CN112509116A - 全色相机对空间目标的模拟在轨成像方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全色相机对空间目标的模拟在轨成像方法和系统，包括：步骤1：通过三维建模软件Creator，创建目标的三维模型；步骤2：相对位置、姿态及天体位置计算；步骤3：进行成像灰度值计算；步骤4：传感器参数设置；步骤5：用三维场景驱动呈现成像目标和其他场景对象在空间的姿态、位置和光照情况，通过图片截取并图像处理的方法，作为全色相机在轨模拟成像的成果文件。本发明可以对任意目标建模并成像仿真；可对不同距离、不同像移及不同信噪比的成像影响进行仿真。

Description

全色相机对空间目标的模拟在轨成像方法和系统

技术领域

本发明涉及航天遥感技术领域，具体地，涉及一种全色相机对空间目标的模拟在轨成像方法和系统。

背景技术

在以空间目标观测为基础的航天器遥感领域中，需要明确空间目标的光学特性。需要研究空间目标的光学散射、红外辐射理论，及其特性的计算方法，建立空间目标接近、飞行过程中的光学散射、红外辐射模型；研究对目标空间成像进行地面仿真，反演空间目标姿态、尺寸等特征参数信息。本发明设计一种全色相机在轨成像效果的地面仿真方法，根据相机实际参数，对待成像目标的观测效果提前预演仿真，支持在轨任务规划。

专利文献CN107504982A(申请号：CN201710721538.5)公开了一种航空相机对地成像模拟系统，包括目标转鼓、平行光管、反射镜等实物，能够把温度、速度和高度等环节结合起来，实现地面实验室模拟相机在航空环境成像的系统，该专利是用实物装置的方法，建立成像模拟系统，而本发明是通过软件的方法进行成像模拟仿真。

文献文章《基于OpenGL的空间目标图像生成方法》，计算机仿真，2010，27(6)：267-270，结合目标识别的背景生成了近距离的空间目标图像，但仅生成了二维图像序列，而本发明考虑了姿态及空间影响下的三维成像仿真。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种全色相机对空间目标的模拟在轨成像方法和系统。

根据本发明提供的全色相机对空间目标的模拟在轨成像方法，包括：

步骤1：通过三维建模软件Creator，创建目标的三维模型，并按照实际尺寸、颜色和材质设定各部件；

步骤2：计算相机与目标以及天体在J2000惯性系下的位置，计算太阳在惯性系下的位置，计算相机平台对目标的相对指向姿态；

步骤3：根据能量守恒计算太阳可见光波段在大气表面的辐照度，根据空间目标的反射特性计算空间目标的入瞳照度，经过光电转换得到反射能量在相机焦平面激发的电子数，根据相机物理参数和仿真条件量化空间目标的图像灰度值；

步骤4：利用图像处理的方式模拟不同传感器参数对成像效果的影响，包括动态范围、信噪比、积分时间、像移距离和角度；

步骤5：用三维场景驱动呈现成像目标和其他场景对象在空间的姿态、位置和光照情况，通过图片截取并图像处理的方法，作为全色相机在轨模拟成像的成果文件。

优选的，所述步骤1包括：

首先，确定目标的结构和构成目标的纹理图片，确定目标构成的组成部分及目标的结构尺寸信息；

其次，根据目标的结构数据信息在不同的特征点处设置放样点；

然后，在目标不同特征线处勾画与特征线吻台的放样线，根据目标不同部位的垂直横截面，在横截面处创建与目标形状一致的放样面，根据目标不同部位放样点、线、面，归属确定不同的object结点、放样点、线、面的层次结构；

最后，利用Creator提供的放样工具将每个object结点中的放样点、线、面，根据实际的形体结构，放样为目标的不同的位置，并完善模型的关键结构，最终完成目标的三维几何结构建模。

优选的，目标的三维几何结构建模完成后，对其进行表面纹理贴图，包括制作纹理和贴纹理；

在制作纹理时，先获取目标的图片资料，对于大型的场景利用遥感影像进行采集，对于小目标采用数码相机采集，采集到素材后制作纹理，然后进行贴纹理；

获得纹理后，使用纹理映射工具从纹理调板中将纹理一片一片的附着到目标模型的表面上，在贴图过程中将三维模型的面片分割成三角形，在实时渲染中防止模型抖动。

优选的，所述步骤2包括：

首先获取相机及目标在J2000惯性系下的位置和速度矢量，计算相机视轴指向目标所需的欧拉姿态对应的三个角度，包括滚动角、俯仰角及偏航角；

通过UTCG历元时间，计算天体位置，包括太阳和月亮在地心惯性系J2000系下的位置。

优选的，所述步骤3包括：

成像传感器电压计算如下：

由空间目标的辐亮度计算公式：

和空间目标在光学系统像面的照度公式：

得到：E＝0.14×10^-2×E_sun×ρ×cosθ

其中：E_sun为有效光谱范围内的太阳辐射常数，ρ为太阳到目标的距离，θ为太阳光照角，

为光学系统的相对孔径，τ为光学系统透过率，L为光学系统入瞳辐亮度，η为面中心遮拦系数；

则成像相机像元的在单位毫秒的输出电压为：

A为CMOS图像的像元感光面积，λ为平均波长，t为积分时间，k为CMOS的量子效率，G为电子/电压转换系数，h为普朗克常数，c为光速；

设置量化位数为8，输出电压为Vmax时，达到传感器量化的最大像素值255，则电压灰度值的变换关系为：

根据本发明提供的全色相机对空间目标的模拟在轨成像系统，包括：

模块M1：通过三维建模软件Creator，创建目标的三维模型，并按照实际尺寸、颜色和材质设定各部件；

模块M2：计算相机与目标以及天体在J2000惯性系下的位置，计算太阳在惯性系下的位置，计算相机平台对目标的相对指向姿态；

模块M3：根据能量守恒计算太阳可见光波段在大气表面的辐照度，根据空间目标的反射特性计算空间目标的入瞳照度，经过光电转换得到反射能量在相机焦平面激发的电子数，根据相机物理参数和仿真条件量化空间目标的图像灰度值；

模块M4：利用图像处理的方式模拟不同传感器参数对成像效果的影响，包括动态范围、信噪比、积分时间、像移距离和角度；

模块M5：用三维场景驱动呈现成像目标和其他场景对象在空间的姿态、位置和光照情况，通过图片截取并图像处理的方法，作为全色相机在轨模拟成像的成果文件。

优选的，所述模块M1包括：

首先，确定目标的结构和构成目标的纹理图片，确定目标构成的组成部分及目标的结构尺寸信息；

其次，根据目标的结构数据信息在不同的特征点处设置放样点；

然后，在目标不同特征线处勾画与特征线吻台的放样线，根据目标不同部位的垂直横截面，在横截面处创建与目标形状一致的放样面，根据目标不同部位放样点、线、面，归属确定不同的object结点、放样点、线、面的层次结构；

最后，利用Creator提供的放样工具将每个object结点中的放样点、线、面，根据实际的形体结构，放样为目标的不同的位置，并完善模型的关键结构，最终完成目标的三维几何结构建模。

优选的，目标的三维几何结构建模完成后，对其进行表面纹理贴图，包括制作纹理和贴纹理；

在制作纹理时，先获取目标的图片资料，对于大型的场景利用遥感影像进行采集，对于小目标采用数码相机采集，采集到素材后制作纹理，然后进行贴纹理；

获得纹理后，使用纹理映射工具从纹理调板中将纹理一片一片的附着到目标模型的表面上，在贴图过程中将三维模型的面片分割成三角形，在实时渲染中防止模型抖动。

优选的，所述模块M2包括：

首先获取相机及目标在J2000惯性系下的位置和速度矢量，计算相机视轴指向目标所需的欧拉姿态对应的三个角度，包括滚动角、俯仰角及偏航角；

通过UTCG历元时间，计算天体位置，包括太阳和月亮在地心惯性系J2000系下的位置。

优选的，所述模块M3包括：

成像传感器电压计算如下：

由空间目标的辐亮度计算公式：

和空间目标在光学系统像面的照度公式：

得到：E＝0.14×10^-2×E_sun×ρ×cosθ

其中：E_sun为有效光谱范围内的太阳辐射常数，ρ为太阳到目标的距离，θ为太阳光照角，

为光学系统的相对孔径，τ为光学系统透过率，L为光学系统入瞳辐亮度，η为面中心遮拦系数；

则成像相机像元的在单位毫秒的输出电压为：

A为CMOS图像的像元感光面积，λ为平均波长，t为积分时间，k为CMOS的量子效率，G为电子/电压转换系数，h为普朗克常数，c为光速；

设置量化位数为8，输出电压为Vmax时，达到传感器量化的最大像素值255，则电压灰度值的变换关系为：

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明可以对任意目标建模并成像仿真；

2、本发明可对不同距离、不同像移及不同信噪比的成像影响进行仿真。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1目标三维模型建模流程图；

图2相对位置、姿态及天体位置计算图；

图3动态范围设置对比图；

图4信噪比设置对比图；

图5积分时间设置对比图；

图6像移距离设置对比图；

图7像移角度设置对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例：

根据本发明提供的一种全色相机模拟在轨成像方法，包括：

步骤一：目标几何三维模型的建立

目标几何模型的主要建模步骤如附图1所示，在利用Creator建模工具建模前，首先要确定目标的结构和构成目标的纹理图片，确定目标构成的主要组成部分及目标的结构尺寸等信息；其次，根据目标的结构数据信息在不同的特征点处设置放样点；然后，在目标不同特征线处勾画与特征线吻台的放样线，再根据目标不同部位的垂直横截面、横截面等处创建与其目标形状一致的放样面，再根据目标不同部位放样点、线、面，归属确定不同的object结点、放样点、线、面的层次结构；最后利用Creator提供的放样工具将每个object结点中的放样点、线、面，根据其实际的形体结构，放样为目标的不同的位置，并完善模型的关键结构，最终完成目标的三维几何结构建模。

目标三维几何结构模型建完后，需要对其进行表面纹理贴图，纹理贴图是利用Creator进行目标建模中非常重要的一个环节。在该环节中分为两大步：制作纹理和贴纹理。在制作纹理时首先要获取目标的图片资料，对于大型的场景一般利用遥感影像进行采集；对于小目标一般采用数码相机采集。采集到素材后制作纹理，纹理制作好后就可以进行贴纹理。纹理的映射不光可以提高模型在可见光状态下的真实度，同时对目标的光学特性仿真也是十分重要的。获得纹理后，使用纹理映射工具从纹理调板中将纹理一片一片的附着到目标模型的表面上，为了保证目标模型能够平滑的显示，在贴图过程中要将三维模型的面片分割成三角形，只有这样在实时渲染中才不会出现模型抖动的现象。

步骤二：相对位置、姿态及天体位置计算

首先获取相机及目标在J2000惯性系下的位置和速度矢量，计算相机视轴指向目标所需的欧拉姿态对应的三个角度，包括滚动角、俯仰角及偏航角。通过UTCG历元时间，计算天体位置，包括太阳和月亮在地心惯性系J2000系下的位置，如附图2所示。

步骤三：进行成像灰度值计算

星载可见光相机观测空间目标时主要是依靠目标反射的太阳光能量成像。计算空间目标的像元灰度值，首先根据能量守恒计算太阳可见光波段在大气表面的辐照度；然后根据空间目标的反射特性计算空间目标的入瞳照度；经过光电转换得到反射能量在相机焦平面激发的电子数；最后根据相机物理参数和仿真条件量化空间目标的图像灰度值。

(1)传感器电压计算

成像传感器电压计算如下：

由空间目标的辐亮度计算公式：

和空间目标在光学系统像面的照度公式：

可以得到：E＝0.14×10^-2×E_sun×ρ×cosθ

其中：Esun为有效光谱范围内的太阳辐射常数(695.6W/m²)，ρ为太阳到目标的距离，θ为太阳光照角，D/f为光学系统的相对孔径(设置为0.1)，τ为光学系统透过率(设置为0.7)，L为光学系统入瞳辐亮度，η为面中心遮拦系数(设置为0.2)。

则成像相机像元的在单位毫秒的输出电压为：

A为CMOS图像的像元感光面积(设置为8μm×8μm)，λ为平均波长(设置为650nm)，t为积分时间(设置为：0.1～10ms)，k为CMOS的量子效率(设置为0.5)，G为电子/电压转换系数(设置为11.5μV/e-)，h为普朗克常数(6.6260693x10^-34)，c为光速(3x10⁸m/s)。

既当正入射(θ＝0)，且设反射率为1时，像元在单位毫秒的输出电压为1.17V。

(2)灰度值量化

灰度值量化即建立像元输出电压和图像灰度之间的关系。比如规定量化位数为8，假设输出电压为Vmax时，达到传感器量化的最大像素值255，则电压到灰度的变换关系为：

步骤四：传感器参数设置

用作对传感器成像效果进行模拟，包括有：动态范围、信噪比、积分时间、像移距离和角度等。动态范围设置如附图3所示(3a为动态范围40db，3b为动态范围60db，3c为动态范围80db，3d为动态范围100db)，信噪比设置如附图4所示(4a为信噪比30db，4b为信噪比20db，4c为信噪比10db，4d为信噪比3db)，积分时间设置如附图5所示(5a为积分时间10ms，5b为积分时间20ms，5c为积分时间30ms，5d为积分时间40ms)，像移距离设置如附图6所示(6a为像移0.1pixel，6b为像移0.4pixel，6c为像移0.7pixel，6d为像移1pixel)，像移角度设置如附图7所示(7a为像移角度0°，7b为像移角度90°)。

步骤五：进行场景驱动和图片截取

选用Vega作为三维场景的驱动引擎。利用数据驱动，建立相机对目标成像的效果场景，对三维场景截取图片，生成目标的彩色图像，进一步灰度化生成全色图像。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种全色相机对空间目标的模拟在轨成像方法，其特征在于，包括：

步骤1：通过三维建模软件Creator，创建目标的三维模型，并按照实际尺寸、颜色和材质设定各部件；

步骤2：计算相机与目标以及天体在J2000惯性系下的位置，计算太阳在惯性系下的位置，计算相机平台对目标的相对指向姿态；

步骤3：根据能量守恒计算太阳可见光波段在大气表面的辐照度，根据空间目标的反射特性计算空间目标的入瞳照度，经过光电转换得到反射能量在相机焦平面激发的电子数，根据相机物理参数和仿真条件量化空间目标的图像灰度值；

步骤4：利用图像处理的方式模拟不同传感器参数对成像效果的影响，包括动态范围、信噪比、积分时间、像移距离和角度；

步骤5：用三维场景驱动呈现成像目标和其他场景对象在空间的姿态、位置和光照情况，通过图片截取并图像处理的方法，作为全色相机在轨模拟成像的成果文件。

2.根据权利要求1所述的全色相机对空间目标的模拟在轨成像方法，其特征在于，所述步骤1包括：

首先，确定目标的结构和构成目标的纹理图片，确定目标构成的组成部分及目标的结构尺寸信息；

其次，根据目标的结构数据信息在不同的特征点处设置放样点；

然后，在目标不同特征线处勾画与特征线吻台的放样线，根据目标不同部位的垂直横截面，在横截面处创建与目标形状一致的放样面，根据目标不同部位放样点、线、面，归属确定不同的object结点、放样点、线、面的层次结构；

最后，利用Creator提供的放样工具将每个object结点中的放样点、线、面，根据实际的形体结构，放样为目标的不同的位置，并完善模型的关键结构，最终完成目标的三维几何结构建模。

3.根据权利要求2所述的全色相机对空间目标的模拟在轨成像方法，其特征在于，目标的三维几何结构建模完成后，对其进行表面纹理贴图，包括制作纹理和贴纹理；

在制作纹理时，先获取目标的图片资料，对于大型的场景利用遥感影像进行采集，对于小目标采用数码相机采集，采集到素材后制作纹理，然后进行贴纹理；

获得纹理后，使用纹理映射工具从纹理调板中将纹理一片一片的附着到目标模型的表面上，在贴图过程中将三维模型的面片分割成三角形，在实时渲染中防止模型抖动。

4.根据权利要求1所述的全色相机对空间目标的模拟在轨成像方法，其特征在于，所述步骤2包括：

首先获取相机及目标在J2000惯性系下的位置和速度矢量，计算相机视轴指向目标所需的欧拉姿态对应的三个角度，包括滚动角、俯仰角及偏航角；

通过UTCG历元时间，计算天体位置，包括太阳和月亮在地心惯性系J2000系下的位置。

5.根据权利要求1所述的全色相机对空间目标的模拟在轨成像方法，其特征在于，所述步骤3包括：

成像传感器电压计算如下：

由空间目标的辐亮度计算公式：

和空间目标在光学系统像面的照度公式：

得到：E＝0.14×10^-2×E_sun×ρ×cosθ

其中：E_sun为有效光谱范围内的太阳辐射常数，ρ为太阳到目标的距离，θ为太阳光照角，

为光学系统的相对孔径，τ为光学系统透过率，L为光学系统入瞳辐亮度，η为面中心遮拦系数；

则成像相机像元的在单位毫秒的输出电压为：

A为CMOS图像的像元感光面积，λ为平均波长，t为积分时间，k为CMOS的量子效率，G为电子/电压转换系数，h为普朗克常数，c为光速；

设置量化位数为8，输出电压为Vmax时，达到传感器量化的最大像素值255，则电压灰度值的变换关系为：

6.一种全色相机对空间目标的模拟在轨成像系统，其特征在于，包括：

模块M1：通过三维建模软件Creator，创建目标的三维模型，并按照实际尺寸、颜色和材质设定各部件；

模块M2：计算相机与目标以及天体在J2000惯性系下的位置，计算太阳在惯性系下的位置，计算相机平台对目标的相对指向姿态；

模块M3：根据能量守恒计算太阳可见光波段在大气表面的辐照度，根据空间目标的反射特性计算空间目标的入瞳照度，经过光电转换得到反射能量在相机焦平面激发的电子数，根据相机物理参数和仿真条件量化空间目标的图像灰度值；

模块M4：利用图像处理的方式模拟不同传感器参数对成像效果的影响，包括动态范围、信噪比、积分时间、像移距离和角度；

模块M5：用三维场景驱动呈现成像目标和其他场景对象在空间的姿态、位置和光照情况，通过图片截取并图像处理的方法，作为全色相机在轨模拟成像的成果文件。

7.根据权利要求6所述的全色相机对空间目标的模拟在轨成像系统，其特征在于，所述模块M1包括：

首先，确定目标的结构和构成目标的纹理图片，确定目标构成的组成部分及目标的结构尺寸信息；

其次，根据目标的结构数据信息在不同的特征点处设置放样点；

然后，在目标不同特征线处勾画与特征线吻台的放样线，根据目标不同部位的垂直横截面，在横截面处创建与目标形状一致的放样面，根据目标不同部位放样点、线、面，归属确定不同的object结点、放样点、线、面的层次结构；

最后，利用Creator提供的放样工具将每个object结点中的放样点、线、面，根据实际的形体结构，放样为目标的不同的位置，并完善模型的关键结构，最终完成目标的三维几何结构建模。

8.根据权利要求7所述的全色相机对空间目标的模拟在轨成像系统，其特征在于，目标的三维几何结构建模完成后，对其进行表面纹理贴图，包括制作纹理和贴纹理；

在制作纹理时，先获取目标的图片资料，对于大型的场景利用遥感影像进行采集，对于小目标采用数码相机采集，采集到素材后制作纹理，然后进行贴纹理；

获得纹理后，使用纹理映射工具从纹理调板中将纹理一片一片的附着到目标模型的表面上，在贴图过程中将三维模型的面片分割成三角形，在实时渲染中防止模型抖动。

9.根据权利要求6所述的全色相机对空间目标的模拟在轨成像系统，其特征在于，所述模块M2包括：

首先获取相机及目标在J2000惯性系下的位置和速度矢量，计算相机视轴指向目标所需的欧拉姿态对应的三个角度，包括滚动角、俯仰角及偏航角；

通过UTCG历元时间，计算天体位置，包括太阳和月亮在地心惯性系J2000系下的位置。

10.根据权利要求6所述的全色相机对空间目标的模拟在轨成像系统，其特征在于，所述模块M3包括：

成像传感器电压计算如下：

由空间目标的辐亮度计算公式：

和空间目标在光学系统像面的照度公式：

得到：E＝0.14×10^-2×E_sun×ρ×cosθ

其中：E_sun为有效光谱范围内的太阳辐射常数，ρ为太阳到目标的距离，θ为太阳光照角，

为光学系统的相对孔径，τ为光学系统透过率，L为光学系统入瞳辐亮度，η为面中心遮拦系数；

则成像相机像元的在单位毫秒的输出电压为：

A为CMOS图像的像元感光面积，λ为平均波长，t为积分时间，k为CMOS的量子效率，G为电子/电压转换系数，h为普朗克常数，c为光速；

设置量化位数为8，输出电压为Vmax时，达到传感器量化的最大像素值255，则电压灰度值的变换关系为：

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