亮度，根据观测几何关系，由视场窗口一点出发与场景进行碰撞检测计算，得到该像素对应场景空间点坐标P的坐标，空间点P的亮度由下式决定：

I＝k_a*I_a+k_d*I₁*(N*L)

I_a为场景的环境光强，k_a为场景物体表面环境光反射率；k_d为场景物体表面在被太阳直射照射点P处的漫反射光反射率，I₁为太阳入射光光强，N为景物在被照射点P处平面单位法向量，L为太阳入射光单位向量。

4.按权利要求1所述的光电成像过程软件仿真平台的实现方法，其特征在于：基于高层体系结构设计光电成像过程仿真联邦，将成像过程各环节定义为联邦成员，仿真光电成像过程对应物理环节；设计主控成员管理仿真的启动、中止、结束，监控仿真运行的状态和中间信息，联邦成员间通过发布/订阅联邦消息，推进仿真过程的进行。

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