CN103745055B - 一种基于光谱brdf的空间目标可见光成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光谱BRDF的空间目标可见光成像方法，对目标进行几何建模和面元划分，并且把不同面元赋予不同的面元编号，获得不同目标表面的光谱BRDF模型，材料表面的光散射特性，用一个光谱BRDF文件表示，对目标进行消隐判断，去除无法被照射到或者无法接收到以及被遮挡到的面元；将目标坐标系内的入射角和散射角转换到面元坐标系内；计算每个可见面元的可见光散射亮度；将每个可见面元投影到像平面，得到像平面上的可见光成像结果。本发明所得到的可见光散射亮度值更精确，可以应用于科学问题。
Description
技术领域
本发明属于空间目标的探测、跟踪、识别技术领域，涉及一种基于光谱BRDF的空间目标可见光成像方法。
背景技术
现在各国的空间监视卫星、空间对接等领域都已经应用了星载可见光成像探测器，利用空间目标的可见光图像对空间目标监视、空间目标对接等进行辅助。现有技术中，基于RGB的图像显示只是用于计算机显示，无法应用于科学问题。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种基于光谱BRDF的空间目标可见光成像方法，从空间目标本身的可见光散射特性出发，研究出一种基于空间目标表面光谱BRDF的空间目标可见光成像技术，利用该技术可以仿真出不同光照条件、不同目标姿态时的空间目标可见光图像。该技术可以用来评估监视卫星可见光探测器探测能力，可以用来辅助空间对接卫星可见光成像设备的参数选择。其技术方案如下：
一种基于光谱BRDF的空间目标可见光成像方法，包括以下步骤：
（1）对目标进行几何建模和面元划分，并且把不同面元赋予不同的面元编号，每个三角形面元中除了有三个顶点信息外还有一个材料编号信息，文件分为三部分：第一行给出总面元数和总顶点数；第二部分是面元信息，每一行有五个数据，面元编号、该面元的第一个点的编号、该面元第二个点的编号、该面元第三个点的编号、该面元的材料编号；第三部分为顶点信息，每行四个数据，第一个是顶点编号，后面三个是该顶点的x,y,z坐标；
（2）获得不同目标表面的光谱BRDF模型，获得不同目标表面材料的光谱BRDF，材料表面的光散射特性，用一个光谱BRDF文件表示，文件格式中，第一行为材料名称，下面每行格式相同，每行六个数，第一个是波长，后面五个分别是BRDF模型的五个参数；
（3）根据入射和接收条件以及目标的几何模型文件，对目标进行消隐判断，去除无法被照射到或者无法接收到以及被遮挡到的面元；
（4）利用坐标转换，将目标坐标系内的入射角和散射角转换到面元坐标系内；
（5）利用目标样片的光谱BRDF，计算每个可见面元的散射亮度；
（6）将每个可见面元投影到像平面，得到像平面上的可见光成像结果。
进一步优选，计算每个可见面元时，使用目标样片的光谱BRDF。目标的光谱BRDF能体现目标光学特性随波长的变化，每个可见面元散射亮度都准确体现了可见光波段内每个波长的贡献。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明基于目标表面材料光谱BRDF来计算表面可见光散射亮度，所得到的可见光散射亮度值更精确，可以应用于科学问题。更换光源的光谱照度，可以解决不同光源照射的问题。例如，可以研究太阳光照射时目标的可见光成像，也可以研究环境光、实验室用特制光源照射的可见光成像。
附图说明
图1是基于光谱BRDF的空间目标可见光成像方法的流程图；
图2是BRDF的几何示意图；
图3是几何模型文件格式；
图4是目标表面材料光谱BRDF文件格式；
图5是大气层外太阳光光谱照度分布；
图6是入射和接收方向的定义图；
图7是入射角和接收角都是60度时，圆锥的可见光成像，其中图7a中圆锥表面为白漆，图7b中表面为紫红色涂漆；
图8是追踪星可见光探测相机探测目标星示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
参照图1，一种基于光谱BRDF的空间目标可见光成像方法，包括以下步骤：
(1)对目标进行几何建模和面元划分，并且把不同面元赋予不同的面元编号，每个三角形面元中除了有三个顶点信息外还有一个材料编号信息。文件分为三部分：第一行给出总面元数和总顶点数；第二部分是面元信息，每一行有五个数据，面元编号、该面元的第一个点的编号、该面元第二个点的编号、该面元第三个点的编号、该面元的材料编号；第三部分为顶点信息，每行四个数据，第一个是顶点编号，后面三个是该顶点的x,y,z坐标。文件格式如图3所示。
(2)利用参考现有技术中提到的方法可以获得不同目标表面的光谱BRDF模型，即可以获得不同目标表面材料的光谱BRDF。材料表面的光散射特性，可以用一个光谱BRDF文件表示，文件格式如图4所示。其中，第一行为材料名称，下面每行格式相同。每行六个数，第一个是波长，后面五个分别是BRDF模型的五个参数。
(3)根据入射和接收条件以及目标的几何模型文件，对目标进行消隐判断，去除无法被照射到或者无法接收到以及被遮挡到的面元；
(4)利用坐标转换，将目标坐标系内的入射角和散射角转换到面元坐标系内；
(5)利用公式(4)计算每个可见面元的可见光散射亮度；
(6)将每个可见面元投影到像平面，得到像平面上的可见光成像结果。
如图2所示，表面小面元dA上，入射光源方向为探测器的观测方向为其中θ,φ分别代表天顶角和方位角，Z代表粗糙表面平均平面的法线方向。光谱双向反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF）定义为沿方向出射的辐射亮度dLr 与沿方向入射到被测表面的辐照度dEi 之比，如(1)式所示。
从(1)式中可以看出，光谱BRDF fr 是入射角、散射角和入射波长的函数，因此能较好地描述目标样片随入射角、散射角和入射波长的变化。从定义式还可以看出，目标样片的光谱BRDF将入射照度和散射亮度联系了起来。因此，将定义式(1)进行简单的变换即可用来计算目标的散射特性。
对于一个给定的小面元，当沿方向的入射照度为Ei 时，其在
方向出射的光谱散射亮度为
则该面元在可见光波段内的散射亮度为
在计算面元的可见光散射亮度时，可以将积分转换为求和来计算
在(4)中Ei 为入射光源沿方向的辐射光谱照度，将其替换为不同光源可以解决不同问题，在(4)中Δλ可以根据需求来选择，兼顾计算精度和速度。
得到每个可见面元的可见光散射亮度后，只要将其映射到成像平面，就可以得到目标的可将光成像。
其中，(4)式中的BRDF使用BRDF五参数模型来模拟，不同波长对应五个不同的参数值。五参数模型的表达式如(4)式所示。
在(5)式中，第一项表示样片表面BRDF的相干散射分量（镜反射分量），第二项表示非相散射干分量（漫反射分量）。是样片表面小面元法线的分布函数，exp[b·(1-cosγ)a]是菲涅耳反射函数的近似描述，是遮蔽函数。kb，kd，kr，a，b为待定参数：kb和kd分别反映相干和非相干散射分量的大小，与样片表面的粗糙度和反射率有关，kr反映样片表面的斜率分布，与样片表面的粗糙度和纹理分布有关；a和b反映样片表面的菲涅耳反射函数，与样片的折射率有关。
实施例1：
以半径0.25m，高1m的圆锥为例，假设入射光源为如图5所示的太阳光谱，入射角和接收角的定义如图6所示。由于图5中的入射光谱为阳光直射时的照度分布，(4)式中的Ei 应修改为
其中，Esun(λ)为图5中所示的太阳光照度分布，θi为入射方向与面元法线的夹角。cos(θi)可以由入射方向矢量和面元的法线矢量点积获得。
由于本专利的主要创新点在于基于目标表面材料的光谱BRDF获得可见面元的可见光散射亮度进而获得目标的可见光成像，所以不关注成像相机的焦距、孔径和分辨率等，下面的可见光成像只是基于小孔成像理论的简单成像。在图7中给出了半径为0.25m，高1m的圆锥，在入射角和接收角都是60度时的可见光成像，其中图7a为假设圆锥表面为现有技术中的白漆，图7b假设圆锥表面为现有技术中的紫红色涂漆。
实施例2：
安装在航天器上的可见光测量相机可在光照区对另一个天基目标进行成像，并根据图像和相关算法提供目标在相机中的视线角等测量信息，为空间对接时航天器运动方向的调整提供必要的信息。示意图如图8所示。
在卫星发射前，无法确定可见光相机的成像效果。因此，需要对空间对接时，可见光相机对目标星的可见光成像进行仿真计算，利用仿真结果来确定所选择相机是否合适。
以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种基于光谱BRDF的空间目标可见光成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对目标进行几何建模和面元划分，并且把不同面元赋予不同的面元编号，每个三角形面元中除了有三个顶点信息外还有一个材料编号信息，文件分为三部分：第一行给出总面元数和总顶点数；第二部分是面元信息，每一行有五个数据，面元编号、该面元的第一个点的编号、该面元第二个点的编号、该面元第三个点的编号、该面元的材料编号；第三部分为顶点信息，每行四个数据，第一个是顶点编号，后面三个是该顶点的x，y，z坐标；
(2)获得不同目标表面的光谱BRDF模型，获得不同目标表面材料的光谱BRDF，材料表面的光散射特性，用一个光谱BRDF文件表示，文件格式中，第一行为材料名称，下面每行格式相同，每行六个数，第一个是波长，后面五个分别是BRDF模型的五个参数；
(3)根据入射和接收条件以及目标的几何模型文件，对目标进行消隐判断，去除无法被照射到或者无法接收到以及被遮挡到的面元；
(4)利用坐标转换，将目标坐标系内的入射角和散射角转换到面元坐标系内；
(5)利用目标样片的光谱BRDF，计算每个可见面元的可见光散射亮度；
(6)将每个可见面元投影到像平面，得到像平面上的可见光成像结果；
计算每个可见面元时，使用目标样片的光谱BRDF，目标的光谱BRDF能体现目标光学特性随波长的变化，每个可见面元散射亮度都体现可见光波段内每个波长的贡献，具体的计算方法如下：
表面小面元dA上，入射光源方向为探测器的观测方向为光谱双向反射分布函数BRDF定义为沿方向出射的辐射亮度
与沿方向入射到被测表面的辐照度之比，如(1)式所示：
对于一个给定的小面元，当沿方向的入射照度为时，其在方向出射的光谱散射亮度为：
则该面元在可见光波段内的散射亮度为：
在计算面元的可见光散射亮度时，将积分转换为求和来计算：
在公式(4)中为入射光源沿方向的辐射光谱照度，将其替换为不同光源可以解决不同问题，在(4)中Δλ根据需求来选择，兼顾计算精度和速度；
得到每个可见面元的可见光散射亮度后，只要将其映射到成像平面，就得到目标的可见光成像；
其中，公式(4)中的BRDF使用BRDF五参数模型来模拟，不同波长对应五个不同的参数值；
在(5)式中，第一项表示样片表面BRDF的相干散射分量，第二项表示非相干散射分量；kr 2cosα/(1+(kr 2-1)cosα)是样片表面小面元法线的分布函数，exp[b·(1-cosγ)a]是菲涅耳反射函数的近似描述，是遮蔽函数；kb，kd，kr，a，b为待定参数：kb和kd分别反映相干和非相干散射分量的大小，与样片表面的粗糙度和反射率有关，kr反映样片表面的斜率分布，与样片表面的粗糙度和纹理分布有关；a和b反映样片表面的菲涅耳反射函数，与样片的折射率有关。
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