CN118114451A - 一种空间光场环境中目标观测图像仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间光场环境中目标观测图像仿真方法，结合空间光场环境中目标的特性，输入观测轨道位姿序列、观测时刻光照数据、测量敏感器参数，结合实际仪器镜头成像规律，进行系统化仿真，并能够通过仿真建模与配准，闭环提升仿真水平，获得携带位姿序列、光照角度、相机特性等参数的单目序列图像。

Description

一种空间光场环境中目标观测图像仿真方法

技术领域

本发明涉及一种空间光场环境中目标观测图像仿真方法，属于技术领域。

背景技术

面向空间光场环境中目标在轨探测技术可实现对目标天体的基于光学成像测量的测绘、导航与控制，具有很高的科学价值。在实际任务中，一般对待探测的光场环境中目标仅当飞抵特定空间位置时再进行成像观测，而通过对目标的方位、距离和姿态等参数进行测量，结合空间光场反射信息和观测相机几何模型，能够预先进行目标在特定时刻与空间位置下的在轨实测图像仿真，为后续规划观测策略与导航方案提供及时准确的设计参考。因此，虚拟仿真工具的价值高，能够用于支持测试和验证未来的自主抵近和绕飞导航系统，同时也是集合了计算机视觉、光度学、三维重建、控制工程、轨道动力学等多专业领域的关键技术。

相关技术在光场环境中目标测绘与导航着陆领域已有相关探索，能够根据在轨实时参数生成目标图像，并在满足导航应用需求层面达到与实际观测结果一致的状态。但面向空间光场环境中目标的仿真观测目前还未能有效结合位姿序列、光照角度、相机特性等参数实现系统化仿真，同时无法提供符合实际仪器镜头成像规律的模拟。随着技术应用需求日益增多、关键技术受限的现状和掌握相关技术内涵对国产化自主研发能力提升的重要作用，还需研究精确仿真生成包含特定时刻下特定位姿角度与光照信息、符合探测器成像特性的目标物理渲染图像集的相关方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种空间光场环境中目标观测图像仿真方法，获得携带位姿序列、光照角度、相机特性等参数的单目序列图像。

本发明的技术解决方案是：

一种空间光场环境中目标观测图像仿真方法，包括：

(1)基于辐射传输特性，计算光场环境中目标表面反射特性参数，得到目标光度模型，描述目标在反射方向上的辐射亮度增量与入射方向辐射照度增量的比率；将所述目标光度模型代入BRDF双向反射分布函数，得到图像的反射图方程；

(2)通过空间探测器历史数据中实时测得的目标观测位置信息与太阳光照角度信息，形成几何特性内核文件；

(3)进行图像的归一化光谱响应与灰度响应转化，得到观测仪器响应转化的流量谱；

(4)根据几何特性内核文件，获取在观测时刻目标、空间探测器、太阳的位置信息，结合目标三维模型、反射图方程、流量谱，共同作为仿真输入，进行基于光线追迹的物理渲染仿真，得到携带位姿序列、光照角度、相机特性参数的单目序列图像；

(5)计算所述单目序列图像精度，若不满足设定阈值，则对目标光度模型进行优化，基于优化后的目标光度模型执行步骤(4)，直至满足设定阈值，得到满足精度要求的单目序列图像。

优选的，建立目标光度模型，包括：

在目标表面上任一点上建立坐标系，法矢量指向为z，入射光投影方向作为x，令所述点处单位法矢量为N，偏角为倾角为θ；光源的偏角为/>倾角为θ_i，光源与法矢量的夹角为i；观测方向为P，观测方向与法矢量的夹角为e；

计算单个颗粒相函数、后向散射函数，得到目标光度模型为：

式中，f_r(i,e,g)为双向反射率；ω为常量参数，表示表面微粒的单次散射反照率；B(g)为后向散射函数；p(g)为相函数，表示光线在天体表面散射时的角度分布；H(cosi)H(cose)-1表示混合散射对目标的地表双向反射率的贡献量；g为光线入射和出射方向的夹角。

优选的，计算单个颗粒相函数：

式中，b、c为常量参数。

优选的，计算后向散射函数：

B(g)＝B_SH(g)×B_CH(g)

式中，B_SH(g)是由于阴影遮蔽而产生的反向效应，B_CH(g)是由于相干后向散射而产生的反向效应；

式中，B_S0是阴影遮蔽反向效应的幅度，h_s、h_c为常量参数，B_C0是阴影遮蔽反向效应的幅度。

优选的，计算H(x)的方法为：

式中，x取值cosi或cose。

优选的，步骤(5)对目标光度模型进行优化，即为对目标光度模型中的各常量参数进行更改，得到优化后的目标光度模型。

优选的，进行归一化光谱响应与灰度响应转化，得到观测仪器响应转化的流量谱，包括：

式中，M_c是流量谱；f(λ)是光谱辐照度流量抵达观测仪器时的分布函数，T(λ)QE(λ)是观测仪器的归一化光谱响应，均通过离散数据拟合得到；C₁是定标常数，λ₁、λ₂是使用波段的边界值。

优选的，计算单目序列图像的精度的方法为：通过地形投影配准，统计图像灰度值配准的平均均方根误差RMS。

优选的，几何特性内核文件内的数据包括航天器星历、目标物体的位置、仪器描述内核、指向内核、电子事件内核。

优选的，通过空间探测器上的激光或立体视觉敏感器获取光场环境中目标三维模型。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过综合考虑表面微粒的单次散射反照率、观测方位角、光线入射和出射方向的夹角、后向散射函数、相函数、混合散射对天体地表双向反射率的贡献量，得到基于目标光度的反射模型，配合星历轨道数据可以辅助渲染引擎还原高真实度的仿真观测图像。

(2)本发明在保障精度的前提下，提出了一种计算图像归一化光谱响应转化为灰度响应的计算方法，在输入图像后，本算法仅需3.48秒即可完成解算，相比于现有常规算法耗时5165.62秒，效率大幅提升，并可以以此为基础开发低成本快速获取光场环境中目标在各种场景的观测数据。

(3)本发明能够灵活的提供待测光场环境中目标在观测时刻的包含位姿序列、光照角度、相机特性等参数的序列图像，其中几何位姿数据获取支持在仿真观测过程中引入多种外部变量设置，从而有利于深入规划观测策略，模拟多种场景下的目标三维重建结果或进行光变数据的反演。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例空间光场环境中目标观测图像仿真方法流程图；

图2为地表反射特性模型光源、目标和视点间关系示意图；

图3为光源入射情况下目标表面在任意观测角度的反射特性，即双向反射分布示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

面向未来型号任务对多场景数据生成、多领域系统覆盖、多模式交互衍生以及多技术拓展应用的需求，本发明提出了一种空间光场环境中目标观测图像仿真方法，使用前期构建的三维地形图，结合在轨实时位姿序列、对应时刻光照角度、观测相机特性等参数进行渲染，高度适配在轨实际仪器镜头成像规律，辅助任务规划与地面演练，具备高还原度、强真实性的渲染模式，解决光场环境中目标面向三维重建与导航轨迹规划过程中的在轨观测图像高精度仿真问题。

该方法如图1所示，包括：

(1)生成三维数据模型

预先通过空间探测器上的激光或立体视觉敏感器获取光场环境中目标原始三维模型。

(2)建立目标光度模型

按不同区域，基于应用广泛的二向反射模型框架——BRDF双向反射分布函数，可知图像的辐照亮度正比于物体的反射辐射亮度。建立光辐射传输模型，得到目标光度地表反射特性模型，后文统一称为目标光度模型。相应参数定义与配置如下：

假设目标表面形貌并不规则，同时表面颗粒直径远大于入射光波长，然后在表面上一点上建立坐标系，由右手法则，法矢量指向为z，入射光投影方向作为x。令此点处单位法矢量为N，偏角为倾角为θ；光源的偏角为/>倾角为θ_i，光源与法矢量的夹角为i；观测方向为P，观测方向与法矢量的夹角为e，如图2所示，则目标光度模型函数表达为：

其中，f_r(i,e,g)为双向反射率，ω是表面微粒的单次散射反照率，B(g)为后向散射函数；p(g)为相函数，表示光线在天体表面散射时的角度分布；H(cosi)H(cose)-1体现混合散射对天体目标的地表双向反射率的贡献量；

光线入射和出射方向的夹角g的计算公式为：

其中，是入射光与出射光方位角之差；μ₀为入射角余弦值，μ为出射角余弦值；

S、E分别是由颗粒组成的介质的散射系数与消光系数：

S＝∑_idN_idσ_idQ_Sid (4)

E＝Σ_idN_idQ_Eid (5)

其中，id为介质里颗粒的标识，N_id为单位体积中第id种颗粒的个数，σ_id是第id种颗粒的平均横截面积，Q_Sid、Q_Eid分别是第id颗粒的吸收系数和消光系数；

P(g)是单个颗粒相函数，其二阶Legendre多项式展开结果为：

其中，b、c为常量参数。

B_SH(g)是由于阴影遮蔽而产生的反向效应，计算公式为：

B_SH(g)＝1+B_S0B_S(g) (7)

其中，B_S0是阴影遮蔽反向效应的幅度，一般有B_S0≤1。

B_S(g)的计算公式：

其中，<a>是平均颗粒半径，是介质的填充系数，同时h_s和介质表面空隙度以及颗粒大小分布有关。

B_CH(g)是由于相干后向散射而产生的反向效应，计算公式：

B_CH(g)＝1+B_C0B_C(g) (10)

其中，B_C0是阴影遮蔽反向效应的幅度，一般有B_C0≤1。

B_C(g)的计算公式：

其中，λ是波长，同时h_c和介质表面空隙度以及颗粒大小分布有关。Λ是光在介质中平均透明光路长度，即光子在介质内的传播方向如发生1弧度的较大变化之前的平均传播距离，其计算公式：

Λ＝[n_sσ_sQ_s(1-<cosθ_s>)]^-1 (13)

其中，n_s是介质单位体积内颗粒个数，σ_s是颗粒的平均横截面积，Q_s是颗粒平均散射效率，<cosθ_s>是散射角的平均余弦值。

后向散射函数B(g)为：

B(g)＝B_SH(g)×B_CH(g) (14)

H(x)表达了多次散射的贡献量。

H(x)可以表示为：

需要说明的是双向反射分布函数的概念是沿着方向出射的辐射亮度的增量/>与沿着/>方向入射到被测量表面上的辐照度的增量/>之比，如图3所示，用f_r表示：

同时由于图像的辐照亮度I(x,y)与物体的反射辐射亮度L_r呈正相关，有：

综合式2、6、7、17，再将式1的目标光度模型带入BRDF双向反射分布函数(式19)，得到图像的辐照亮度，即灰度值：

式中，ω为表面微粒的单次散射反照率；i为光源与法矢的夹角；e为观测方向与法矢的夹角；g为光线入射和出射方向的夹角；B(g)为后向散射函数相函数p(g)体现光线在天体表面散射时的角度分布；H(cosi)H(cose)-1项体现了混合散射对天体地表双向反射率的贡献量；E_i为被测量表面上的辐照度，与观测时刻光照条件相关。

本步骤最后，配置目标光度模型特性参数集，其中目标光度模型的常量参数ω、h_s、h_c、b、c初始设定可以根据不同目标类型选取，后续通过优化可以得到双向反射分布函数参数集，以准确描述目标在特定反射方向上的辐射亮度增量与入射方向辐射照度增量的比率。

(3)获取几何位姿数据

通过空间探测器历史数据中实时测得的观测位置信息与太阳光照角度信息，形成几何特性内核文件，文件中的数据包括：

S：航天器星历，即观察者的位置，作为时间的函数给出。

P：行星，卫星，彗星或天体星历，即目标物体的位置，作为时间的函数给出。航天器和目标体的星历数据通常组合在一个称为SPICESPK文件的文件中。P内核在逻辑上还包括目标物体的某些物理，动力和制图常数，例如尺寸和形状规格，旋转轴和本初子午线的方向。这些目标体物理和制图常数可在SPICEPCK文件中找到。

I：仪器描述内核，包含特定科学仪器特有的描述性和操作性数据，例如安装对准，相对于航天器时钟的内部定时，以及视场模型参数。此仪器信息包含在SPICEIK文件中。

C：指向内核，包含传统上称为C矩阵的变换，为安装科学仪器的航天器结构提供时间标记的指向(方向)角度。姿态数据包含在SPICECK文件中。

E：电子事件内核，总结任务活动、计划和未预期。事件数据包含在SPICE-EK文件集中。

(4)在获取目标仿真图像前，需要明确图像的归一化光谱响应转化为灰度响应方法。由于不同观测仪器对波长的响应不同，结合实际仪器镜头成像规律进行归一化光谱响应与灰度响应转化，设置响应转化仿真输入，具体包括光谱辐照度流量抵达观测仪器时的分布函数、光学成像仪器的归一化光谱响应和定标常数。

计算可得到仪器响应的流量谱。

式中：M_c是光谱响应，f(λ)是光谱辐照度流量抵达观测仪器时的分布函数，T(λ)QE(λ)是光学成像仪器的归一化光谱响应，C₁是定标常数，积分的上下限参数根据敏感器谱段设置，如使用可见光波段λ∈(510nm,600nm)。

通过相机波长与光谱流量f(λ)的离散数据拟合出流量函数f(λ)与光谱响应函数T(λ)QE(λ)，计算得到积分结果记为M_i。但仅采用这种的积分算法进行求解，耗时5165.62秒，周期过长。由此，提出了一种计算图像归一化光谱响应转化为灰度响应的近似计算方法，将积分过程转化为求和，计算得到求和结果记为M_s。

进一步在仿真环节，本发明利用式22的规律，将归一化光谱响应转化为灰度响应的计算在实际解算过程进行了简化，改进后的求和算法仅需3.48秒即可完成解算，效率大幅提升。

(5)进行基于光线追迹的物理渲染仿真

在仿真过程中，通过解算出天体位置数据、相机位姿数据以及太阳位置数据，调用各模块实现加载、转换和返回SPICE数据的功能，因此能够提供观测时刻天体、探测器和太阳准确的位置信息。

接下来，进行基于光线追迹的物理渲染仿真，本技术在其他领域，如游戏、影视行业为成熟应用技术，在此专门针对空间目标需求进行改进，基于Radiance和PBRT引擎，使用流程第一步得到的三维模型、第二步得到的目标光度模型的反射图方程、第三步得到的几何特性内核文件，联合归一化光谱响应转化为灰度的响应值，可获取携带位姿序列、光照角度、相机特性等参数的单目序列图像。

(6)在仿真渲染效果得到后，基于进一步闭环验证光度模型配置参数集的符合性，如通过地形投影配准，统计图像灰度值配准的平均均方根误差RMS，优化迭代至收敛到满足模型输出的精度指标，如RMS≤0.2，否则继续优化配置目标光度模型的常量(包含参数ω、h_s、h_c、b、c)，再重复流程(2)～(5)。

后续若图像还需要进一步应用处理，可以接入仿真数据集到飞行测控的数传驱动，并传输至导航控制系统进行后续三维模型重建与观测策略分析。

本发明能够预先进行目标在特定时刻与空间位置下的在轨实测图像仿真，尤其适用于光场环境中目标三维模型的重建，光变数据的反演，相对导航闭环分析环境的搭建，观测方案与导航策略的制定等应用需求。

以上所述实施例只是本发明较优选具体实施方式，本领域技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种空间光场环境中目标观测图像仿真方法，其特征在于，包括：

(1)基于辐射传输特性，计算光场环境中目标表面反射特性参数，得到目标光度模型，描述目标在反射方向上的辐射亮度增量与入射方向辐射照度增量的比率；将所述目标光度模型代入BRDF双向反射分布函数，得到图像的反射图方程；

(2)通过空间探测器历史数据中实时测得的目标观测位置信息与太阳光照角度信息，形成几何特性内核文件；

(3)进行图像的归一化光谱响应与灰度响应转化，得到观测仪器响应转化的流量谱；

(4)根据几何特性内核文件，获取在观测时刻目标、空间探测器、太阳的位置信息，结合目标三维模型、反射图方程、流量谱，共同作为仿真输入，进行基于光线追迹的物理渲染仿真，得到携带位姿序列、光照角度、相机特性参数的单目序列图像；

(5)计算所述单目序列图像精度，若不满足设定阈值，则对目标光度模型进行优化，基于优化后的目标光度模型执行步骤(4)，直至满足设定阈值，得到满足精度要求的单目序列图像。

2.根据权利要求1所述的一种空间光场环境中目标观测图像仿真方法，其特征在于，建立目标光度模型，包括：

在目标表面上任一点上建立坐标系，法矢量指向为z，入射光投影方向作为x，令所述点处单位法矢量为N，偏角为倾角为θ；光源的偏角为/>倾角为θ_i，光源与法矢量的夹角为i；观测方向为P，观测方向与法矢量的夹角为e；

计算单个颗粒相函数、后向散射函数，得到目标光度模型为：

式中，f_r(i,e,g)为双向反射率；ω为常量参数，表示表面微粒的单次散射反照率；B(g)为后向散射函数；p(g)为相函数，表示光线在天体表面散射时的角度分布；H(cosi)H(cose)-1表示混合散射对目标的地表双向反射率的贡献量；g为光线入射和出射方向的夹角。

3.根据权利要求2所述的一种空间光场环境中目标观测图像仿真方法，其特征在于，计算单个颗粒相函数：

式中，b、c为常量参数。

4.根据权利要求2所述的一种空间光场环境中目标观测图像仿真方法，其特征在于，计算后向散射函数：

B(g)＝B_SH(g)×B_CH(g)

式中，B_SH(g)是由于阴影遮蔽而产生的反向效应，B_CH(g)是由于相干后向散射而产生的反向效应；

式中，B_S0是阴影遮蔽反向效应的幅度，h_s、h_c为常量参数，B_C0是阴影遮蔽反向效应的幅度。

5.根据权利要求2所述的一种空间光场环境中目标观测图像仿真方法，其特征在于，计算H(x)的方法为：

式中，x取值cosi或cose。

6.根据权利要求2至5任一项所述的一种空间光场环境中目标观测图像仿真方法，其特征在于，步骤(5)对目标光度模型进行优化，即为对目标光度模型中的各常量参数进行更改，得到优化后的目标光度模型。

7.根据权利要求1所述的一种空间光场环境中目标观测图像仿真方法，其特征在于，进行归一化光谱响应与灰度响应转化，得到观测仪器响应转化的流量谱，包括：

式中，M_c是流量谱；f(λ)是光谱辐照度流量抵达观测仪器时的分布函数，T(λ)QE(λ)是观测仪器的归一化光谱响应，均通过离散数据拟合得到；C₁是定标常数，λ₁、λ₂是使用波段的边界值。

8.根据权利要求1所述的一种空间光场环境中目标观测图像仿真方法，其特征在于，计算单目序列图像的精度的方法为：通过地形投影配准，统计图像灰度值配准的平均均方根误差RMS。

9.根据权利要求1所述的一种空间光场环境中目标观测图像仿真方法，其特征在于，几何特性内核文件内的数据包括航天器星历、目标物体的位置、仪器描述内核、指向内核、电子事件内核。

10.根据权利要求1所述的一种空间光场环境中目标观测图像仿真方法，其特征在于，通过空间探测器上的激光或立体视觉敏感器获取光场环境中目标三维模型。