CN114898037A - 激光三维动态场景建模系统及建模方法 - Google Patents

Abstract

激光三维动态场景建模系统及建模方法，解决了如何为现有激光雷达的测试快速提供不同场景和目标的问题，属于激光雷达探测技术领域。本发明根据被测激光雷达检测目标及背景建立目标与背景的三维几何模型、目标表面特性模型和传输介质模型，通过输入场景仿真参数和激光仿真参数，结合已建立的表面特性模型和传输介质模型，确定目标和背景的激光反射率，并将激光反射率划分灰度等级，获取三维场景反射率仿真图像，并进行二值化，根据发射激光的探测距离门对二值化后的图像进行二维切片，对切片图像分组，所有组的图像按时序存放在图像的RGB通道中，并将切片图像的探测距离信息按时序存放在RGB通道的其他通道上，完成图像重构。

Description

激光三维动态场景建模系统及建模方法

技术领域

本发明涉及一种激光三维动态场景建模系统及建模方法，属于激光雷达探测技术领域。

背景技术

激光雷达是激光探测及测距系统的简称。激光雷达是激光技术与激光雷达技术相结合 的产物。激光雷达是一种三维激光扫描系统。其工作原理就是通过不断向周围目标发射探 测信号(激光束)，并接收返回的信号(目标回波)来计算和描述被测量物理的有关信息， 如目标距离、方位、高度、姿态、形状等参数，以达到动态3D扫描的目的。在现有技术中，对制导武器的激光雷达进行测试时，测试方法是将车辆或坦克放到场景中，利用激光雷达检测场景中的目标，测试和验证激光雷达的动态性能，针对不同技术指标测试，需要提供不同的场景和目标，现有方法是真实的搭建场景和目标，这种方法复杂，成本高且不便捷。

发明内容

针对如何为现有制导武器激光雷达的测试快速提供不同场景和目标的问题，本发明提 供一种激光三维动态场景建模系统及建模方法。

本发明的一种激光三维动态场景建模系统，包括三维建模模块、控制交互模块、仿真 模块和数据生成模块；

控制交互模块，用于输入场景仿真参数和激光仿真参数；场景仿真参数包括目标姿态、 位置和目标速度；

三维建模模块，用于根据被测激光雷达检测目标及背景建立目标与背景的三维几何模 型、目标表面特性模型和传输介质模型，所述目标表面特性模型用于根据目标的表面纹理 和材质，并在自然光照条件下，在激光仿真参数控制下，模拟出目标的激光反射率；传输 介质模型用于根据环境背景辐射以及大气环境变化，确定激光的衰减程度，模拟出背景的 激光反射率；

仿真模块，用于根据场景仿真参数及建立的模型，进行三维场景仿真，获取三维场景 仿真图像；

数据生成模块，用于根据激光仿真参数，结合已建立的表面特性模型和传输介质模型， 确定目标和背景的激光反射率，并将激光反射率划分灰度等级，对三维场景目标进行灰度 仿真，获取三维场景反射率仿真图像；将三维场景反射率仿真图像进行二值化，根据发射 激光的探测距离门对二值化后的图像进行二维切片，对切片图像分组，所有组的图像按时 序存放在图像的RGB通道中，并将切片图像的探测距离信息按时序存放在RGB通道的 其他通道上，完成图像重构，重构后的图像数据为建模完成后激光三维动态场景数据。

作为优选，所述数据生成模块中，将反射率划分灰度等级，对三维场景进行灰度仿真， 获取三维场景反射率仿真图像，包括：

将灰度等级共分为65级，无目标与背景的情况下灰度为0，随着反射率增加，灰度等级越高，反射率最高时灰度等级为64；

一个像素灰度等级若为a，将此单个像素扩大为8×8个像素，从中心开始旋转排列a个像素，完成单个像素的反射率仿真，a取0到64。

作为优选，所述场景仿真参数的获取包括自行设置或者通过网络通信方式实时获取。

作为优选，所述系统还包括控制信息监控模块；

控制信息监控模块，用于对仿真过程中的交互控制日志、场景仿真日志以及图像处理 日志进行监控与显示。

本发明提供一种激光三维动态场景建模方法，包括如下步骤：

S1、根据被测激光雷达检测目标及背景建立目标与背景的三维几何模型、目标表面 特性模型和传输介质模型，所述目标表面特性模型用于根据目标的表面纹理和材质，并在 自然光照条件下，在激光仿真参数控制下，模拟出目标的激光反射率；传输介质模型用于 根据环境背景辐射以及大气环境变化，确定激光的衰减程度，模拟出背景的激光反射率；

S2、输入场景仿真参数和激光仿真参数；场景仿真参数包括目标姿态、位置和目标速度；

S3、根据场景仿真参数及建立的模型，进行三维场景仿真，获取三维场景仿真图像；

S4、根据激光仿真参数，结合已建立的表面特性模型和传输介质模型，确定目标和背景的激光反射率，并将激光反射率划分灰度等级，对三维场景目标进行灰度仿真，获取三维场景反射率仿真图像；将三维场景反射率仿真图像进行二值化，根据发射激光的探测距离门对二值化后的图像进行二维切片，对切片图像分组，所有组的图像按时序存放在图像的RGB通道中，并将切片图像的探测距离信息按时序存放在RGB通道的其他通道上， 完成图像重构，重构后的图像数据为建模完成后激光三维动态场景数据。

本发明的有益效果，本发明根据对场景和目标的需求确定场景仿真参数和激光仿真参 数，利用目标与背景的三维几何模型、目标表面特性模型和传输介质模型模拟出目标和背 景的激光反射率，将反射率转换成图像信息和距离信息，完成场景和目标的建模，本发明 为激光雷达提供的目标及背景的图像和距离信息，在实际测试中，可将图像和距离信息转 换成激光回波给被测激光雷达，实现激光雷达测试，方便快捷。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明实施例中三维几何模型；

图3为本发明三维场景仿真图像效果示意图；

图4为本发明三维场景反射率仿真图像效果示意图；

图5为本发明像素的灰度等级二值化；

图6为本发明距离选通时序图；

图7为本发明视目距离为300米时切片成像仿真图像序列；

图8为本发明图像重构原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组 合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式的激光三维动态场景建模系统，包括三维建模模块、控制交互模块、仿真 模块和数据生成模块；

控制交互模块，用于输入场景仿真参数和激光仿真参数；场景仿真参数包括目标姿态、 位置和目标速度；

三维建模模块，用于根据被测激光雷达检测目标及背景建立目标与背景的三维几何模 型、目标表面特性模型和传输介质模型，所述目标表面特性模型用于根据目标的表面纹理 和材质，并在自然光照条件下，在激光仿真参数控制下，模拟出目标的激光反射率；传输 介质模型用于根据环境背景辐射以及大气环境变化，确定激光的衰减程度，模拟出背景的 激光反射率；

本实施方式的三维建模模块的功能主要包含目标和背景的几何建模、表面特性建模、 传输介质建模三部分。其中几何建模主要针对典型目标与背景，使用三维建模软件(如3DMax等)生成动态三维场景几何模型；表面特性建模主要根据目标实际表面的纹理和 材质建立模型，使得目标能够根据自然光照条件、激光发射条件参数的控制和变化表现出 与真实情况一致的反射率；传输介质建模主要根据环境背景辐射以及大气环境建立模型， 以反映激光的衰减程度，模拟出背景的激光反射率。

仿真模块，用于根据场景仿真参数及建立的模型，进行三维场景仿真，获取三维场景 仿真图像；

本实施方式根据建立的模型进行原始三维场景、目标及背景激光探测的三维可视化仿 真，具体为：加载目标及背景的几何模型和纹理材质，根据已建立的传输介质模型，基于 三维图形引擎渲染出包含大气、光照、三维模型的逼真可视化场景。

数据生成模块，用于根据激光仿真参数，结合已建立的表面特性模型和传输介质模型， 确定目标和背景的激光反射率，并将激光反射率划分灰度等级，对三维场景目标进行灰度 仿真，获取三维场景反射率仿真图像；将三维场景反射率仿真图像进行二值化，根据发射 激光的距离门对二值化后的图像进行二维切片，对切片图像分组，所有组的图像按时序存 放在图像的RGB通道中，并将切片图像的距离信息按时序存放在RGB通道的其他通道 上，完成图像重构，重构后的图像数据为建模完成后激光三维动态场景数据。切片图像和 距离信息存放时序为重构协议，提取距离信息和图像信息时按照重构协议进行解码提取， 再转换成激光回波。

本实施方式针对控制交互模块设置的激光仿真参数，根据已建立的目标表面特性模型 和传输介质模型，计算设置条件下的目标及背景反射率，模拟出经过灰度等级二值化的切 片图像。并将场景切片数据与距离数据组合，并将重构后的图像送入激光回波生成系统， 实时生成回波生成器所需数据信息；其中在生成三维仿真场景后，针对仿真生成的图像， 通过二维切片方式，根据距离门进行离散空间切片。对于激光成像而言，不同空间对应回 波时间不同，二维切片作为回波图像位置指示，为后续回波生成设备提供回波轮廓信息。 切片只对场景可视表面进行切片，即内部与目标或背景不可见表面不进行切片操作，以保 证被遮挡的场景部分不会产生回波信号。二维切片后，图像为不同空间下的单灰度回波图 像，为提高图像传输效率，结合计算机图像RGB原理，对切片图像分组，按时序存放在图像的RGB通道中，以完成图像重构。

本实施方式的图像输出分别为显示仿真结果以及输出图像数据，其中仿真结果显示内 容包括原始彩色三维场景仿真结果显示、反射率建模仿真结果显示以及重构图像结果显示 等；输出图像数据部分根据仿真方式不同，将重构后的图像通过DVI接口，送入回波生 成设备。

本实施方式建模系统包括两部分，一部分是对被测激光雷达检测目标及背景的三维场 景建模，一部分是对三维场景的激光反射率仿真，仿真后生成图像信息和距离信息发送给 激光回波生成系统，激光回波生成系统将图像信息和距离信息转换成激光回波发送至激光 雷达，对激光雷达进行测试，本实施方式可根据不同技术指标测试，设计不同的三维场景， 利用建模系统进行仿真，获得三维场景的反射率，根据反射率生成回波到激光雷达，不需 要实际构造场景和目标，也不需要移动车辆或坦克，可直接测试，可实现不同技术指标测 试，方便快捷。

优选实施例中，本实施方式的场景仿真参数的获取包括自行设置或者通过网络通信方 式实时获取。

建立模型后，通过交互界面选择仿真方式，静态仿真方式通过设置交互控制参数实现， 动态仿真方式通过实时读取网络数据方式实现；根据选择的仿真方式进行静态或动态三维 场景仿真。

本实施方式的仿真功能主要包括静态仿真和动态仿真两部分，可以通过场景仿真参数 的获取方式区分。场景仿真参数可以通过交互界面设置获取和网络通信方式获取，其中， 采用交互界面设置方式时生成在某一状态下的单帧图像，即静态仿真；采用网络通信方式 (如接收光纤反射内存卡中的信息)获取目标及背景姿态、弹目视角、弹目距离等实时信 息，动态生成仿真场景及序列化图像，即动态仿真。其中静态仿真方式输出为单帧图像，动态仿真方式输出为序列图像。

优选实施例中，本实施方式中将反射率划分灰度等级，对三维场景进行灰度仿真，获 取三维场景反射率仿真图像，包括：

将灰度等级共分为65级，无目标与背景的情况下灰度为0，随着反射率增加，灰度等级越高，反射率最高时灰度等级为64；一个像素灰度等级若为a，将此单个像素扩大为 8×8个像素，从中心开始旋转排列a个像素，完成单个像素的反射率仿真，a取0到64。

具体实施例：

一、三维建模模块对目标及背景建模

本实施例针对的场景为：目标为坦克，背景为沙漠；

对坦克目标和沙漠背景进行几何建模。使用3DMax三维建模软件建立目标和背景的 三维三角网格模型，模拟真实场景中的仿真目标。目标几何仿真建模，借助三维建模软件 建立目标在虚拟三维空间中的三维网格仿真模型，采用顶点、边、面片等组合属性对目标 几何轮廓和空间位置进行描述，模拟真实场景中的成像目标：顶点两两相连形成边，首尾 相连的各边构成面片，所有面片组合成目标的三维网格模型，其中顶点和面片是目标几何 模型中最重要的两个属性。采用三维建模软件对坦克进行几何建模后的效果图如图2所示；

一般目标表面都是由平面和弯曲表面组成，本实施例做简化分析，以圆柱面作为典 型弯曲表面。对圆柱体侧面，设圆柱半径为r_C，高为H，

为柱面外法向矢量，

表示 入射方向矢量。取圆柱底面的中心点为坐标原点，则柱面方程为：

式中：

对可见目标面元属性的特征向量F_x,y进行描述，在定义目标材质后可计算得到目标面 元的双向反射分布函数值(Bi-directional Reflectance Distribution Function，BRDF)，对成像 仿真而言，需知观察平面像素对应的目标面元距离和目标面元辐射亮度，利用目标面元特 征向量可计算得出。

本实施方式采用SUN模型进行空间目标激光散射特性分析。其表达式为：

其中

式中：θ_i为入射天顶角；θ_r为观测天顶角；

为入射方位角；

为观测方位角。σ为表面粗糙度均方根；τ为表面自相关长度，二者表征目标表面的光滑程度，σ越小，τ越 大目标越光滑，对于理想光滑表面，s→∞。F(θ_i,λ)为菲涅尔反射系数(Fresnel Coefficient)，是入射角θ_i的函数，随着入射角度变化而变化，由表面材质性质决定，由入射介质和透射介质的折射率体现。

二、仿真模块获取三维场景仿真图像：加载目标及背景的几何模型和纹理材质，根据 已建立的传输介质模型，基于三维图形引擎渲染出包含大气、光照、三维模型的逼真可视 化场景。三维场景可视化仿真结果显示在主屏幕的三维场景仿真显示区，真实分辨率为128×96，为直观显示仿真效果，进行适当画面放大，其渲染效果如图3所示；

三、数据生成模块获取三维场景反射率仿真图像：

本实施方式针对用户设置的激光仿真参数，根据已建立的表面特性和传输介质模型， 设计相关算法，计算设置条件下的目标及背景反射率，最后在主屏幕的切片图像显示区模 拟出经过灰度等级二值化的切片图像。图像显示分辨率为1024×768，其显示效果如图4 所示；

其中，在构建三维仿真场景时，对场景输出的激光探测仿真三维灰度图像进行像素二 值化，将单个像素灰度值转换成8×8像素点，经过灰度等级二值化的图像，其分辨率从 128×96转换为1024×768。二值化前，灰度等级共分为65级，无目标与背景的情况下灰度为0，反射率最高时灰度等级为64。假设一个像素灰度等级是15，将此单个像素扩大 为8×8个像素，从中心开始旋转排列15个像素，以此实现该像素的灰度等级二值化，如 图5所示；

图像切片指生成三维仿真场景中目标或背景可视表面点切面的二维图像。根据激光成 像原理，通过设置距离门和距离分辨率参数，通过提取切片为激光回波生成系统提供回波 轮廓信息。图像切片主要仿真的是距离选通的门控切片，其中，距离选通技术是利用脉冲 激光器和选通型成像器，使选通成像器的选通时间与激光的回波脉冲到达时刻一致，从而 对特定距离的目标进行成像。脉冲激光和选通成像器通过控制电路同步，在t₀时刻，激光 器发出激光脉冲，此时选通成像器关闭。在激光脉冲传输到达目标并反射回选通成像器的 所处位置(t₁时刻)之前，选通成像器一直保持关闭，这样t₀和t₁时刻脉冲激光传输过程中 产生的后向散射光无法进入选通成像器形成噪声。当反射回的脉冲激光到达选通成像器 (t₁时刻)时，选通成像器打开，接收返回的脉冲激光并进行成像。这样形成的目标图像主 要与距离选通时间内的目标反射光有关。

激光二维强度图像的获得过程为：激光器发出一个光脉冲，照到目标后被反射回来， 这个过程中只有某一个特定时刻的回波才能被接收，其他时刻MCP选通门关闭，不能够成像。然后通过一定的时间延时对下一个回波脉冲信号进行成像，如此反复，就得到了一系列二维切片像。具体的实现过程如图6所示。

图6中同步触发信号的第一个上升沿开始触发激光器，经过t₀的时间发射激光脉冲， 同时，将这一脉冲延迟t₀+t的时间后加载到MCP选通门上，这样激光雷达系统就对距离为R₁＝ct/2处的激光回波探测，得到第一个切片的强度像，对应的距离为R₁。这之后， 当下一个时钟脉冲来临时，激光器触发脉冲也同时到达触发激光器，这时将这个脉冲信号 延迟t+Δt的时间后，加载到MCP选通门上，激光雷达系统将对距离为R₂＝c(t+Δt)/2处 的目标成像。而后重复这一过程，这就得到了一系列的二维图像。这个过程持续到设定的 距离R_n结束。得到的切片像数目为：

利用得到的二维强度图像来合成3D像。首先将得到的二维强度切片像按照其得到的先后时序排列并对其编号，则第i幅二维图像对应的距离为：

本实施例设置视目距离为300米，距离门设置为3米，生成的切片成像仿真图像序列 如图7所示；

图像重构对二维切片后的单灰度图像序列和距离信息进行重新组织生成后传输给回 波生成系统，以提高传输效率。通过结合计算机图像RGB原理，每10组切片形成一组新的图像，将10组图像按照先后时序，分别放在图像的G1～G0通道、R7～R0通道上， 即通道{G1/G0/R7/R6/R5/R4/R3/R2/R1/R0}。仿真T0时刻对应的切片距离信息叠加在 G7～G2、B7～B0通道上，即通道{G7/G6/G5/G4/G3/G2/B7/B6/B5/B4/B3/B2/B1/B0}，以完 成图像重构，如图8所示；

四、控制交互模块进行网络通信交互及仿真控制：

用户选择动态仿真方式时，本实施例接收光纤反射内存卡中传输的弹目位置、姿态、 视角、速度等实时仿真数据，模拟弹目接近过程，实时控制建模目标及场景姿态，同时生 成三维动态序列图像用于生成激光回波系统需要的数据。

本实施例通过激光参数设置，场景控制设置对仿真流程进行控制，激光参数包括激光 发射角、距离门、距离分辨率等；场景控制参数包括目标位置姿态、弹目位置、弹目姿态、 弹目速度以及弹目视场角等。动态仿真方式时，场景控制参数通过网络通信获取，静态仿 真方式则通过用户自行设置。

控制信息监控主要对仿真过程中的交互控制日志、场景仿真日志以及图像处理日志进 行监控与显示，便于用户监控和管理建模软件的仿真过程。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅 仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修 改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。 应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和 本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述 实施例中。

Claims (8)

1.激光三维动态场景建模系统，其特征在于，包括三维建模模块、控制交互模块、仿真模块和数据生成模块；

控制交互模块，用于输入场景仿真参数和激光仿真参数；场景仿真参数包括目标姿态、位置和目标速度；

三维建模模块，用于根据被测激光雷达检测目标及背景建立目标与背景的三维几何模型、目标表面特性模型和传输介质模型，所述目标表面特性模型用于根据目标的表面纹理和材质，并在自然光照条件下，在激光仿真参数控制下，模拟出目标的激光反射率；传输介质模型用于根据环境背景辐射以及大气环境变化，确定激光的衰减程度，模拟出背景的激光反射率；

仿真模块，用于根据场景仿真参数及建立的模型，进行三维场景仿真，获取三维场景仿真图像；

数据生成模块，用于根据激光仿真参数，结合已建立的表面特性模型和传输介质模型，确定目标和背景的激光反射率，并将激光反射率划分灰度等级，对三维场景目标进行灰度仿真，获取三维场景反射率仿真图像；将三维场景反射率仿真图像进行二值化，根据发射激光的探测距离门对二值化后的图像进行二维切片，对切片图像分组，所有组的图像按时序存放在图像的RGB通道中，并将切片图像的探测距离信息按时序存放在RGB通道的其他通道上，完成图像重构，重构后的图像数据为建模完成后激光三维动态场景数据。

2.根据权利要求1所述的激光三维动态场景建模系统，其特征在于，所述数据生成模块中，将反射率划分灰度等级，对三维场景进行灰度仿真，获取三维场景反射率仿真图像，包括：

将灰度等级共分为65级，无目标与背景的情况下灰度为0，随着反射率增加，灰度等级越高，反射率最高时灰度等级为64；

一个像素灰度等级若为a，将此单个像素扩大为8×8个像素，从中心开始旋转排列a个像素，完成单个像素的反射率仿真，a取0到64。

3.根据权利要求1所述的激光三维动态场景建模系统，其特征在于，所述场景仿真参数的获取包括自行设置或者通过网络通信方式实时获取。

4.根据权利要求1所述的激光三维动态场景建模系统，其特征在于，所述系统还包括控制信息监控模块；

控制信息监控模块，用于对仿真过程中的交互控制日志、场景仿真日志以及图像处理日志进行监控与显示。

5.一种激光三维动态场景建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据被测激光雷达检测目标及背景建立目标与背景的三维几何模型、目标表面特性模型和传输介质模型，所述目标表面特性模型用于根据目标的表面纹理和材质，并在自然光照条件下，在激光仿真参数控制下，模拟出目标的激光反射率；传输介质模型用于根据环境背景辐射以及大气环境变化，确定激光的衰减程度，模拟出背景的激光反射率；

S2、输入场景仿真参数和激光仿真参数；场景仿真参数包括目标姿态、位置和目标速度；

S3、根据场景仿真参数及建立的模型，进行三维场景仿真，获取三维场景仿真图像；

S4、根据激光仿真参数，结合已建立的表面特性模型和传输介质模型，确定目标和背景的激光反射率，并将激光反射率划分灰度等级，对三维场景目标进行灰度仿真，获取三维场景反射率仿真图像；将三维场景反射率仿真图像进行二值化，根据发射激光的探测距离门对二值化后的图像进行二维切片，对切片图像分组，所有组的图像按时序存放在图像的RGB通道中，并将切片图像的探测距离信息按时序存放在RGB通道的其他通道上，完成图像重构，重构后的图像数据为建模完成后激光三维动态场景数据。

6.根据权利要求5所述的激光三维动态场景建模方法，其特征在于，所述S4中，将反射率划分灰度等级，对三维场景进行灰度仿真，获取三维场景反射率仿真图像，包括：

将灰度等级共分为65级，无目标与背景的情况下灰度为0，随着反射率增加，灰度等级越高，反射率最高时灰度等级为64；

一个像素灰度等级若为a，将此单个像素扩大为8×8个像素，从中心开始旋转排列a个像素，完成单个像素的反射率仿真，a取0到64。

7.根据权利要求5所述的激光三维动态场景建模方法，其特征在于，S2中的场景仿真参数的获取包括自行设置或者通过网络通信方式实时获取。

8.根据权利要求5所述的激光三维动态场景建模方法，其特征在于，所述方法还包括：

对仿真过程中的交互控制日志、场景仿真日志以及图像处理日志进行监控与显示。

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