CN103645463A - 合成孔径雷达成像数据三维显示的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种合成孔径雷达成像数据三维显示的方法。该方法包括：步骤A，对接收到的原始三维合成孔径雷达数据M₀(x，y，z，v)进行降噪和插值，得到包括目标三维空间坐标信息(x、y、z)和后向散射信息v的三维合成孔径雷达数据步骤B，对降噪插值后的三维合成孔径雷达数据

进行三维曲面重构得到三维网格数据

以及步骤C，利用三维图形绘制流水线对三维网格数据进行绘制得到三维图形，从而实现对三维合成孔径雷达数据的三维显示。本发明利用三维图形绘制流水线对所述三维网格数据进行绘制得到三维图形，从而实现对三维合成孔径雷达数据的三维显示。

Description

合成孔径雷达成像数据三维显示的方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种合成孔径雷达成像数据三维显示的方法。

背景技术

三维可视技术随着计算机技术的发展越来越多地得到应用。对三维数据进行渲染的成熟技术包括OpenGL图形API和D3D图形API。OpenGL是一个图形硬件的软件接口，可以利用它提供的函数构造场景模型，并且容易对模型实现坐标变换、着色、光照、纹理贴图等，增强场景真实性。在OpenGL3.0以上的版本中还增加了对着色器的支持，开发者可以对OpenGL的固定功能进行编程，让三维场景更加容易满足真实性的要求。OpenGL图形API可以跨平台运行，而D3D图形API仅能得到视窗系统的支持。

然而，目前对于合成孔径雷达而言，虽然得到的是三维成像数据，但该三维成像数据只能进行二维图像显示，直观性较差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种合成孔径雷达成像数据三维显示的方法，以实现三维成像数据的三维显示。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种合成孔径雷达成像数据三维显示的方法。该方法包括：步骤A，对接收到的原始三维合成孔径雷达数据M₀(x，y，z，v)进行降噪和插值，得到包括目标三维空间坐标信息(x、y、z)和后向散射信息v的三维合成孔径雷达数据

步骤B，对降噪插值后的三维合成孔径雷达数据

进行三维曲面重构得到三维网格数据

以及步骤C，利用三维图形绘制流水线对三维网格数据

进行绘制得到三维图形，从而实现对三维合成孔径雷达数据的三维显示。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明合成孔径雷达成像数据三维显示的方法具有以下有益效果：

(1)利用三维图形绘制流水线对所述三维网格数据进行绘制得到三维图形，从而实现对三维合成孔径雷达数据的三维显示；

(2)渲染模块用于根据网格顶点的后向散射信息或者网格顶点的高程信息对所述三维图形进行灰度着色和／或分级着色；

(3)渲染模块还用于根据三维网格的尺寸以及三维图形的色彩，创建表征后向散射信息或者高程信息的纹理图片，并将该纹理图片贴至三维网格表面；

(4)对插值后的三维合成孔径雷达数据进行三维曲面重构得到三维网格数据；

(5)对收到的三维合成孔径雷达数据降噪和插值，以达到去除噪声、补全孔洞的目的；

(6)利用可编程三维图形绘制流水线对光学照射模型进行替换，从而实现基于微波散射模型的三维合成孔径雷达数据三维显示；

(7)利用可编程三维图形绘制流水线对三维网格数据阴影区进行计算，实现三维合成孔径雷达数据阴影快速计算和显示；

(8)对所产生的三维数据进行层次细节模型显示，以达到提高显示效率的目的。

附图说明

图1是本发明提供的三维合成孔径雷达数据的三维显示方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种三维合成孔径雷达数据的三维显示方法，用于实现对三维合成孔径雷达数据的三维显示。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种合成孔径雷达成像数据三维显示的方法。请参照图1，本实施例包括：

步骤A，对接收到的原始三维合成孔径雷达数据M₀(x，y，z，v)进行降噪和插值，得到包括目标三维空间坐标信息(x、y、z)和后向散射信息v的三维合成孔径雷达数据

对接收到的原始三维合成孔径雷达成像数据M₀(x，yz，v)中的(x，y，v)降噪得到M(x，y，z，v)。在降噪时可以采用双边滤波去噪算法，该算法可以做边缘保持。由于算法基于空间分布的高斯滤波函数，能够保证对边缘附近像素值的保持。

具体而言，该双边滤波去噪过程包括：

分步骤A1a，根据p_i邻域、投影、高斯核函数等信息计算出双边滤波算子d；

双边滤波去噪算法引入了双边滤波算子：

$d\frac{\underset{P_i\&Element;N\left(p\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{W}_C\left(\right||p_i-p^{\&prime;}|\left|\right)W_S\left(\right|<{\stackrel{\&RightArrow;}{n}}_i,\stackrel{\&RightArrow;}{n}>-1\left|\right)<\stackrel{\&RightArrow;}{n},p-p_i>}{\underset{P_i\&Element;N\left(p\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{W}_C\left(\right||p_i-p^{\&prime;}|\left|\right)W_S\left(\right|<{\stackrel{\&RightArrow;}{n}}_i,\stackrel{\&RightArrow;}{n}>-1)}---\left(1\right)$

其中，d即为法矢量方向的调整距离，p_i为三维合成孔径雷达数据中任一点，N(p)为p_i的邻域，p′为p_i在N(p)切平面空间上的投影，

为p_i的法向矢量，

为邻域N(p)上数据点的法向矢量，W_C、W_S分别是高斯核函数，W_C类似于图像中的双边滤波，称为空间权重，W_S捕获邻域点间法矢量的变化，当前点法向矢量与邻域点法向矢量的夹角愈大，W_S愈小，因此可以更好的保持模型中的特征，称为特征域权重。

分步骤A1b，根据d以及p_i法向矢量

计算平滑后点的坐标

具体而言由

得到平滑后点的坐标；

分步骤A1c，使用坐标

更新原始数据M₀(x，y，z，v)中的(x，y，v)信息，得到平滑降噪后的三维合成孔径雷达数据M(x，y，z，v)；

对进行平滑降噪后的三维合成孔径雷达数据M(x，y，z，v)进行插值得到

在插值时，根据待插值数据点P(x，y，f(p))的四个邻近点Q₁₁(x₁，y₁，f(Q₁₁))、Q₁₂(x₁，y₂，f(Q₁₂))、Q₂₁(_x2，y₁，f(Q₂₁))、Q₂₂(_x2，y₂，f(Q₁₁))，采用双线性插值方法求取f(P)数据，其中x和y代表三维合成孔径雷达数据的水平坐标，f(.)代表雷达数据的高程信息或者后向散射信息。

具体而言，该插值过程包括：

分步骤A2a，利用如下公式进行X方向的线性插值：

$f\left(R_1\right)\&ap;\frac{x_2-x}{x_2-x_1}f\left(Q_{11}\right)+\frac{x-x_1}{x_2-x_1}f\left(Q_{21}\right)---\left(2\right)$

其中，R₁=(x，y₁)；

$f\left(R_2\right)\&ap;\frac{x_2-x}{x_2-x_1}f\left(Q_{12}\right)+\frac{x-x_1}{x_2-x_1}f\left(Q_{22}\right)---\left(3\right)$

其中，R₂=(x，y₂)。

分步骤A2b，利用如下公式进行Y方向的插值：

$f\left(P\right)\&ap;\frac{y_2-y}{y_2-y_1}f\left(R_1\right)+\frac{y-y_1}{y_2-y_1}f\left(R_2\right)---\left(4\right)$

针对高程信息和后向散射信息进行插值之后，可以得到所需尺寸的三维合成孔径雷达数据

需要说明的是，本发明中，后向散射信息v是可选的。这将在步骤D中详细说明

步骤B，对插值后的三维合成孔径雷达数据

进行三维曲面重构得到三维网格数据

具体而言，本实施例使用德洛奈(Delaunay)三角化方法对插值后的三维合成孔径雷达数据

进行三维曲面重构。对于本领域技术人员，德洛奈(Delaunay)三角化方法为公知的方法，以下仅对其进行简单说明。

下面介绍在构建德洛奈三角网格的过程中的一些定义：

边界边：位于已划分区域和未划分区域之间的三角形边。

活边：还没有被访问到的边，即还没有经历过找点生成三角网格中新边过程的边。

死边：经历过找点生成三角网格中新边过程的边。

活点：还没有被选择过的点。

死点：已经成为三角网格中三角形顶点的点。

最优顶点：若P为未划分区域中的任意一点，若点P与边界边AB构成的三角形最接近正三角形，则称点P为边界边AB的最优顶点。三角划分的过程就是试图将边界边的最优顶点与该边界边的两个端点连接成三角形的过程。

在构建德洛奈三角网格的过程中，需要遵循以下基本准则：(1)外接圆优化准则：任何一个德洛奈三角形的外接圆的内部不能包含其他任何点，即外接圆准则；(2)最大化最小角原则：每两个相邻的三角形构成凸四边形的对角线，在相互交换后，六个内角的最小角不再增大。

具体来讲，对于三维合成孔径雷达数据进行德洛奈重建时，只根据其位置信息进行操作，本步骤B具体包括：

子步骤B1，建立边列表E、边界边列表E_b、三角形列表T、活点库L₁与死点库L_d；

子步骤B2，从插值后的三维合成孔径雷达数据

中任取一点P₁作为初始点；

子步骤B3，插值后的三维合成孔径雷达数据

搜索出距离P₁最近的点P₂构成第一条边P₁P₂，并存放如边列表E中；

子步骤B4，根据最优定点准则选取P₁P₂的最优顶点P₃，与顶点P₁和P₂构成边P₃P₂和P₃P₁，并更新边列表E，并判断是否为活边，若是，将属性设置为1，否则为0。

子步骤B5，从边列表E中取出活边，并根据最优点选取准则进行最优点的选取，构成新的三角网格

子步骤B6，更新边界边列表E_b、三角形列表T、边列表E、活点库L₁与死点库L_d；

子步骤B7，重复子步骤B5～B6，直至边列表E中活边为空，从而得到三维网格数据

步骤C，利用三维图形绘制流水线对三维网格数据

进行绘制得到三维图形，从而实现对三维合成孔径雷达数据的三维显示。

所述三维图形绘制流水线包括固定三维图形流水线和可编程三维图形绘制流水线。具体而言，可以使用三角面元法对三维网格数据

进行绘制，绘制以后即可以得到三维合成孔径雷达数据的三维显示。

通过上述步骤，可以完成对三维合成合成孔径雷达数据的三维显示。但是考虑到用户观看的感受，还可以对三维图形进行渲染，因此，还可以包括如下的步骤。

步骤D，根据插值后的三维合成孔径雷达数据

包含的后向散射信息v或高程信息z对三维网格顶点进行灰度着色、分级着色和纹理贴图处理；

该步骤D进一步包括：

子步骤D1，根据将网格顶点的后向散射信息v或网格顶点的高程信息z量化至256阶灰度色阶，然后通过下式对三维网格数据进行面元着色；

R(x，y)=S(x，y)      (5)

G(x，y)=S(x，y)      (6)

B(x，y)=S(x，y)      (7)

其中，S(x，y)为量化至256阶灰度色阶的目标点后向散射信息v或者高程信息z，R(x，y)为目标点的红色分量，G(x，y)为目标点的绿色分量，B(x，y)为目标点的蓝色分量，x、y为目标点的平面坐标分量。

本领域技术人员应当清楚，根据三基色显示原理，三基色分量相同时，实现三维合成孔径雷达数据的灰度着色，得到传统雷达数据的灰度视觉效果。

子步骤D2，根据下式将后向散射信息v或者网格顶点高程信息z的256阶灰度值映射至RGB彩色空间完成分级着色：

$R(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\&le;f<64\\ 255[S(x,y)-64]/64& 64\&le;f<128\\ 255& 128<f\&le;255\end{array}\right.---\left(8\right)$

$G(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\&le;f<64\\ 255[S(x,y)-64]/64& 64\&le;f<128\\ 255& 128<f\&le;255\end{array}\right.---\left(9\right)$

$B(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}255S(x,y)/64& 0\&le;f<64\\ 255& 64\&le;f<96\\ 255[128-S(x,y)]/32& 96\&le;f<128\\ 0& 128\&le;f<192\\ 255[S(x,y)-192]/63& 192\&le;f<255\end{array}\right.---\left(10\right)$

子步骤D3，根据三维网格的尺寸以及三维图形的色彩，创建表征后向散射信息或者高程信息的灰度纹理图片、伪彩色纹理图片，利用纹理贴图方法将其贴至三维网格表面，节省逐个面元着色的时间，实现三维合成孔径雷达数据的快速可视化；

子步骤D4，在可编程三维图形绘制流水线实现Ulaby点散射光照模型，并替换反射光照模型(例如Phong模型)，从而能够得到更加符合散射视觉的三维显示效果；

子步骤D5，利用顶点着色器和片元着色器进行光照模型替换后的阴影处理。其中，顶点着色器根据所述三维网格数据，如深度测试的方法，确定顶点是否为阴影。片元着色器可以对光栅化后的片元信息进行操作，决定像素的颜色。在顶点为阴影时设置顶点为黑色，并且网格的顶点均为黑色时，片元着色器将该网格设置黑色，若不是阴影则保留原有颜色。

步骤E，利用层次细节模型对所述三维图形进行显示。在三维图形信息显示中，多数图形可以进行虚拟漫游，为了使得图形更加真实，可以利用层次细节模型对三维图形进行显示，例如对于相对于视点不可见的物体或场景进行剔除，相对于视点的远近而采用不同的分辨率等等。在进行剔除时，相对于视点可见的物体或场景予以保留，而不可见的物体或场景予以剔除，剔除的方式可以为背面剔除、视域剔除、遮挡剔除等等。

在进行分辨率选择时，距离视点近的地形起伏较大，看到的地形也比较清楚，而距离视点远的地形或地形相对平坦，看到的地形不太清楚。因此，可以利用层次细节模型设定距视点较近的地形用较高的细节层次描述，对于距离视点较远的部分用较低的细节层次描述。此外，对于地形起伏较大，例如存在山峰、沟壑一类的地形，也优选使用高细节的分辨率来进行显示。在三维图形信息显示中，多数图形可以进行虚拟漫游，为了使得图形更加真实，可以利用层次细节模型对三维图形进行显示。

该步骤E具体包括：

子步骤E1，对于相对于视点可见的物体或场景予以保留，相对于视点不可见的物体或场景进行剔除，剔除的方式可以为背面剔除、视域剔除、遮挡剔除等等；

子步骤E2，相对于视点的远近而采用不同的分辨率，具体包括：

(1)距离视点远的地形或地形相对平坦，看到的地形不太清楚，从而利用层次细节模型用较低的细节层次描述，采用较低分辨率；

(2)距离视点近的地形或地形起伏较大，例如存在山峰、沟壑一类的地形，看到的地形比较清楚，从而利用层次细节模型用较高的细节层次描述，采用较高分辨率。

本领域技术人员应当清楚，本步骤中，距离视点远和距离视点近是相对而言的，同理，地形相对平坦和地形起伏较大、较低细节层次和较高细节层次、较低分辨率和较高分辨率均是相对而言的。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明合成孔径雷达成像数据三维显示的方法有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)构建德洛奈三角化还可以用非均匀有理B样条曲面进行重构；

(2)双线性插值方法可以用分形插值方法来代替；

综上所述，本发明能够真实、高效地对三维合成孔径雷达数据进行三维显示，并能够三维图形进行纹理贴图、光照、阴影、伪彩色编码等处理，从而能够增加三维图形真实度，并可以实现三维图形的虚拟漫游。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种合成孔径雷达成像数据三维显示的方法，其特征在于，包括：

步骤A，对接收到的原始三维合成孔径雷达数据M₀（x，y，z，v)进行降噪和插值，得到包括目标三维空间坐标信息(x、y、z)和后向散射信息v的三维合成孔径雷达数据

步骤B，对降噪插值后的三维合成孔径雷达数据

进行三维曲面重构得到三维网格数据

以及

步骤C，利用三维图形绘制流水线对三维网格数据

进行绘制得到三维图形，从而实现对三维合成孔径雷达数据的三维显示。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B中使用德洛奈三角化方法对插值后的三维合成孔径雷达数据

进行三维曲面重构。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述使用德洛奈三角化方法对插值后的三维合成孔径雷达数据

进行三维曲面重构具体包括：

子步骤B1，建立边列表E、边界边列表E_b、三角形列表T、活点库L₁与死点库L_d；

子步骤B2，从插值后的三维合成孔径雷达数据中任取一点P₁作为初始点；

子步骤B3，在插值后的三维合成孔径雷达数据

搜索出距离P₁最近的点P₂构成第一条边P₁P₂，并存放如边列表E中；

子步骤B4，根据最优定点准则选取P₁P₂的最优顶点P₃，与顶点P₁和P₂构成边P₃P₂和P₃P₁，并更新边列表E，并判断是否为活边，若是，将属性设置为1，否则为0；

子步骤B5，从边列表E中取出活边，并根据最优点选取准则进行最优点的选取，构成新的三角网格

子步骤B6，更新边界边列表E_b、三角形列表T、边列表E、活点库L₁与死点库L_d；以及

子步骤B7，重复子步骤B5～B6，直至边列表E中活边为空，从而得到三维网格数据

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C中，使用三角面元法对三维网格数据

进行绘制。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C之后还包括：

步骤D，根据插值后的三维合成孔径雷达数据包含的后向散射信息v对三维网格顶点进行灰度着色、分级着色和纹理贴图处理。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：

子步骤D1，根据将网格顶点的后向散射信息v量化至256阶灰度色阶，对三维网格数据进行面元着色；

R(x，y)=S(x，y)

G(x，y)=S(x，y)

B(x，y)=S(x，y)

其中，S(x，y)为量化至256阶灰度色阶的网格顶点的后向散射信息v，R(x，y)为目标点的红色分量，G(x，y)为目标点的绿色分量，B(x，y)为目标点的蓝色分量，x、y为目标点的平面坐标分量；

子步骤D2，将网格顶点的后向散射信息v的256阶灰度值映射至RGB彩色空间完成分级着色；

子步骤D3，根据三维网格的尺寸以及三维图形的色彩，创建表征后向散射信息v的灰度纹理图片、伪彩色纹理图片，利用纹理贴图方法将其贴至三维网格表面；

子步骤D4，在可编程三维图形绘制流水线实现Ulaby点散射光照模型，并替换反射光照模型；以及

子步骤D5，利用顶点着色器和片元着色器进行光照模型替换后的阴影处理。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C之后还包括：

步骤D，根据降噪插值后的三维合成孔径雷达数据包含的网格顶点高程信息z对三维网格顶点进行灰度着色、分级着色和纹理贴图处理。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤D之后还包括：

步骤E，利用层次细节模型对所述三维图形进行显示。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤E具体包括：

子步骤E1，对于相对于视点可见的物体或场景予以保留，相对于视点不可见的物体或场景进行剔除，剔除的方式为背面剔除、视域剔除或遮挡剔除；

子步骤E2，相对于视点的远近而采用不同的分辨率，具体包括：

(1)距离视点远的地形或地形相对平坦，利用层次细节模型用较低的细节层次描述，采用较低分辨率；

(2)距离视点近的地形或地形起伏较大，利用层次细节模型用较高的细节层次描述，采用较高分辨率。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤A中：

降噪过程包括：采用双边滤波去噪算法对原始三维合成孔径雷达数据M₀(x，y，z)进行降噪处理；

插值过程包括：根据待插值数据点P(x，y，f(p))的四个邻近点Q₁₁(x₁，y₁，f(Q₁₁))、Q₁₂(x₁，y₂，f(Q₁₂))、Q₂₁(x₂，y₁，f(Q₂₁))、Q₂₂(x₂，y₂，f(Q₁₁))，采用双线性插值方法求取f(P)数据，其中x和y代表三维合成孔径雷达数据的水平坐标，f(.)代表雷达数据的高程信息或者后向散射信息。

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