CN103679799A - 一种光学星空背景的快速生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种光学星空背景的快速生成方法。该方法包括如下步骤：步骤一：对星空背景进行建模：以恒星星表数据为源，通过时间和坐标系的转换，以及天体视位置的修正，构造任意时刻、任意观察点的星空背景模型，并将计算结果入库，以供仿真使用；计算结果包括星名、星等、赤经赤纬；步骤二：对建立的星空背景模型进行仿真。所述步骤一选取依巴谷星表作为可见光波段的数据源。根据选取的依巴谷星表，进行恒星视位置计算，考虑的因素包括由于地球公转引起的为周年视差、自行、由观测者自身的运动产生的光行差、地球围绕太阳公转引起的周年光行差、岁差和章动等。采用本方法后星空背景的生成速度能达到50Hz。

Description

一种光学星空背景的快速生成方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种光学星空背景的快速生成方法。

背景技术

星空背景建模研究的主要对象为恒星，而国际上公开发表的星表数据为天体光辐射背景生成的主要依据，基于球面天文学、天体力学、天体辐射特性等基本理论实现生成星空背景的建模方法。根据已有的典型目标光辐射、散射特性模型，将目标与背景进行景象合成，并利用计算机实现动态场景输出。

1983年美、英、荷三国联合发射红外天文卫星后，获得了大量天文数据，结合70年代火箭的观测，积累了丰富的天文数据，为研究奠定了基础，由此美国逐渐开展天空背景建模，MRC/NAUSHA和它的合作伙伴（波音宇航公司，亚利桑纳大学，佛罗里达大学）与空军菲利普实验室合作开发出第一个天体背景场景描述器CBSD。它有四个模块，包括星系中点源，太阳系中黄道尘云，太阳系中移动物体以及空间结构辐射源。其中星系中点源包括1479种类型，对每种点源在31个银纬和29个银经处点源光度分布进行采样，各点之间光度分布采用对邻近4个点双线性插值的方法取得，由此生成银河系中点源分布图。由于以上数据容量大，给运算和快速输出图像造成困难，为了提高检索和运算速度，要根据实际问题的需要，通常的解决的方法是建立一个包含恒星位置、自行、视差、光谱等数据的子星表库，而对于其它数据将被剔除，这样就大大压缩了数据容量，从而提高了检索和运算速度。经测试目前的生成速度约为1Hz，还不能满足高速仿真的要求，因此需要找到一种新的方法，能加快星空光学背景的生成速度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学星空背景的快速生成方法，以满足高速仿真的要求。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种光学星空背景的快速生成方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：对星空背景进行建模

以恒星星表数据为源，通过时间和坐标系的转换，以及天体视位置的修正，构造任意时刻、任意观察点的星空背景模型，并将计算结果入库，以供仿真使用；计算结果包括星名、星等、赤经赤纬；

步骤二：对建立的星空背景模型进行仿真。

所述步骤一选取依巴谷星表作为可见光波段的数据源。

根据选取的依巴谷星表，进行恒星视位置计算，考虑的因素包括由于地球公转引起的为周年视差、自行、由观测者自身的运动产生的光行差、地球围绕太阳公转引起的周年光行差、岁差和章动，如果模拟地基的观测设备所看到的深空背景，还要考虑大气折射对恒星位置的影响；计算方法包括以下步骤：

（1）计算星表历元至观测瞬间的儒略世纪数；

（2）求当日地球质心位置和速度。

所述步骤一需进行恒星辐射照度计算，把天体等效为黑体，处于温度为T的热动平衡中的黑体所辐射的亮度

对于一个半径为r，距地距离为D的黑体入射到地球上的流量密度为

依据A1I型恒星的流量密度分布，对0.4μm～0.7μm波段的流量密度进行积分，求出恒星的照度值。

所述步骤二对建立的星空背景模型进行仿真，星空背景绘制两个重要假设：

A.位于地球轨道空间任一点的观察者，在同一方向上看到的星空背景相同；

B.星空背景中的所有星体在视觉上与观察者的距离相等；

星空背景绘制的基本方法：始终将星体绘制在一个以观察者为中心的天球上，并且要避免在实时生成过程中星体大小随探测器位置移动而发生变化。

基于上述假设和方法生成三维星空球，在OSG应用程序中使用的是XYZ直角坐标系，星表数据是经纬度信息，需要坐标变换，转换公式如下：

X=R*cos(α)*cosβ

Y＝R*sinβ

Z=R*sinβ(-α)*cosβ

式中：R为指定天球的半径，α、β分别是恒星的赤经、赤纬；

作为场景的背景在其他所有对象之前进行绘制，利用OSG/openGL的状态机机制关闭深度缓冲，即在绘制星空的过程中禁止改写深度缓冲中的内容；在一个任意半径的球面上绘制星体，绘制结束后重新启用深度缓冲，使得之后绘制的所有对象都位于星空背景的前面。

在上述步骤进行后，利用GLSL可编程顶点着色器和片元着色器仿真渲染星空背景。

在上述步骤进行后，进行星空场景漫游：用视景器观察OSG三维动态视景仿真中的场景，视景器的设置在OSG应用程序的动态更新部分完成；仿真过程中，根据实时输入的时间、地点，变换视角，刷新窗口内容，实现场景漫游。

实现过程中把大量的处理放在预处理中进行，先根据输入的时间、地点等初始参数，得出当前的星空位置场景；在场景漫游过程中，在已有星空位置基础上加上随观测时刻和观测地点改变的位置改变量。

本发明所取得的有益效果为：

本发明根据球面天文学、天体力学、天体辐射特性等基本理论知识，利用国际上公开发表的星表数据，基于OpenSceneGraph三维渲染引擎和GLSL着色语言，模拟在任意观测时刻、任意观测地点观测到的星空背景。

在场景生成前将子星表库中的星体按照所需的波段进行光学辐射的计算，并按照其位置、大小和辐射强度形成三维的星空盒。实时生成过程中星空盒将会随探测器位置移动，以避免探测器位置所引起的星体大小的变化，这样就能大大加快生成的速度。经过测试，采用本方法后星空背景的生成速度能达到50Hz，比当前1Hz左右的速度得到显著提高。

在每一次场景生成前根据设定的探测器参数，如视场、口径、分辨率等条件，生成整个天球的星空背景图像，存储在硬盘上。在场景生成过程中将星空背景图像调入内存，再根据探测器视线调用显示对应的天球和星空背景。

附图说明

图1为本发明所述光学星空背景的快速生成方法流程图；

图2为A1I型恒星的流量密度分布图；

图3为本发明所述光学星空背景的快速生成方法所用的全天球星空图；

图4为本发明所述光学星空背景的快速生成方法生成的探测器视场内星空图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明所述光学星空背景的快速生成方法包括如下步骤：

步骤一：对星空背景进行建模

星空模型的构建主要依据计算天文学知识，以恒星星表数据为源，通过时间和坐标系的转换，以及天体视位置的修正，准确地构造了任意时刻、任意观察点的星空背景模型，并将计算结果入库，以供仿真使用。计算结果包括星名、星等、赤经赤纬等。

（1）选取数据源

国际上公开发表的星表数据是深空光辐射背景生成方法的主要依据，目前的可见光星表主要有：USNO、SAO、低谷、依巴谷等，依巴谷星表是欧洲航天局根据依巴谷卫星巡天观测的数据整理而成的，是目前具有恒星位置精度最高的星表，此外，星表中还包括了每颗恒星的自行、视差、光谱类型等数据，鉴于本研究对恒星位置精度的要求，选取依巴谷星表作为可见光波段的数据源。

（2）恒星视位置计算

依巴谷星表记录的恒星位置为历元J1991.25年的恒星平位置，LRS记录的为恒星历元J1950年首平位置。无论是被观测的恒星还是观测者本身，时刻都处于运动的环境中，要想把星表历元时刻的恒星平位置转化到观测瞬间的视位置，需要经过时间和空间的坐标转换以及视差、光行差等修正。具体方法和考虑因素有：

●计算星表历元至观测瞬间的儒略世纪数

●求当日地球质心位置和速度

●视差

观测者在两个不同位置看到同一天体的方向之差称为视差。由于地球自转引起的为周日视差，它随着天体距离的增大而减小，因为恒星距地球相当远，周日视差带来的修正很小（<0.0001角秒），一般不予考虑，只考虑由于地球公转引起的为周年视差。

●自行

一切恒星都在空间里运动，太阳和太阳系内的天体也在空间里运动，如果恒星的运动速度和方向同太阳不一致，则相对于太阳有一个相对运动，它包括两个方面：恒星本身的运动和太阳系的运动。由于不能直接测出恒星的空间运动速度，而只能测出恒星在天球上沿着垂直于视线方向走过的距离对观测者所张的角度，这个角度叫做恒星的自行。

●光行差

由于光速的有限性，运动中的观测者与静止的观测者所观测到的同一个天体的方向是不同的，这个方向之差称为光行差。主要影响我们需要的恒星视位置的光行差包括：由观测者自身的运动产生的光行差，地球自转产生的周日光行差（可忽略不计），地球围绕太阳公转引起的周年光行差，和由太阳系本动和银河系自转引起的长期光行差（但是因为太阳系在空间运动的速度和方向还不能准确确定，长期光行差还不能精确计算）。

●岁差和章动

由于太阳、月亮对地球赤道隆起部分的引力作用，使得地球自转轴的方向不断在空间运动，这种运动分为两部分：一种是赤道平均极绕黄极的进动，称为日月岁差；另一种是赤道真极绕平均极的周期运动，称为章动。岁差、章动使天体的坐标值不断变化，考虑到建模精度，我们需要对这两种变化可以做一定修正。

●大气折射

如果是模拟地基的观测设备所看到的深空背景，还要考虑大气折射对恒星位置的影响。

（3）恒星辐射照度计算

在天体辐射物理中，一般把天体等效为黑体，它的物理信息几乎全部来源于所发出的电磁辐射，处于温度为T的热动平衡中的黑体所辐射的亮度

对于一个半径为r，距地距离为D的黑体入射到地球上的流量密度为

1918-1924年，哈佛大学天文台主要根据恒星光谱中的谱线强度之比对恒星所辐射的光谱进行分类，分类序列为：O-B-A-F-G-K-M，其中O到M的每一个光谱型又分成10个次型，例如太阳的光谱型为G2。该序列是一个温度序列。每种光谱类型对应了一种流量密度分布，如图2为A1I型恒星的流量密度分布，对0.4μm～0.7μm波段的流量密度进行积分，便可求出恒星的照度值。

步骤二：对建立的星空背景模型进行仿真

（1）星空背景特点

星空背景最基本的性质是星体距离地球非常遥远，以至于航天器在地球轨道空间的移动不会改变其与星体的相对空间关系，正是基于这种特性，深空星体才常常被用来作为航天器的定向参考。由此我们可以总结出星空背景绘制中两个重要的假设:

A.位于地球轨道空间任一点的观察者，在同一方向上看到的星空背景相同；

B.星空背景中的所有星体在视觉上与观察者的距离相等。

从这两个假设我们不难得到星空背景绘制的基本方法就是始终将星体绘制在一个以观察者为中心的天球上，并且要避免在实时生成过程中星体大小随探测器位置移动而发生变化。

（2）生成三维星空球

由于在OSG应用程序中使用的是XYZ直角坐标系，但是星表数据是经纬度信息，所以需要坐标变换，转换公式如下：

X=R*cos(α)*cosβ

Y＝R*sinβ

Z=R*sinβ(-α)*cosβ

式中:R为指定天球的半径，α、β分别是恒星的赤经、赤纬。由于我们不可能在OSG中绘制无限大的球体，甚至所绘制的天球要尽量小以提高深度计算的精确度。实际上作为场景的背景一般是在其他所有对象之前进行绘制，此时我们可以利用OSG/openGL的状态机机制关闭深度缓冲，即在绘制星空的过程中禁止改写深度缓冲中的内容。这样就可以在一个任意半径的球面上绘制星体，绘制结束后只需要重新启用深度缓冲，就可以使得之后绘制的所有对象都位于星空背景的前面。

（3）星空渲染效果

OpenGL着色语言(GLSL)可以对图形绘制管线的大多数重要阶段实施完全的控制，利用GPU强大的处理能力和灵活的可编程性可以得到高质量的绘制效果和良好的交互性能。

OSG提供了完整的GLSL着色语言的功能封装，在仿真渲染星空背景过程中，主要利用了GLSL可编程顶点着色器和片元着色器。

例如我们可以利用顶点着色器指定星点大小为某一恒定值，这样就避免了星体大小随探测器位置移动而发生变化；可以利用片段着色器实现光晕的视觉效果。

（4）星空场景漫游

视景器用来观察OSG三维动态视景仿真中的场景，相当于摄像机窗口中所看到的画面场景。在星空场景中漫游时，由于窗口位置和方向都是实时变化的，因此视景器的设置要在OSG应用程序的动态更新部分完成。OSG提供了一系列相关接口类，开发者可以很方便地实现对窗口的调整。

在仿真过程中，根据实时输入的时间、地点，变换视角，刷新窗口内容，实现场景漫游。

利用提供的星表位置数据，根据上述建模方法，利用OSG和GLSL编程技术可以绘制出高度真实感的星空场景。我们编制了有关星空背景建模和仿真的软件，此软件根据用户输入的时间、地点等参数，对星表所提供的星表历元时刻的原始数据进行坐标转换和修正，得到当前观测时刻、当前观测地点的星空场景。但是，由于坐标转换和修正所需要的计算时间较长，为了实时交互地显示星空场景，可以把大量的处理放在预处理中进行，先根据输入的时间、地点等初始参数，得出当前的星空位置场景；在场景漫游过程中，只需在已有星空位置基础上加上随观测时刻和观测地点改变的位置改变量，提高了绘制星空场景的效率。通过在普通PC平台上的测试，用计时工具记录每帧图像生成时间，统计得到原方法图像生成时间不低于1s。该方法图像生成时间不大于20ms。

Claims (9)

1.一种光学星空背景的快速生成方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤一：对星空背景进行建模

以恒星星表数据为源，通过时间和坐标系的转换，以及天体视位置的修正，构造任意时刻、任意观察点的星空背景模型，并将计算结果入库，以供仿真使用；计算结果包括星名、星等、赤经赤纬；

步骤二：对建立的星空背景模型进行仿真。

2.根据权利要求1所述的光学星空背景的快速生成方法，其特征在于：所述步骤一选取依巴谷星表作为可见光波段的数据源。

3.根据权利要求2所述的光学星空背景的快速生成方法，其特征在于：根据选取的依巴谷星表，进行恒星视位置计算，考虑的因素包括由于地球公转引起的为周年视差、自行、由观测者自身的运动产生的光行差、地球围绕太阳公转引起的周年光行差、岁差和章动，如果模拟地基的观测设备所看到的深空背景，还要考虑大气折射对恒星位置的影响；计算方法包括以下步骤：

（1）计算星表历元至观测瞬间的儒略世纪数；

（2）求当日地球质心位置和速度。

4.根据权利要求1所述的光学星空背景的快速生成方法，其特征在于：所述步骤一需进行恒星辐射照度计算，把天体等效为黑体，处于温度为T的热动平衡中的黑体所辐射的亮度

对于一个半径为r，距地距离为D的黑体入射到地球上的流量密度为

依据A1I型恒星的流量密度分布，对0.4μm～0.7μm波段的流量密度进行积分，求出恒星的照度值。

5.根据权利要求3或4所述的光学星空背景的快速生成方法，其特征在于：所述步骤二对建立的星空背景模型进行仿真，星空背景绘制两个重要假设：

A.位于地球轨道空间任一点的观察者，在同一方向上看到的星空背景相同；

B.星空背景中的所有星体在视觉上与观察者的距离相等；

星空背景绘制的基本方法：始终将星体绘制在一个以观察者为中心的天球上，并且要避免在实时生成过程中星体大小随探测器位置移动而发生变化。

6.根据权利要求5所述的光学星空背景的快速生成方法，其特征在于：基于上述假设和方法生成三维星空球，在OSG应用程序中使用的是XYZ直角坐标系，星表数据是经纬度信息，需要坐标变换，转换公式如下：

X=R*cos(α)*cosβ

Y＝R*sinβ

Z=R*sinβ(-α)*cosβ

式中：R为指定天球的半径，α、β分别是恒星的赤经、赤纬；

作为场景的背景在其他所有对象之前进行绘制，利用OSG/openGL的状态机机制关闭深度缓冲，即在绘制星空的过程中禁止改写深度缓冲中的内容；在一个任意半径的球面上绘制星体，绘制结束后重新启用深度缓冲，使得之后绘制的所有对象都位于星空背景的前面。

7.根据权利要求6所述的光学星空背景的快速生成方法，其特征在于：在上述步骤进行后，利用GLSL可编程顶点着色器和片元着色器仿真渲染星空背景。

8.根据权利要求7所述的光学星空背景的快速生成方法，其特征在于：在上述步骤进行后，进行星空场景漫游：用视景器观察OSG三维动态视景仿真中的场景，视景器的设置在OSG应用程序的动态更新部分完成；仿真过程中，根据实时输入的时间、地点，变换视角，刷新窗口内容，实现场景漫游。

9.根据权利要求1所述的光学星空背景的快速生成方法，其特征在于：实现过程中把大量的处理放在预处理中进行，先根据输入的时间、地点等初始参数，得出当前的星空位置场景；在场景漫游过程中，在已有星空位置基础上加上随观测时刻和观测地点改变的位置改变量。

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