WO2015079152A1 - Procede de simulation de propagation d'ondes; simulateur, programme d'ordinateur et support d'enregistrement pour la mise en œuvre du procede - Google Patents

Procede de simulation de propagation d'ondes; simulateur, programme d'ordinateur et support d'enregistrement pour la mise en œuvre du procede Download PDF

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WO2015079152A1
WO2015079152A1 PCT/FR2014/053013 FR2014053013W WO2015079152A1 WO 2015079152 A1 WO2015079152 A1 WO 2015079152A1 FR 2014053013 W FR2014053013 W FR 2014053013W WO 2015079152 A1 WO2015079152 A1 WO 2015079152A1
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WO
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ray
rays
emitted
propagation
primary
Prior art date
Application number
PCT/FR2014/053013
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English (en)
Inventor
Steve PECHBERTI
Dominique Gruyer
Original Assignee
Institut Francais Des Sciences Et Technologies Des Transports, De L'amenagement Et Des Reseaux
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Publication date
Application filed by Institut Francais Des Sciences Et Technologies Des Transports, De L'amenagement Et Des Reseaux filed Critical Institut Francais Des Sciences Et Technologies Des Transports, De L'amenagement Et Des Reseaux
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/93—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S13/931—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • Wave propagation simulation method simulation method; simulator, computer program and recording medium for the implementation of the method
  • the invention relates to a wave propagation simulation method, especially electromagnetic or acoustic.
  • a ray scattered by a surface reached by a ray, said incident ray, here means a ray emitted by the surface reached under the effect of the incident ray, having a direction of propagation passing through the receiving point, and having a power transported to the less a function of a relative orientation between the direction of propagation of the incident ray and the normal to the surface reached.
  • a scattered ray is (with the exception of exception) a ray that is emitted in a direction other than the direction of a specular ray (reflected ray by the surface by specular reflection of the incident ray).
  • the emission point from which the primary rays are emitted is almost always very close to the point of reception; consequently, it is impossible for a specular ray to be directed towards the point of reception.
  • the surface thus emits on the one hand a scattered ray, and on the other hand different re-emitted rays, having propagation directions not passing through the reception point (1). one of them being the specular ray).
  • the term 'radius calculation' here designates the attributes or parameters characteristic of this radius.
  • the "position" of a ray can be in particular any information defining the point of emission of this ray. It can be obtained through the attributes of the ray's point of emission.
  • the simulation method thus makes it possible to determine the different rays received by an observer placed at a given point with respect to the scene, said receiving point.
  • the method uses the technique of "ray tracing": the emitted wave is considered to be the meeting of a set of emitted rays, here called “primary rays”.
  • step d radii scattered by the surfaces of the objects present in the scene are calculated.
  • step d) makes it possible to simulate the radiation perceived in return by the observer placed at the reception point by taking into account the geometry of the objects present in the scene, this geometry being taken into account by the fact that for each ray
  • the power carried by the ray depends on the angle of incidence of the primary ray on the affected surface.
  • the radiation perceived back to the point of reception is then the superposition or the sum of the rays diffused by the different surfaces of the objects of the scene in the direction of this point.
  • the objects present in the scene are recorded as a set of plane surfaces: the normal to the surface of the object reached by the incident ray is then simply the normal of the plane surface reached by the incident ray.
  • the flat areas may be plane facets, in particular triangular.
  • non-planar surfaces for example defined by B-splines, Bezier curves, etc.
  • Modeling of the rays; ray / surface interaction The quality of the simulation carried out also depends on the model chosen for the interaction between the incident ray and the surface reached by it.
  • the predetermined model of interaction between an incident ray and a surface of an object defines the properties of the ray (s) possibly emitted by the surface, as a function of the properties on the one hand of the incident ray reaching the surface, and on the other hand from the surface.
  • the ray or rays emitted by the surface are (exclusively) either scattered rays as defined above, or rays called "re-emitted" rays.
  • the calculation of the emitted rays includes the calculation of various parameters. These parameters may notably include, for the emitted ray: its direction of propagation; its point of emission (this is the point of the surface reached by the incident ray); the energy or power carried by the emitted ray; the polarization of the emitted ray; the phase of the signal carried by the emitted ray; the distance traveled by the ray, since the emission of the original primary ray; the frequency of the signal carried by the ray emitted.
  • They may also include, optionally, transverse shape characteristics of the radius, that is to say characteristics of the shape of a section of the radius in a plane transverse to its direction of propagation.
  • each of the parameters of the radius may vary as a function, on the one hand, of the path between the point of emission of the incident ray, and the point reached on the surface reached (in particular possibly as a function of parameters of the atmosphere between these two points) ; and secondly depending on properties of the surface reached by the incident beam.
  • the energy or power carried by a scattered or re-transmitted ray may be at least a function of a relative orientation between the incident ray and the normal to the surface reached by it.
  • the properties of a diffused or re-emitted ray may also depend on the angle between the direction of propagation of this ray and the normal (or perpendicular) direction to the surface of this ray.
  • the properties of the scattered or re-emitted rays may depend not only on the relative positions or orientations of the incident ray with respect to the affected surface of the object, but also on the properties of the object itself.
  • a physical property of a material constituting a surface of an object of the scene is used to calculate the scattered rays.
  • the property considered here may be a coefficient of reflection or transmission of the material of the affected surface of the object.
  • the property of the surface may in particular be defined by reflection coefficients, transmission, diffusion, the incident ray, or by the electrical and magnetic permeabilities of the material considered, which may be simple real numbers.
  • the property of the surface can also be defined much more complex, being for example a function of the bidirectional reflectance distribution function, or BDRF (of the English "bidirectional reflectance distribution function"), the material of the surface considered .
  • step d) the power or energy transported by the scattered ray (s) is calculated.
  • the integral equation of the electric field from the English: Electric field integral equation (EFIE)
  • EFIE Electric field integral equation
  • Steps a), b) and d) of the simulation method described above make it possible to efficiently simulate the propagation of rays in a three-dimensional scene.
  • the simulation process can be made even more realistic by taking into account the multiple reflections of rays striking the scene.
  • the simulation method further comprises a complementary step c) during which:
  • At least one re-emitted ray (ray emitted by a surface of the scene, other than a scattered ray) is emitted after the interaction of said incident ray with said affected surface:
  • the point reached on the affected surface is determined; and, . at least one radius re-emitted from the affected area is calculated;
  • step d) the scattered rays emitted by the surfaces of the object (s) of the scene reached by a re-emitted ray are further calculated.
  • the method may include one or more iterations in step c).
  • the scattered rays it is possible to use a property, in particular a physical property of a material constituting a surface of an object of the scene to calculate the re-emitted rays.
  • the re-emitted rays as defined in step c) may correspond to a transmitted wave or to a wave reflected by the object whose surface is reached by the incident ray.
  • Other types of re-emitted rays can be considered, depending on the nature of the waves whose propagation is simulated.
  • the determination of the point reached on the surface reached can consist in determining a point, defined by three-dimensional coordinates, or by two-dimensional coordinates on the surface reached. But this can also consist in a broader way in determining the area reached, or part of the area reached, since this operation is sufficiently precise to allow the calculation of the characteristics of the rays emitted as a result of the interaction of the incident ray with the element reached (point, surface portion, or area reached).
  • the technique of 'ray tracing' is implemented in a much more realistic way than in the previous modes of implementation, in which the interaction between an object and an incident ray was modeled in a very simplified way by means of SER.
  • step c the calculation of the re-emitted radii makes it possible to obtain a much more accurate representation of the propagation of the waves.
  • the re-emitted rays are generally calculated taking into account the geometry of the object or objects present in the scene.
  • one or more properties of the re-emitted rays may be a function of the normal of the surface reached.
  • the normal of the reached surface of the object is naturally calculated at the point of the surface reached by the incident ray.
  • the model of interaction between the incident ray and the surface can be based on the equations of the physical optics.
  • the power transported by a re-emitted ray is calculated by the Snell-Descartes law.
  • the propagation direction of at least one transmitted ray - and in general of each of the re-transmitted radii - depends solely on the direction of propagation of the incident ray and the normal of the surface reached.
  • step c) As a result of step c), and in the case where the rays are of electromagnetic nature, for each incident ray, only zero or a ray reflected by the surface (specular reflection) and possibly a ray transmitted inside are calculated. from the surface, if the surface is transparent. Then in step d), the radius scattered by the surface under the effect of the incident ray is calculated if necessary.
  • the process according to the invention is advantageously a process of substantially constant complexity; that is, the number of radii generally is relatively constant throughout the iterations.
  • the incident rays which do not meet any surface do not give rise to any emitted ray; conversely, transparent surfaces (which generally form only a very small proportion of surfaces) can give rise to two re-emitted rays for an incident ray.
  • a relative velocity of the area reached by the incident ray is taken into account, relative to the reception point (Il s is a relative speed because the receiving point can possibly itself be driven by a clean speed).
  • step c) and / or step d) is performed on a (single) graphics card (CGU), and the calculations made for each of the rays are made in parallel.
  • CGU single graphics card
  • This embodiment therefore makes it possible to carry out the calculations of step c) and / or d) in a particularly rapid manner.
  • the method can be implemented in real time or semi-real time.
  • the scene data is preferably constituted mainly by at least one multidimensional matrix, or by a set of three-dimensional individual data.
  • the geometry of objects is not saved as three-dimensional coordinates.
  • the position of the objects is recorded as the coordinates (line number and column number) of a datum in a matrix, as well as in the form of a depth value usually named ⁇ '.
  • the geometry is stored in one or more matrices usually called "Z-buffer". This or these matrices containing the geometry information of the objects of the scene are part of the scene data, recorded in a multi-dimensional matrix, also called 'G-buffer' (buffer or graphic buffer).
  • multi-dimensional matrix is meant here a set of matrices having the same number of rows and columns.
  • a multi-dimensional matrix makes it possible to store, for the same position (i, j) in the multi-dimensional matrix, not only a scalar information (such as a depth information in Y), but any number of information about the element referenced at the location (i, j).
  • the geometry is recorded as three-dimensional data.
  • the scene data mainly comprise entities that contain the three-dimensional coordinates of the different surfaces of the objects contained in the scene. They may furthermore comprise other data, recorded for example in multi-dimensional matrices, in particular the different coefficients characterizing the surfaces of the objects of the scene.
  • the (primary, and / or broadcast, and / or re-transmitted) rays can be as well.
  • the primary rays, the re-emitted rays, and / or the scattered rays are recorded in a multidimensional matrix.
  • the propagation direction of the re-emitted rays is calculated using scene data and ray characteristics. incidents, without involving other data representing the geometry of the scene.
  • step c) and / or d) can be programmed on a multiprocessor graphics card by means of "shaders".
  • a shader is a program, written in a language - either assembler or a higher level language - directly executable by a Graphics Processing Unit ("GPU") and replaces parts of the execution pipeline usual. It is possible in particular to use shaders programmed in GLSL ("openGL Shading Language").
  • shadeers imperatively requires the recording or modeling of data or information in the form of multidimensional matrices, which then makes it possible to treat them with “shaders” in a massively parallel manner, in a space called “image space”.
  • This programming mode is therefore particularly adapted to the case where the scene and / or the rays (primary, re-transmitted, and / or scattered) are represented by multidimensional matrices (that is to say by a G-buffer such than previously presented).
  • the calculations required in step c) and / or d) can be programmed on a multiprocessor graphics card using a multiprocessor graphics card programming language allowing direct access to instructions and memory.
  • a multiprocessor graphics card programming language allowing direct access to instructions and memory.
  • different parallel computing processors of the graphics card such as the programming language Cuda (registered trademark).
  • This programming mode can in particular be chosen when the scene is represented - in the form of three-dimensional data.
  • a particularly important application of the wave propagation simulation method according to the invention is the simulation of sensors.
  • the invention thus also relates to a method of sensor simulation, in particular of a sensor for a motor vehicle, the sensor being provided for transmitting waves and for producing an output signal as a function of waves received in return following said transmission. wave, the method comprising the following steps:
  • the sensor simulation is done first by simulating the emission of waves by the sensor, then their propagation (step i). During the wave propagation simulation at this step i), the propagation of the waves is simulated so as to calculate the scattered rays that will be received by the sensor placed at the reception point.
  • the output signal of the sensor is then calculated as a function of the characteristics of the sensor. This calculation can be done in different ways.
  • the output signal of the sensor is determined in step ii) by performing the following two steps e) and f):
  • step e2 calculating a signal received at the reception point by adding the respective signals calculated in step e2).
  • the output signal of the sensor is then determined according to the signals of the different scattered rays returned by the scene and received by the sensor at the reception point.
  • step e) comprises the following two substeps:
  • a subset of scattered rays is selected according to a predetermined criterion, in particular a criterion taking into account the transported power of the scattered rays, and / or at least one characteristic of neighboring rays such as a total distance traveled and / or a phase of the transported signal;
  • the respective signals of the selected scattered rays are calculated only for the selected subset of scattered rays.
  • step e the selection of the subset of scattered rays is made by sorting the scattered rays in order of power or energy transported.
  • the respective signals of the different scattered rays may possibly be calculated for all the scattered rays.
  • the addition of the respective signals of the different scattered rays takes into account the respective characteristics of the scattered rays so as to produce a cumulative signal representative of reality. Different parameters can be taken into account to increase the quality of the simulation.
  • a distance traveled by the ray from the emission point of the primary ray that generated the re-emitted ray considered is determined.
  • step f) calculates for each selected scattered ray the power of the signal received by the sensor, taking into account the total distance actually traveled by the scattered ray, and consequently the power loss (expressed by example in dB) which follows.
  • the quality of the simulation can be further improved by adding noise to the respective signals of the different selected scattered rays, and / or to the received signal thus calculated.
  • the quality of the simulation can also be improved by taking into precise account the operation of the sensor wave antenna (The term 'antenna' is used here to designate any wave transmission system that includes the sensor).
  • step b) an emission diagram is provided indicating energy losses as a function of the direction of propagation; and the power carried by the primary rays is calculated according to the emission diagram.
  • the emission diagram thus makes it possible to realistically take into account the actual transmission properties of the sensor antenna.
  • the invention also relates to a method for simulating a motor vehicle comprising at least one sensor, in which propagation of waves transmitted and / or received by the sensor is simulated by implementing a wave propagation simulation method. as defined above, in particular a method in which the sensor is simulated by the sensor simulation method as defined above.
  • the invention also relates to a computer program comprising instructions for executing the steps of one of the simulation methods defined above.
  • the invention also relates to a computer-readable recording medium on which is recorded a computer program comprising instructions for executing the steps of one of the simulation methods defined above.
  • the invention also relates to a wave propagation simulator, comprising: a) a memory, capable of storing scene data representing a three-dimensional scene comprising at least one object having a plurality of surfaces, each of said surfaces having a normal;
  • primary calculation means capable of calculating a plurality of primary rays emitted in respective propagation directions; each of said primary rays being defined at least by a transported power, a position, and a direction of propagation;
  • scattered ray calculation means able to calculate as a function of a reception point of the primary scattered rays, each of said primary scattered rays being emitted by a surface of said at least one object of the scene reached by a primary ray;
  • a ray diffused by a surface reached by a ray said incident ray, being a ray reflected by the surface reached under the effect of the incident beam, having a direction of propagation passing through the receiving point, and having a transported power of at least function of a relative orientation between the incident ray and the surface normal reached.
  • this simulator further comprises:
  • c) means for calculating re-transmitted radii adapted, in particular iteratively, to each iteration and for each incident ray considered:
  • said re-transmitted ray calculating means being arranged to take into consideration as incident rays:
  • the means for calculating scattered rays are able, in step d), to calculate scattered rays emitted by the surfaces of said at least one object of the scene reached by a re-transmitted ray.
  • FIG. 1 is a schematic view of a road on which three vehicles evolve
  • FIG. 2 is a schematic view showing a data structure making it possible to record the geometry of a scene
  • FIG. 3 is a schematic view showing the interaction of an incident ray with a surface of an object
  • FIG. 4 is a schematic view from above showing the propagation of primary rays projected by the radar in the scene of FIG. 1;
  • FIG. 5 is a diagrammatic view from above showing the propagation of re-emitted rays emitted by the vehicles present in the scene of FIG. 1 after reception of the primary rays;
  • FIG. 6 is a schematic view from above showing propagation of rays scattered by the vehicles present in the scene of FIG. 1 after reception of the primary rays;
  • FIG. 7 is a schematic view of a signal carried by a radar beam
  • FIG. 8 is a schematic view of a signal received by the radar.
  • FIG. 9 is a schematic representation of the wave propagation simulation method according to the invention.
  • the wave propagation method is a method for propagating electromagnetic waves, used to simulate the operation of an on-board radar on a motor vehicle, for example a car.
  • Such a radar is typically implemented in a scene such as that shown in FIG.
  • This figure shows three cars A, B, C traveling on a road 10.
  • the car C is equipped with a radar 12. It emits from a point P
  • the part of this radiation that is exploited is that which propagates in the solid angle S represented in FIG. 1.
  • This solid angle S divides itself into a matrix of elementary solid angles Sy where i denotes the line and varies from 1 to n, and j denotes the column and ranges from 1 to p.
  • the part of the space included in the solid angle S, and limited on the front side of the car C by a plane L situated at a predetermined distance from the car C (in practice, at about 200 meters from it) constitutes a scene 14.
  • the function of the radar 12 is to detect obstacles within this scene.
  • This figure presents the radar simulation as a peripheral process of a main process that is the simulated operation of a motor vehicle.
  • the circulation of the car C on the road 10 indeed is simulated by a simulator of a motor vehicle 100.
  • This simulator 100 comprises a central computer 102 which executes a computer program 104 of vehicle simulation, called 'simulation engine'.
  • This program 104 simulates the circulation of a vehicle, and in this particular case, the circulation or the movement of the car C.
  • the program 104 simulates the acquisition of the various information acquired by the sensors of the car C. It therefore simulates the acquisition of the information provided by the radar 12.
  • This last simulation is performed by a radar computer 110.
  • This comprises a central unit 112 with a main processor and a storage memory, as well as a graphics card 114.
  • the program 104 operates iteratively, with a real-time or semi-real-time processing loop simulating the evolution of the circulation at regular intervals, for example 40 ms (in real time).
  • Each loop processing, the program 104 transmits radar calculator 110 the geometric description CG 'r Fig.9) of the scene that is in front of the radar 12 at the instant concerned. This description includes the relative velocities relative to the radar 12 of the different objects present in the scene.
  • the graphics card executes the program 114 so as to perform the following treatments:
  • the program 114 On receiving the data relating to the scene 14, the program 114 constitutes scene data representing the scene placed in front of the radar 12; b) the program 114 then performs a 'ray firing', and thus calculates the characteristics of the different primary rays that are emitted by the radar; c) iteratively, the program 114 simulates the propagation of incident rays in the scene 14. These incident rays are:
  • the program 114 determines whether the incident ray, by propagation in a straight line, reaches a surface of an object of the scene.
  • the program 114 determines whether one or more rays are re-emitted after the interaction of the incident ray considered with the area reached.
  • the emission of one or more rays after this interaction, and the characteristics of the re-emitted rays, are determined according to the interaction model between an incident ray and a surface of an object, which is chosen in advance. .
  • the program 114 determines, on the one hand, the point reached on the surface reached; and, on the other hand, the characteristics of the rays or rays emitted from the surface reached under the effect of the incident ray considered. d) the program 114 calculates the rays diffused by the different surfaces present in the scene 14 towards the point of reception, that is to say here towards the radar 12; el) the program 114 selects a subset of scattered rays according to a predetermined criterion taking into account the power or energy transported of the scattered rays; it then transmits this information to the central unit 112 of the computer 110. In the central unit is recorded a processing program also denoted 112.
  • the program 112 carries out the following processes: e2) the program 112 calculates signals respectively for each of the scattered rays selected in step e1). f) the program 112 calculates a signal received by the radar by adding the respective signals calculated in step e2). It then calculates the output signal Sr of the radar according to the signal received by the radar. a) Scene data
  • scene data representing scene 14 is first used or created.
  • These data comprise at least a set of geometric data including in principle any object present in the scene, provided that it has a size sufficient to be detectable in an elementary solid angle Sg.
  • the scene data thus comprise, for its various surfaces that can be illuminated by a ray emitted by the radar, a simplified description of the surface, including in particular the coordinates of the vector normal to the surface.
  • the scene data also preferably include different coefficients or parameters characterizing the surface (or the material constituting the surface) and used for calculating the re-emitted rays following the interaction of an incident ray with the surface.
  • coefficients can be in particular coefficients characterizing the properties of the surface relating to the reflection, the transmission and the scattering of incident rays.
  • coefficients can be for example refractive indices, a thickness, a roughness ...
  • the scene data may include, for each surface, an indication of the instantaneous speed of the surface relative to the radar.
  • coefficients are recorded characterizing the response of the material when a surface constituted by this material receives an incident ray, this incident ray having the frequency and the form of wave produced by the radar whose operation is simulated.
  • the scene data is stored in the memory of the graphics card 114.
  • a multidimensional matrix M (FIG. 2), also called in infographic “G-buffer” or “Graphics-buffer”.
  • the matrix M has the same number of rows and columns as the matrix of elementary solid angles; but it consists of a number (q) of individual matrices, denoted Mi, M 2 , ... q . So, the localization of each surface of an object of the scene is recorded only on the one hand, via the components (i, j) of the matrix element in which the surface is recorded, and on the other hand by a depth information ⁇ , which is stored in the matrix M, for example in the matrix Mi. This is therefore a Z-buffer.
  • the following matrices M 2 , M 3 , ... M u serve to record the other properties of the surface (these properties are recorded in this example by u-1 real numbers). These other properties may consist of the indication of the material constituting the surface, the properties of this material being recorded elsewhere.
  • the scene comprises several successive surfaces at increasing distances from the point P, these different surfaces are recorded in the matrix M, in individual matrices M k , where k begins, for example, at the value u + 1. .
  • the scene data can be recorded as a three-dimensional scene comprising objects themselves composed of a set of facets, in particular triangular facets, surface properties being associated with the facets in particular in the form of textures, by means of coordinates. texture in a manner known per se. b Calculation of primary rays
  • the simulation of the operation of the radar first requires calculating the rays emitted by the radar from the point of emission P (primary rays).
  • a primary radius P u is calculated for each elementary solid angle S B.
  • the primary rays are thus recorded in a multidimensional matrix similar to the matrix M described above.
  • Figure 4 schematically shows the primary rays Pg emitted on a horizontal line of solid angles S i ⁇ .
  • the gain value is not the same for all primary rays. Indeed, for each primary beam, the gain is provided by the emission diagram of the radar transmitting antenna 12. This antenna diagram indicates, as a function of the elementary solid angle Sg, the energy or the effective power - and thus the gain - of the radius that the radar emits in the elementary solid angle. It is therefore this value that is recorded as initial gain for each primary ray. In practice, the gain of the primary rays is high in the center of the beam emitted by the radar, and lower on the sides. c) Radiation propagation
  • Ray propagation is based on a model of interaction with the known surface (Fig.3).
  • Fig.3 a model of interaction with the known surface
  • Fig.3 As a function of parameters of reflection, transmission and diffusion of the surface, when an incident ray R, strikes a surface at a point E, it can be absorbed without emission of any radiation; it can give rise to a reflected ray Rr; it can give birth to a transmitted ray Rt.
  • radiation can be scattered from the point E in the receiving direction (which may be the direction of emission of the primary rays); there is then projection of a scattered ray Rd in the direction of the point P.
  • the incident ray behaves like a monochromatic plane wave, even if the signal carried by the incident ray (for example, in FMCW modulated radars, FSK, pulse, ...) is actually the superimposition of several monochromatic waves.
  • FIG. 4 An example of an interaction of the primary rays with the objects of the scene is illustrated in Figures 4 to 6.
  • the primary rays strike the vehicle A in three basic solid angles and the vehicle B also in three basic solid angles (bold arrows , Fig.4).
  • step c the interaction of the different primary rays Pg with the surfaces of the objects present in the scene is evaluated.
  • the surfaces reached are opaque surfaces located at the rear of the vehicle; no ray is transmitted through the surface. On the other hand, these surfaces give rise to three reflected rays re-emitted R rA .
  • the surfaces reached are the transparent surfaces of the front windshield of the vehicle. These surfaces give rise at first to three reflected rays re-emitted R rB . Being transparent, they also give rise to three transmitted rays re-emitted R tB .
  • the direction of propagation is calculated according to the interaction model with the surface considered, as a function of the direction of the incident ray and the normal direction of the surface at the point struck by the incident ray;
  • the point of emission of the re-emitted ray is the point of the surface struck by the incident ray
  • the gain and the polarization of the re-emitted ray are calculated according to the interaction model with the surface considered, as a function of the characteristics of the surface, and possibly as a function of the direction of the incident ray and the normal direction of the surface at the point struck by the incident ray;
  • the phase of the signal carried by the re-emitted ray, and the distance traveled by the ray from the emission of the original primary ray, are calculated according to the position of the struck point on the surface, with respect to the radar, and optionally depending on properties of the surface;
  • the frequency of the signal carried by the re-emitted ray is calculated as a function of the relative velocity of the surface relative to the radar.
  • An important parameter is the gain of the re-emitted ray, which corresponds to the power of the signal carried by the ray.
  • the program 114 calculates the gain of the re-emitted rays using the equation of the physical optics:
  • the power transported by a re-emitted ray is calculated by the Snell-Descartes law.
  • step c) after the first interaction of each of the primary rays with the surfaces of the objects of the scene 14 has been evaluated, the program 114 can perform one or more iterations so as to calculate one or more subsequent interactions between the rays. re-emitted and the surfaces of the objects of the scene.
  • step d) the program 114 is set to go to step d) as soon as the second iteration of step c) has been performed, that is to say as soon as all the primary rays have reached the surfaces they can reach by propagation in a straight line from point P.
  • the program 114 can be set to go to step d) either after a fixed number of iterations or when another criterion has been reached.
  • step c) may not be performed.
  • Program 114 goes directly from step b) to step d).
  • the calculations are performed in a massively parallel manner on the graphics card 114.
  • the number of primary rays is chosen so as to generate a number of rays that can be processed by the graphics card at the desired processing frequency. d) Calculation of scattered rays
  • step d) the program 114 calculates the rays diffused by the different surfaces present in the scene 14 towards the radar 12.
  • This calculation is done for each of the surfaces of the scene 14.
  • the same surface may possibly give rise to several transmitted rays (scattered or re-transmitted) if it is reached by several incident rays, in particular during several iterations carried out at the stage c) propagation.
  • step c) is stopped at the end of the first iteration.
  • the program 114 thus calculates six scattered rays: Three rays R dA diffused by the rear wall of the car A, and three rays Rd B diffused by the wall front or side wall of the car B.
  • the program 114 does not calculate radius R dB for the other surfaces of the car B, because at the end of the first iteration (Fig.5), only the front wall and a wall Lateral car B were affected by incident rays (Since this is the first iteration, the incident rays are the primary rays ⁇ ⁇ ).
  • the program 114 calculates the scattered ray (s) (if any) emitted by the surface, taking into account all the incident rays having reached the surface considered at course of the different iterations of step c).
  • the scattered rays have substantially the same parameters as the primary rays. el) Sorting and selection of diffused rays
  • step e1) the program 114 selects a subset of scattered rays according to a predetermined criterion taking into account the power carried by the scattered rays.
  • This criterion is based more precisely on the power returned to the antenna, which is a function of the power carried by the scattered rays.
  • the power returned to the antenna by a scattered ray is calculated on the basis of characteristics of the radar receiving antenna 12, in particular the dimensions or the surface thereof. It is possibly calculated according to the gain of the antenna, this gain being able to depend on the direction of origin of the diffused ray.
  • this power is calculated on the basis of the integral equation of the electric field, by integrating the flux of the Poynting vector of the scattered ray through the surface of the antenna.
  • This selection work makes it possible to reduce the amount of data to be transmitted to the central unit 112 of the radar calculator 110, and this substantially without any loss of performance for the simulation, insofar as the scattered rays eliminated are rays whose contribution to the radar signal is very small and negligible.
  • the scattered rays are selected as follows:
  • Radiation groups are first formed with similarities in position, total distance traveled by the beam, phase shift, and / or frequency. Such a grouping of the rays can be achieved by partitioning algorithms (in English "clustering") directly on the graphics card and in parallel manner, by the program 114.
  • Each group of scattered rays is then characterized by the characteristic statistical values of the group: average and variance of the total distance traveled, mean and variance of the phase shift, mean and variance of the reception direction, total power.
  • the groups of rays of greater importance are selected.
  • the isolated rays, or small groups are assimilated to radar noise (English: clutter) and thus eliminated.
  • N is an integer
  • the information corresponding to the groups of selected rays can then be transmitted to the program 112 of the radar calculator 110 in a synthetic manner, by transmitting only aggregated values corresponding to the groups of selected rays. e2) Calculations of scattered ray signals
  • the data relating to the scattered rays thus selected are then transmitted to the central unit 112 of the radar calculator 110.
  • step e2 On receipt of this information (step e2)), the program 112 calculates a signal S d for each of the selected scattered rays. This signal is calculated on the basis of the signal initially emitted by the radar, as represented by FIG.
  • the respective signals S d thus generated for the various selected scattered rays are calculated by assuming that the primary rays are emitted during the same period of time between instants O and T.
  • the duration T is chosen so as to be large by compared to phase differences induced by differences in distance of flight between the different rays (the scales in Figures 7 and 8 are not representative).
  • FIG. 7 represents a sinusoidal signal at a constant frequency
  • the method can be used with any type of radar signal, in particular signals of variable frequencies, continuously or in steps for example (FSK, FMCW, etc.) .
  • the individual signals corresponding to each of the scattered rays have a shape close to the initial radar signal, for example in the present case, a sinusoidal shape.
  • step f) the program 112 calculates the signal S r received by the radar by adding the respective signals S d of the different selected scattered rays calculated in step e2).
  • This calculation takes into account reception parameters specific to the radar itself, that is to say receiving antenna parameters.
  • the program 112 On the basis of the signal S r received by the radar, the program 112 then calculates the output signal of the radar S s .
  • the output signal of the radar S s thus obtained is then transmitted to the vehicle motion simulation program 104 (FIG. 9).
  • This signal S s can then be the subject of further processing, then be merged with other information acquired by other sensors of the vehicle to feed, for example, a program automatically determining the commands to be applied to the vehicle for steering or the conduct of it.
  • the invention can be implemented with a plurality of ray sources. It can also be implemented by evaluating the scattered rays (step d)) not for a single receiving position, but for several receiving positions.
  • the graphics card 114 constitutes both the primary calculation means, the means for calculating scattered rays, and the re-transmitted ray calculation means, in the sense of the invention.

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Abstract

Procédé de simulation de propagation d'ondes dans lequel : a) on fournit des données représentant une scène tridimensionnelle (14); b) on calcule des rayons primaires (Pij) émis dans différentes directions de propagation; d) en fonction d'un point de réception (P), on calcule des rayons diffusés primaires (RdA,RdB), émis par les surfaces des objets présents dans la scène atteints par un rayon primaire. La puissance transportée par les rayons diffusés (Rd) est calculée en fonction de l'orientation relative entre le rayon primaire incident qui atteint la surface de l'objet considéré et la normale à cette surface. Simulateur, programme d'ordinateur et support d'enregistrement pour la mise en œuvre du procédé.

Description

Procédé de simulation de propagation d'ondes ; simulateur, programme d'ordinateur et support d'enregistrement pour la mise en œuvre du procédé
L'invention concerne un procédé de simulation de propagation d'ondes, notamment électromagnétiques ou encore acoustiques.
Il est de plus en plus nécessaire de recourir à la simulation, que ce soit pour le développement de nouveaux produits, ou encore pour la qualification ou l'homologation de ceux-ci. En effet dans le cas où un produit interagit avec des ondes, il peut être nécessaire de simuler la propagation de ces ondes et leur interaction avec le produit. Les ondes peuvent dans certains cas être produites par le produit lui-même : c'est le cas par exemple pour des capteurs à ultrasons, des radars ou des lidars.
Ce cas survient donc notamment lors du développement de radars ou lidars embarqués à bord de véhicules. De tels capteurs sont de plus en plus souvent prévus à bord de véhicules pour assurer la détection d'obstacles et ainsi contribuer à la réalisation de fonctions de sécurité active, d'assistance à la conduite voire de conduite automatique.
Etat de l'art
Pour ce qui est de la simulation de radars, les procédés de simulation existants sont fondés habituellement, pour les applications temps réel ou semi temps-réel, sur le lancer d'un petit nombre de rayons, dans un nombre de directions limité et un angle solide restreint, les objets présents dans la scène étant pris en compte de manière simplifiée sous la forme de leurs Surfaces Equivalentes Radar (SER).
Par ailleurs, des modèles statistiques issus de campagne de test sont parfois également utilisés pour la simulation de radars.
Or, si l'utilisation de tables de SER est souvent acceptable pour les radars aériens, pour lesquels le nombre d'objets à modéliser est très restreint, inversement cette méthode est inapplicable pour des radars embarqués à bord de véhicules terrestres, dont l'environnement proche comporte une très grande variété d'objets possibles, et de surcroit mobiles les uns par rapport aux autres.
En effet dans de tels environnements, la simulation de propagation d'ondes radar sur la base de tables de SER, s'avère en pratique insuffisante, car elle ne permet de gérer que de manière relativement grossière le masquage des éléments et le déphasage induit par les rebonds multiples avant que l'onde ne revienne à l'antenne. Le procédé ne permet donc pas de simuler les ondes reçues en retour de manière suffisamment proche de la réalité.
Présentation de l'invention
Par suite, il existe un besoin d'un procédé de simulation de propagation d'ondes, notamment d'ondes électromagnétiques (en particulier, d'ondes hors du spectre visible, et/ou d'ondes non cohérentes) ou acoustiques, qui soit susceptible de fournir une représentation de la propagation d'ondes simulées de manière plus réaliste que les simulations réalisées en utilisant des SER.
Cet objectif est obtenu grâce au fait que le procédé comporte les étapes suivantes :
a) on fournit des données de scène représentant une scène tridimensionnelle comportant au moins un objet présentant une pluralité de surfaces, chacune desdites surfaces présentant une normale ;
b) on calcule à l'aide d'un ordinateur une pluralité de rayons primaires émis dans des directions de propagation respectives ; chacun desdits rayons primaires étant défini au moins par une puissance transportée, une position, et une direction de propagation ;
d) en fonction d'un point de réception, on calcule à l'aide d'un ordinateur des rayons diffusés primaires, chacun desdits rayons diffusés primaires étant émis par une surface dudit au moins un objet de la scène atteinte par un rayon primaire.
Un rayon diffusé par une surface atteinte par un rayon, dit rayon incident, désigne ici un rayon émis par la surface atteinte sous l'effet du rayon incident, ayant une direction de propagation passant par le point de réception, et ayant une puissance transportée au moins fonction d'une orientation relative entre la direction de propagation du rayon incident et la normale à la surface atteinte.
Comme la direction de propagation d'un rayon diffusé, par définition, passe par le point de réception, un rayon diffusé est donc (sauf exception) un rayon qui est émis dans une direction autre que la direction d'un rayon spéculaire (rayon réfléchi par la surface par réflexion spéculaire du rayon incident). Notamment, le point d'émission depuis lequel sont émis les rayons primaires est quasiment toujours très proche du point de réception ; par suite, il est impossible qu'un rayon spéculaire soit dirigé vers le point de réception.
Aussi en général, sous l'effet du rayon incident, la surface émet donc d'une part un rayon diffusé, et d'autre part différents rayons ré-émis, ayant des directions de propagation ne passant pas par le point de réception (l'un d'entre eux étant le rayon spéculaire). Le terme 'calcul d'un rayon' désigne ici le calcul des attributs ou paramètres caractéristiques de ce rayon.
La « position » d'un rayon peut être notamment toute information définissant le point d'émission de ce rayon. Elle peut être obtenue par l'intermédiaire des attributs du point d'émission du rayon.
Le procédé de simulation permet donc de déterminer les différents rayons reçus par un observateur placé en un point donné par rapport à la scène, dit point de réception.
De manière connue en soi, le procédé fait appel à la technique du « lancer de rayons » : l'onde émise est considérée comme étant la réunion d'un ensemble de rayons émis, appelés ici « rayons primaires ».
Une caractéristique importante du procédé est le fait que lors de l'étape d), on calcule des rayons diffusés par les surfaces des objets présents dans la scène.
Pour ces rayons, la puissance transportée est au moins fonction de l'orientation relative entre la direction de propagation du rayon incident et la normale à la surface atteinte (Cette orientation relative est appelée par la suite « angle d'incidence » du rayon sur la surface atteinte). Ainsi, l'étape d) permet de simuler le rayonnement perçu en retour par l'observateur placé au point de réception en prenant en compte la géométrie des objets présents dans la scène, cette géométrie étant prise en compte par le fait que pour chaque rayon diffusé, la puissance transportée par le rayon diffusé dépend de l'angle d'incidence du rayon primaire sur la surface atteinte.
Le rayonnement perçu en retour au point de réception est alors la superposition ou la somme des rayons diffusés par les différentes surfaces des objets de la scène en direction de ce point.
Modélisation des objets
En général, les objets présents dans la scène sont enregistrés sous forme d'un ensemble de surfaces planes : la normale à la surface de l'objet atteinte par le rayon incident est alors simplement la normale de la surface plane atteinte par le rayon incident. Les zones planes peuvent être des facettes planes, notamment triangulaires.
D'autres types de modélisation de la géométrie des objets présents dans la scène peuvent notamment être envisagés, notamment par des surfaces non planes (par exemple définies par des B-splines, des courbes de Bézier, etc.).
Modélisation des rayons ; interaction rayons/surfaces La qualité de la simulation réalisée dépend en outre du modèle retenu pour l'interaction entre le rayon incident et la surface atteinte par celui-ci.
Le modèle prédéterminé d'interaction entre un rayon incident et une surface d'un objet définit les propriétés du ou des rayons éventuellement émis par la surface, en fonction des propriétés d'une part du rayon incident qui atteint la surface, et d'autre part de la surface.
Le ou les rayons émis par la surface sont (exclusivement) soit des rayons diffusés tels que définis précédemment, soit des rayons dits rayons « ré-émis ».
Le calcul du ou des rayons émis comporte le calcul de différents paramètres. Ces paramètres peuvent inclure notamment, pour le rayon émis : sa direction de propagation ; son point d'émission (c'est le point de la surface atteint par le rayon incident) ; l'énergie ou la puissance transportée par le rayon émis ; la polarisation du rayon émis ; la phase du signal porté par le rayon émis ; la distance parcourue par le rayon, depuis l'émission du rayon primaire d'origine ; la fréquence du signal porté par le rayon émis.
Ils peuvent également comporter, éventuellement, des caractéristiques de forme transverse du rayon, c'est-à-dire des caractéristiques de la forme d'une section du rayon dans un plan transverse à sa direction de propagation.
Les valeurs de chacun des paramètres du rayon peuvent varier en fonction d'une part, du trajet entre le point d'émission du rayon incident, et le point atteint sur la surface atteinte (notamment éventuellement en fonction de paramètres de l'atmosphère entre ces deux points) ; et d'autre part en fonction de propriétés de la surface atteinte par le faisceau incident.
Notamment, l'énergie ou la puissance transportée par un rayon diffusé ou ré-émis peut être au moins fonction d'une orientation relative entre le rayon incident et la normale à la surface atteinte par celui-ci.
Les propriétés d'un rayon diffusé ou ré-émis, notamment l'énergie ou la puissance transportée, peuvent aussi éventuellement dépendre de l'angle entre la direction de propagation de ce rayon et la direction normale (ou perpendiculaire) à la surface au point d'émission de ce rayon.
Par ailleurs, les propriétés des rayons diffusés ou ré-émis peuvent dépendre, non seulement des positions ou orientations relatives du rayon incident par rapport à la surface atteinte de l'objet, mais aussi de propriétés de l'objet lui-même.
Dans un mode de mise en œuvre, on utilise une propriété, notamment physique d'un matériau constituant une surface d'un objet de la scène pour calculer les rayons diffusés.
La propriété considérée ici peut être un coefficient de réflexion ou de transmission du matériau de la surface atteinte de l'objet. Par exemple, la propriété de la surface peut notamment être définie par des coefficients de réflexion, de transmission, de diffusion, du rayon incident, soit par les perméabilités électrique et magnétique du matériau considéré, qui peuvent être de simples nombres réels. La propriété de la surface peut également être définie de manière bien plus complexe, en étant par exemple fonction de la fonction de distribution de réflectance bidirectionnelle, ou BDRF (de l'Anglais « Bidirectional réflectance distribution function »), du matériau de la surface considérée.
Dans ce mode de mise en œuvre, il suffit donc d'attribuer certains paramètres, certaines propriétés à des matériaux, et de définir ensuite que des surfaces d'objets présents dans la scène sont constituées par le ou les matériaux ainsi définis.
Pour le calcul d'un rayon diffusé, on peut prendre en compte un modèle prédéterminé d'interaction entre un rayon incident et une surface atteinte par celui- ci.
Ainsi par exemple, dans un mode de mise en œuvre, et dans le cas où les ondes sont électromagnétiques, à l'étape d) on calcule la puissance ou l'énergie transportée par le(s) rayon(s) diffusé(s) en utilisant l'équation intégrale du champ électrique (de l'Anglais : Electric field intégral équation (EFIE)). Avantageusement, cette équation permet de calculer les propriétés des rayons diffusés de manière relativement simple.
Les étapes a), b) et d) du procédé de simulation décrites précédemment permettent de simuler de manière performante la propagation de rayons dans une scène tridimensionnelle.
Cependant, le procédé de simulation peut être rendu encore plus réaliste en prenant en compte les réflexions multiples des rayons frappant la scène.
Dans ce but, dans un mode de mise en œuvre, le procédé de simulation comporte en outre une étape complémentaire c) durant laquelle :
c) on simule, notamment de manière itérative, la propagation de rayons incidents, de telle manière qu'à chaque itération, pour chaque rayon incident considéré :
. on détermine si le rayon incident, par propagation en ligne droite, atteint une surface d'un objet de la scène ; et
. si en fonction d'un modèle prédéterminé d'interaction entre un rayon incident et une surface d'un objet, au moins un rayon ré-émis (rayon émis par une surface de la scène, autre qu'un rayon diffusé) est émis après l'interaction dudit rayon incident avec ladite surface atteinte :
. on détermine le point atteint sur la surface atteinte ; et, . on calcule ledit au moins un rayon ré-émis depuis la surface atteinte ;
lesdits rayons incidents considérés étant :
. lors de la première itération, les rayons primaires calculés à l'étape b) ;
. lors de chacune des itérations ultérieures, les rayons ré-émis calculés à l'itération précédente.
En outre à l'étape d), on calcule de plus les rayons diffusés émis par les surfaces du ou des objet(s) de la scène atteintes par un rayon ré-émis.
Dans ce mode de mise en œuvre, le procédé peut comporter une ou plusieurs itérations à l'étape c).
Par ailleurs, comme pour les rayons diffusés on peut utiliser une propriété, notamment physique d'un matériau constituant une surface d'un objet de la scène pour calculer les rayons ré-émis.
Les rayons ré-émis tels que définis à l'étape c) peuvent correspondre à une onde transmise ou à une onde réfléchie par l'objet dont la surface est atteinte par le rayon incident. D'autres types de rayons ré-émis peuvent être pris en considération, en fonction de la nature des ondes dont la propagation est simulée.
A l'étape c), la détermination du point atteint sur la surface atteinte peut consister à déterminer un point, défini par des coordonnées tridimensionnelles, ou encore par des coordonnées bidimensionnelles sur la surface atteinte. Mais cela peut consister aussi de manière plus large à déterminer la surface atteinte, ou une partie de la surface atteinte, dès lors que cette opération est suffisamment précise pour permettre le calcul des caractéristiques des rayons émis suite à l'interaction du rayon incident avec l'élément atteint (point, portion de surface, ou surface atteint(e)).
Ainsi dans ce mode de mise en œuvre du procédé selon l'invention, la technique du 'lancer de rayons' est mise en œuvre de manière beaucoup plus réaliste que dans les modes de mise en œuvre antérieurs, dans lesquels l'interaction entre un objet et un rayon incident était modélisée de manière très simplifiée au moyen de SER.
En effet à l'étape c), le calcul des rayons ré-émis permet d'obtenir une représentation beaucoup plus précise de la propagation des ondes.
Les rayons ré-émis sont généralement calculés en prenant en compte la géométrie du ou des objets présents dans la scène. Ainsi par exemple, une ou plusieurs propriétés du ou des rayons ré-émis peuvent être fonction de la normale de la surface atteinte. La normale de la surface atteinte de l'objet est calculée naturellement au point de la surface atteint par le rayon incident. Dans le cas où les ondes sont des ondes électromagnétiques, le modèle d'interaction entre le rayon incident et la surface peut être fondé sur les équations de l'optique physique.
Dans ce cas, dans un mode de mise en œuvre, la puissance transportée par un rayon ré-émis est calculée par la loi de Snell-Descartes.
Pour calculer la direction de propagation du ou des rayons ré-émis, dans un mode de mise en œuvre, la direction de propagation d'au moins un rayon émis - et en général, de chacun des rayons ré-émis - dépend uniquement de la direction de propagation du rayon incident et de la normale de la surface atteinte.
Par suite à l'étape c), et dans le cas où les rayons sont de nature électromagnétique, pour chaque rayon incident, on calcule seulement zéro ou un rayon réfléchi par la surface (réflexion spéculaire) et éventuellement un rayon transmis à l'intérieur de la surface, si la surface est transparente. Ensuite à l'étape d), on calcule s'il y a lieu le rayon diffusé par la surface sous l'effet du rayon incident.
Aussi, le procédé selon l'invention avantageusement est un procédé à complexité sensiblement constante ; c'est-à-dire que le nombre de rayons généralement est relativement constant tout au long des itérations.
En effet les rayons incidents qui ne rencontrent aucune surface ne donnent naissance à aucun rayon émis ; inversement, les surfaces transparentes (qui ne forment généralement qu'une très faible proportion des surfaces) peuvent donner naissance à deux rayons ré-émis pour un rayon incident.
Pour déterminer la fréquence d'un rayon émis calculé à l'étape c), dans un mode de mise en œuvre, on prend en compte une vitesse relative de la surface atteinte par le rayon incident, par rapport au point de réception (Il s'agit d'une vitesse relative car le point de réception peut éventuellement être lui-même animé d'une vitesse propre).
Structure de données ; moyens de calcul : GPU
En plus des paramètres physiques qui gouvernent la propagation des rayons étudiés, le choix de certains moyens de calcul spécifiques permet de mettre en œuvre le procédé de manière particulièrement efficace.
En particulier, du fait notamment du choix de l'algorithme de lancer de rayons pour la propagation de l'onde émise, le procédé peut avantageusement être mis en œuvre sur une carte graphique. Ainsi dans un mode de mise en œuvre particulièrement intéressant de l'invention, l'étape c) et/ou l'étape d) est réalisée sur une (unique) carte graphique (CGU), et les calculs réalisés pour chacun des rayons sont réalisés en parallèle. Ce mode de mise en œuvre permet donc de réaliser les calculs de l'étape c) et/ou d) de manière particulièrement rapide. Grâce à cela, avantageusement le procédé peut être mis en œuvre de manière temps réel ou semi temps-réel.
Pour mettre en œuvre le procédé sur une carte graphique comme indiqué précédemment, les données de scène sont de préférence constituées principalement par au moins une matrice multidimensionnelle, ou bien par un ensemble de données individuelles tridimensionnelles.
Dans le premier cas, la géométrie des objets n'est pas enregistrée sous forme de coordonnées tridimensionnelles. La position des objets au contraire est enregistrée sous la forme des coordonnées (numéro de ligne et numéro de colonne) d'une donnée dans une matrice, ainsi que sous la forme d'une valeur de profondeur nommée habituellement ζ'. La géométrie est donc stockée dans une ou plusieurs matrices appelée habituellement « Z-buffer ». Cette ou ces matrices contenant les informations de géométrie des objets de la scène font partie des données de scène, enregistrées dans une matrice multi-dimensionnelle, appelée encore 'G-buffer' (buffer ou tampon graphique).
Par matrice « multi-dimensionnelle », on désigne ici un ensemble de matrices ayant le même nombre de lignes et de colonnes. Avantageusement, une matrice multi-dimensionnelle permet de stocker, pour une même position (i,j) dans la matrice multi-dimensionnelle, non pas seulement une information scalaire (comme par exemple une information de profondeur en Y), mais un nombre quelconque d'informations relatives à l'élément référencé à l'emplacement (i,j).
Dans le second cas au contraire, la géométrie est enregistrée sous forme de données tridimensionnelles. Dans ce cas, les données de scène comportent principalement des entités qui contiennent les coordonnées tridimensionnelles des différentes surfaces des objets contenus dans la scène. Elles peuvent comporter en outre d'autres données, enregistrées par exemple dans des matrices multi- dimensionnelles, notamment les différents coefficients caractérisant les surfaces des objets de la scène.
En outre, de même que la scène peut être enregistrée dans une matrice multi-dimensionnelle, avantageusement les rayons (primaires, et/ou diffusés, et/ou ré-émis) peuvent l'être également. Ainsi dans un mode de mise en œuvre, les rayons primaire, les rayons ré-émis, et/ou les rayons diffusés, sont enregistrés dans une matrice multidimensionnelle.
De préférence à l'étape c) on calcule la direction de propagation des rayons ré-émis au moyen des données de scène et des caractéristiques des rayons incidents, sans faire intervenir d'autres données représentant la géométrie de la scène.
Par ailleurs, dans un mode de mise en uvre du procédé selon l'invention, les calculs requis à l'étape c) et/ou d) peuvent être programmés sur carte graphique multiprocesseurs au moyen de « shaders ».
Un shader est un programme, écrit dans un langage - soit assembleur, soit un langage de plus haut niveau -, directement exécutable par une carte graphique (en Anglais Graphics processing Unit, « GPU ») et qui remplace certaines parties du pipeline d'exécution habituel. Il est possible notamment d'utiliser des shaders programmés en langage GLSL (« openGL Shading Langage »).
L'utilisation de « shaders » nécessite impérativement d'enregistrer ou modéliser les données ou informations sous forme de matrices multidimensionnelles, ce qui permet alors de les traiter par des « shaders » de manière massivement parallèle, dans un espace dit « espace image ».
Ce mode de programmation est donc particulièrement adapté au cas où la scène et/ou les rayons (primaires, ré-émis, et /ou diffusés) sont représentés par des matrices multidimensionnelles (c'est-à-dire par un G-buffer tel que présenté précédemment).
Dans un autre mode de mise en œuvre, les calculs requis à l'étape c) et/ou d) peuvent être programmés sur carte graphique multiprocesseurs en utilisant un langage de programmation de carte graphique multiprocesseurs autorisant un accès direct aux instructions et à la mémoire des différents processeurs de calcul parallèle de la carte graphique, comme par exemple le langage de programmation Cuda (marque déposée).
Ce mode de programmation peut notamment être choisi lorsque la scène est représentée - sous forme de données tridimensionnelles.
Simulation de capteurs
Une application particulièrement importante du procédé de simulation de propagation d'ondes selon l'invention est la simulation de capteurs.
L'invention concerne ainsi également un procédé de simulation de capteur, notamment d'un capteur pour véhicule automobile, le capteur étant prévu pour émettre des ondes et pour produire un signal de sortie en fonction d'ondes reçues en retour suite à ladite émission d'ondes, le procédé comprenant les étapes suivantes :
i) on simule l'émission d'ondes par le capteur, et la propagation desdites ondes, de manière à déterminer des rayons reçus par le capteur, en mettant en œuvre un procédé de simulation de propagation d'ondes tel que défini précédemment ; et ii) on détermine le signal de sortie du capteur en fonction des rayons reçus par le capteur et de caractéristiques prédéterminées du capteur.
La simulation de capteur se fait donc d'abord en simulant l'émission des ondes par le capteur, puis leur propagation (étape i). Lors de la simulation de propagation d'ondes à cette étape i), on simule la propagation des ondes de manière à calculer les rayons diffusés que va recevoir le capteur placé au point de réception.
On calcule alors, en fonction des caractéristiques du capteur, le signal de sortie du capteur. Ce calcul peut être réalisé de différentes manières.
Dans un mode de mise en œuvre, le signal de sortie du capteur est déterminé à l'étape ii) en réalisant les deux étapes e) et f) suivantes :
e) on calcule les signaux respectifs d'au moins une partie desdits rayons diffusés ; et
f) on calcule un signal reçu au point de réception en additionnant les signaux respectifs calculés à l'étape e2).
Le signal de sortie du capteur est alors déterminé en fonction des signaux des différents rayons diffusés retournés par la scène et reçus par le capteur au point de réception.
En particulier, pour limiter les temps de calcul, il est souhaitable de ne calculer les signaux transportés par les rayons diffusés que pour un nombre réduit de rayons diffusés.
Dans ce but, de préférence l'étape e) comporte les deux sous-étapes suivantes :
el) on sélectionne un sous-ensemble de rayons diffusés en fonction d'un critère prédéterminé, notamment un critère prenant en compte la puissance transportée des rayons diffusé, et/ou au moins une caractéristique de rayons voisins telle qu'une distance totale parcourue et/ou une phase du signal transporté ;
e2) on calcule les signaux respectifs des rayons diffusés sélectionnés seulement pour le sous-ensemble sélectionné de rayons diffusés.
Typiquement, à l'étape e), la sélection du sous-ensemble de rayons diffusés est faite en triant les rayons diffusés par ordre de puissance ou d'énergie transportée.
Cependant, les signaux respectifs des différents rayons diffusés peuvent éventuellement être calculés pour tous les rayons diffusés.
L'addition des signaux respectifs des différents rayons diffusés prend en compte les caractéristiques respectives des rayons diffusés de manière à produire un signal cumulé représentatif de la réalité. Différents paramètres peuvent être pris en compte pour augmenter la qualité de la simulation.
Dans un mode de mise en œuvre, pour chaque rayon ré-émis calculé à l'étape c), on détermine une distance parcourue par le rayon depuis le point d'émission du rayon primaire ayant généré le rayon ré-émis considéré.
Cela permet notamment à l'étape f), de calculer pour chaque rayon diffusé sélectionné la puissance du signal reçu par le capteur, en prenant en compte la distance totale effectivement parcourue par le rayon diffusé, et par conséquent la perte de puissance (exprimée par exemple en dB) qui s'ensuit.
La qualité de la simulation peut en outre être améliorée en ajoutant un bruit aux signaux respectifs des différents rayons diffusés sélectionnés, et/ou au signal reçu ainsi calculé.
La qualité de la simulation peut également être améliorée en prenant en compte de manière précise le fonctionnement de l'antenne d'émission d'ondes du capteur (Le terme 'antenne' est utilisé ici pour désigner tout système d'émission d'ondes que comprend le capteur).
Dans un mode de mise en œuvre, à l'étape b), on fournit un diagramme d'émission indiquant des pertes énergétiques en fonction de la direction de propagation ; et la puissance transportée par les rayons primaires est calculée en fonction du diagramme d'émission.
Le diagramme d'émission permet ainsi de prendre en compte de manière réaliste les propriétés réelles d'émission de l'antenne du capteur.
L'invention concerne également un procédé de simulation d'un véhicule automobile comportant au moins un capteur, dans lequel une propagation d'ondes émises et/ou reçues par le capteur est simulée en mettant en œuvre un procédé de simulation de propagation d'ondes tel que défini précédemment, en particulier un procédé dans lequel le capteur est simulé par le procédé de simulation de capteur tel que défini précédemment.
L'invention concerne également un programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution des étapes de l'un des procédés de simulation définis précédemment.
L'invention concerne également un support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes de l'un des procédés de simulation définis précédemment.
L'invention concerne enfin également un simulateur de propagation d'ondes, comprenant : a) une mémoire, apte à stocker des données de scène représentant une scène tridimensionnelle comportant au moins un objet présentant une pluralité de surfaces, chacune desdites surfaces présentant une normale ;
b) des moyens de calcul primaire, aptes à calculer une pluralité de rayons primaires émis dans des directions de propagation respectives ; chacun desdits rayons primaires étant défini au moins par une puissance transportée, une position, et une direction de propagation ;
d) des moyens de calcul de rayons diffusés, aptes à calculer en fonction d'un point de réception des rayons diffusés primaires, chacun desdits rayons diffusés primaires étant émis par une surface dudit au moins un objet de la scène atteinte par un rayon primaire ;
un rayon diffusé par une surface atteinte par un rayon, dit rayon incident, étant un rayon réfléchi par la surface atteinte sous l'effet du rayon incident, ayant une direction de propagation passant par le point de réception, et ayant une puissance transportée au moins fonction d'une orientation relative entre le rayon incident et la normale à la surface atteinte.
Dans un mode de réalisation, ce simulateur comprend en outre :
c) des moyens de calcul de rayons ré-émis aptes, notamment de manière itérative, à chaque itération et pour chaque rayon incident considéré :
à déterminer si le rayon incident, par propagation en ligne droite, atteint une surface d'un objet de la scène ; et
. si en fonction d'un modèle prédéterminé d'interaction entre un rayon incident et une surface d'un objet, au moins un rayon ré-émis est émis après l'interaction dudit rayon incident avec ladite surface atteinte :
. à déterminer le point atteint sur la surface atteinte ; et
. à calculer ledit au moins un rayon ré-émis depuis la surface atteinte ;
lesdits moyens de calcul de rayons ré-émis étant agencés de manière à prendre en considération en tant que rayons incidents :
. lors de la première itération, les rayons primaires calculés à l'étape b) ;
. lors de chacune des itérations ultérieures, les rayons ré-émis calculés à l'itération précédente.
En outre, les moyens de calcul de rayons diffusés sont aptes, à l'étape d), à calculer des rayons diffusés émis par les surfaces dudit au moins un objet de la scène atteintes par un rayon ré-émis.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'une route sur laquelle évoluent trois véhicules ;
- la figure 2 est une vue schématique représentant une structure de données permettant d'enregistrer la géométrie d'une scène ;
- la figure 3 est une vue schématique représentant l'interaction d'un rayon incident avec une surface d'un objet ;
- la figure 4 est une vue schématique du dessus représentant la propagation de rayons primaires projetés par le radar dans la scène de la figure 1 ;
- la figure 5 est une vue schématique du dessus représentant la propagation de rayons ré-émis émis par les véhicules présents dans la scène de la figure 1 après réception des rayons primaires ;
- la figure 6 est une vue schématique du dessus représentant la propagation de rayons diffusés par les véhicules présents dans la scène de la figure 1 après réception des rayons primaires ;
- la figure 7 est une vue schématique d'un signal transporté par un rayon de radar ;
- la figure 8 est une vue schématique d'un signal reçu par le radar ; et
- la figure 9 est une représentation schématique du procédé de simulation de propagation d'onde selon l'invention.
Un mode de réalisation du procédé et du dispositif selon l'invention va maintenant être décrit en faisant référence aux figures.
Dans le mode de réalisation présenté, le procédé de propagation d'ondes est un procédé de propagation d'ondes électromagnétiques, utilisé pour simuler le fonctionnement d'un radar embarqué sur un véhicule automobile, par exemple une voiture.
Un tel radar est mis en uvre typiquement dans une scène telle que celle représentée sur la figure 1.
Sur cette figure sont représentées trois voitures A, B, C circulant sur une route 10. La voiture C est équipée d'un radar 12. Celui-ci émet depuis un point P
(plus précisément, depuis une zone considérée comme sensiblement ponctuelle) un rayonnement électromagnétique.
La partie de ce rayonnement qui est exploitée est celle qui se propage dans l'angle solide S représenté sur la figure 1. Cet angle solide S se divise lui-même en une matrice d'angles solides élémentaires Sy où i désigne la ligne et varie de 1 à n, et j désigne la colonne et varie de 1 à p. La partie de l'espace incluse dans l'angle solide S, et limitée du côté avant de la voiture C par un plan L situé à une distance prédéterminée de la voiture C (En pratique, à environ 200 mètres de celle-ci) constitue une scène 14. La fonction du radar 12 est de détecter des obstacles à l'intérieur de cette scène.
Dans un premier temps, les grandes étapes du procédé de simulation de propagation de rayons selon l'invention vont être présentées en relation avec la figure 9.
Cette figure présente la simulation de radar comme un processus périphérique d'un processus principal qui est la simulation de fonctionnement d'un véhicule automobile.
La circulation de la voiture C sur la route 10 en effet est simulée par un simulateur de véhicule automobile 100.
Ce simulateur 100 comporte un calculateur central 102 qui exécute un programme informatique 104 de simulation de véhicule, dit 'moteur de simulation'. Ce programme 104 simule la circulation d'un véhicule, et notamment dans le cas présent, la circulation ou le déplacement de la voiture C.
Pour cela, le programme 104 simule l'acquisition des différentes informations acquises par les capteurs de la voiture C. Il simule donc notamment l'acquisition des informations fournies par le radar 12.
Cette dernière simulation (simulation de radar) est réalisée par un calculateur de radar 110. Celui-ci comprend une unité centrale 112 avec un processeur principal et une mémoire de stockage, ainsi qu'une carte graphique 114.
Le programme 104 fonctionne de manière itérative, avec une boucle de traitement en temps réel ou en semi-temps réel simulant l'évolution de la circulation à intervalle régulier, par exemple de 40 ms (en temps réel).
A chaque boucle de traitement, le programme 104 transmet au calculateur de radar 110 la description géométrique ÇG'r Fig.9) de la scène qui se trouve en face du radar 12 à l'instant considéré. Cette description inclut les vitesses relatives par rapport au radar 12 des différents objets présents dans la scène.
Dans la carte graphique est enregistré un programme de traitement noté également 114.
La carte graphique exécute le programme 114 de manière à effectuer les traitements suivants :
a) A réception des données relatives à la scène 14, le programme 114 constitue des données de scène représentant la scène placée en face du radar 12 ; b) le programme 114 réalise alors un 'lancer de rayons', et calcule ainsi les caractéristiques des différents rayons primaires qui sont émis par le radar ; c) de manière itérative, le programme 114 simule la propagation des rayons incidents dans la scène 14. Ces rayons incidents sont :
. lors de la première itération, les rayons primaires émis par le radar ; et
. lors de chacune des itérations ultérieures, les rayons ré-émis calculés à l'itération précédente.
Aussi, à chaque itération et pour chacun des rayons incidents, le programme 114 détermine si le rayon incident, par propagation en ligne droite, atteint une surface d'un objet de la scène.
Si c'est le cas, le programme 114 détermine alors si un ou plusieurs rayons sont ré-émis après l'interaction du rayon incident considéré avec la surface atteinte. L'émission d'un ou de rayons après cette interaction, et les caractéristiques du ou des rayons ré-émis, sont déterminées en fonction du modèle d'interaction entre un rayon incident et une surface d'un objet, qui est choisi par avance.
Le programme 114 détermine donc d'une part, le point atteint sur la surface atteinte ; et, d'autre part, les caractéristiques du ou des rayons ré-émis depuis la surface atteinte sous l'effet du rayon incident considéré. d) le programme 114 calcule les rayons diffusés par les différentes surfaces présentes dans la scène 14 en direction du point de réception, c'est-à-dire ici en direction du radar 12 ; el) le programme 114 sélectionne un sous-ensemble de rayons diffusés en fonction d'un critère prédéterminé prenant en compte la puissance ou l'énergie transportée des rayons diffusé ; il transmet alors cette information à l'unité centrale 112 du calculateur 110. Dans l'unité centrale est enregistré un programme de traitement noté également 112. Le programme 112 effectue les traitements suivants : e2) le programme 112 calcule des signaux respectivement pour chacun des rayons diffusés sélectionnés à l'étape el). f) le programme 112 calcule un signal reçu par le radar en additionnant les signaux respectifs calculés à l'étape e2). Il calcule alors le signal de sortie Sr du radar en fonction du signal reçu par le radar. a) Données de scène
Pour simuler le fonctionnement du radar 12, on utilise ou on crée tout d'abord des données de scène représentant la scène 14.
Ces données comportent au minimum un ensemble de données géométriques incluant en principe tout objet présent dans la scène, à condition que celui-ci ait une taille suffisante pour être détectable dans un angle solide élémentaire Sg.
Pour chaque objet, les données de scène comportent donc, pour ses différentes surfaces susceptibles d'être illuminées par un rayon émis par le radar, une description simplifiée de la surface, comportant notamment les coordonnées du vecteur normal à la surface.
Les données de scène comportent également de préférence différents coefficients ou paramètres caractérisant la surface (ou du matériau constituant la surface) et servant au calcul des rayons ré-émis suite à l'interaction d'un rayon incident avec la surface.
Ces coefficients peuvent être notamment des coefficients caractérisant les propriétés de la surface relatives à la réflexion, la transmission et la diffusion de rayons incidents.
Ces coefficients peuvent être par exemple des indices de réfraction, une épaisseur, une rugosité...
En outre, les données de scène peuvent inclure, pour chaque surface, l'indication de la vitesse instantanée de la surface par rapport au radar.
Ces différents coefficients sont en général enregistrés par une référence au matériau constituant la surface.
Dans ce cas, on enregistre pour chaque matériau constituant une surface des objets présents dans la scène 14, des coefficients caractérisant la réponse du matériau lorsqu'une surface constitué par ce matériau reçoit un rayon incident, ce rayon incident ayant la fréquence et la forme d'onde produites par le radar dont le fonctionnement est simulé.
Les données de scène sont enregistrées dans la mémoire de la carte graphique 114.
Elles peuvent être enregistrées de différentes manières.
Dans le mode de réalisation présenté ici, elles sont enregistrées sous forme d'une matrice multidimensionnelle M (Fig.2), encore appelée en infographie « G- buffer » ou « Graphics-buffer ». La matrice M comporte le même nombre de lignes et colonnes que la matrice des angles solides élémentaires ; mais elle est constituée d'un certain nombre (q) de matrices individuelles, notées Mi, M2,... q. Ainsi, la localisation de chaque surface d'un objet de la scène est enregistrée seulement d'une part, via les composantes (i,j) de l'élément de matrice dans lequel est enregistrée la surface, et d'autre part par une information de profondeur Ύ, qui est enregistrée dans la matrice M, par exemple dans la matrice Mi. Il s'agit donc d'un Z- buffer.
Les matrices suivantes M2, M3, ... Mu servent à enregistrer les autres propriétés de la surface (ces propriétés sont enregistrées dans cet exemple par u-1 nombres réels). Ces autres propriétés peuvent consister en l'indication du matériau constituant la surface, les propriétés de ce matériau étant enregistrées par ailleurs.
Si dans un angle solide élémentaire donné, la scène comporte plusieurs surfaces successives à des distances croissantes du point P, ces différentes surfaces sont enregistrées dans la matrice M, dans des matrices individuelles Mk, où k commence par exemple à la valeur u+1.
De manière alternative, les données de scène peuvent être enregistrées comme une scène tridimensionnelle comprenant des objets eux-mêmes composés d'un ensemble de facettes, notamment triangulaires, des propriétés de surface étant associées aux facettes sous forme notamment de textures, au moyen de coordonnées de texture de manière connue en soi. b Calcul des rayons primaires
La simulation du fonctionnement du radar nécessite d'abord de calculer les rayons émis par le radar depuis le point d'émission P (rayons primaires).
Pour simplifier le calcul, on calcule un rayon primaire Pu pour chaque angle solide élémentaire SB. Les rayons primaires sont donc enregistrés dans une matrice multidimensionnelle similaire à la matrice M décrite précédemment.
La figure 4 représente de manière schématique les rayons primaires Pg émis sur une ligne horizontale d'angles solides Si}.
Pour chaque rayon primaire ΡΒ sont enregistrées les informations suivantes :
• sa direction de propagation (Celle-ci est enregistrée implicitement par les coordonnées (i,j) du rayon Pu considéré);
• son point d'émission (pour les rayons primaires, c'est le point P) ;
• la puissance transportée par le rayon émis. Cette information est enregistrée sous forme d'un gain - négatif - en dB par rapport à la puissance maximale initiale d'un rayon primaire ;
· la polarisation du rayon primaire ;
• la phase du signal porté par le rayon primaire ;
• la distance parcourue par le rayon depuis l'émission du rayon primaire d'origine (distance nulle, dans le cas des rayons primaires) ; • la fréquence du signal porté par le rayon primaire.
• Le coefficient doppler associé au rayon primaire (coefficient nul dans le cas des rayons primaires).
La valeur de gain n'est pas la même pour tous les rayons primaires. En effet, pour chaque rayon primaire, le gain est fourni par le diagramme d'émission de l'antenne d'émission du radar 12. Ce diagramme d'antenne indique, en fonction de l'angle solide élémentaire Sg, l'énergie ou la puissance effective - et donc le gain - du rayon que le radar émet dans l'angle solide élémentaire. C'est donc cette valeur qui est enregistrée comme gain initial pour chaque rayon primaire. En pratique, le gain des rayons primaires est élevé au centre du faisceau émis par le radar, et plus faible sur les côtés. c) Propagation des rayons
La propagation des rayons est fondée sur un modèle d'interaction avec la surface connu en soi (Fig.3). Conformément à ce modèle, en fonction de paramètres de réflexion, de transmission et de diffusion de la surface, lorsqu'un rayon incident R, frappe une surface en un point E, il peut être absorbé sans émission d'aucun rayonnement ; il peut donner naissance à un rayon réfléchi Rr ; il peut donner naissance à un rayon transmis Rt.
Les caractéristiques de ces différents rayons dépendent chacune de la direction d'incidence (et donc de la direction de propagation du rayon incident) et de la normale n à la surface.
Par ailleurs, un rayonnement peut être diffusé depuis le point E dans la direction de réception (qui peut être la direction d'émission des rayons primaires) ; il y a alors projection d'un rayon diffusé Rd en direction du point P.
En outre, dans ce mode de mise en œuvre l'interaction du rayon incident avec la surface atteinte repose sur les hypothèses suivantes:
On considère que le rayon incident se comporte comme une onde plane monochromatique, et cela même si le signal transporté par le rayon incident (par exemple, dans des radars à modulations FMCW, FSK, à impulsions, ...) est en réalité la superposition de plusieurs ondes monochromatiques.
On considère de plus que lorsqu'un front d'onde électromagnétique interagit à la surface d'un objet (ou à l'interface entre deux milieux), on considère localement cette surface comme plane et on l'assimile à un plan infini pour le calcul du rayon émis. (Cependant, le calcul peut éventuellement prendre en compte la courbure de la surface).
Un exemple d'une interaction des rayons primaires avec les objets de la scène est illustré par les figures 4 à 6. Dans un des plans d'émission de rayons primaires Ρ0 (j=Cte), illustré par la figure 4, les rayons primaires frappent le véhicule A dans trois angles solides élémentaires et le véhicule B également dans trois angles solides élémentaires (flèches en gras, Fig.4).
Pour chaque rayon primaire ΡΒ, lors de la première itération du programme
114 à l'étape c), on évalue l'interaction des différents rayons primaires Pg avec les surfaces des objets présents dans la scène.
On notera que l'interaction avec le sol constituant la route 10 doit normalement être prise en compte ; cependant pour simplifier les explications cette interaction n'est pas discutée dans l'exemple présenté.
Sur le véhicule A, les surfaces atteintes sont des surfaces opaques situées à l'arrière du véhicule ; aucun rayon n'est transmis à travers la surface. En revanche, ces surfaces donnent naissance à trois rayons réfléchis ré-émis RrA.
Sur le véhicule B, les surfaces atteintes sont les surfaces transparentes du pare-brise avant du véhicule. Ces surfaces donnent tout d'abord naissance à trois rayons réfléchis ré-émis RrB. Etant transparentes, elles donnent également naissance à trois rayons transmis ré-émis RtB.
L'évaluation de l'interaction entre les rayons primaires (ou, aux étapes ultérieures de calcul, les rayons incidents) et les surfaces des objets de la scène conduit donc à créer de nouveaux rayons, les rayons ré-émis RrA, Rre, RtB-
Ces rayons n'ont pas les mêmes caractéristiques que les rayons primaires.
Leurs caractéristiques sont calculées de la manière suivante :
- la direction de propagation est calculée suivant le modèle d'interaction avec la surface considérée, en fonction de la direction du rayon incident et de la direction normale de la surface au point frappé par le rayon incident ;
- le point d'émission du rayon ré-émis est le point de la surface frappé par le rayon incident ;
- le gain, la polarisation du rayon ré-émis sont calculés suivant le modèle d'interaction avec la surface considérée, en fonction des caractéristiques de la surface, et éventuellement en fonction de la direction du rayon incident et de la direction normale de la surface au point frappé par le rayon incident ;
- la phase du signal porté par le rayon ré-émis, et la distance parcourue par le rayon depuis l'émission du rayon primaire d'origine, sont calculées en fonction de la position du point frappé sur la surface, par rapport au radar, et éventuellement en fonction de propriétés de la surface ; et
- la fréquence du signal porté par le rayon ré-émis est calculée en fonction de la vitesse relative de la surface par rapport au radar. Un paramètre important est le gain du rayon ré-émis, qui correspond à la puissance du signal transporté par le rayon.
Le programme 114 calcule le gain des rayons ré-émis en utilisant l'équation de l'optique physique : La puissance transportée par un rayon ré-émis est calculée par la loi de Snell-Descartes.
Naturellement, un grand nombre de rayons primaires ne rencontrent aucune surface d'un objet de la scène 14 ; ils ne donnent alors naissance à aucun rayon émis.
A l'étape c), après la première interaction de chacun des rayons primaires avec les surfaces des objets de la scène 14 a été évaluée, le programme 114 peut réaliser une ou plusieurs itérations de manière à calculer une ou plusieurs interactions ultérieures entre les rayons ré-émis et les surfaces des objets de la scène.
Dans l'exemple présenté cependant, le programme 114 est paramétré de manière à passer à l'étape d) dès que la deuxième itération de l'étape c) a été réalisée, c'est-à-dire dès que tous les rayons primaires ont atteint les surfaces qu'ils peuvent atteindre par propagation en ligne droite depuis le point P.
De manière plus générale, le programme 114 peut être paramétré de manière à passer à l'étape d) soit après un nombre fixe d'itérations, soit lorsqu'un autre critère a été atteint.
Eventuellement, l'étape c) peut ne pas être réalisée. Le programme 114 passe directement de l'étape b) à l'étape d).
Les calculs sont réalisés de manière massivement parallèle sur la carte graphique 114. Le nombre de rayons primaires est choisi de manière à engendrer un nombre de rayons pouvant être traité par la carte graphique à la fréquence de traitement souhaitée. d) Calcul des rayons diffusés
A l'étape d), le programme 114 calcule les rayons diffusés par les différentes surfaces présentes dans la scène 14 en direction du radar 12.
Ce calcul est fait pour chacune des surfaces de la scène 14. Une même surface peut éventuellement donner naissance à plusieurs rayons émis (diffusés ou ré-émis) si elle est atteinte par plusieurs rayons incidents, notamment lors de plusieurs itérations effectuées à l'étape c) de propagation.
Dans l'exemple présenté, l'étape c) est arrêtée à la fin de la première itération.
Le programme 114 calcule donc six rayons diffusés : Trois rayons RdA diffusés par la paroi arrière de la voiture A, et trois rayons RdB diffusés par la paroi avant ou la paroi latérale de la voiture B. Le programme 114 ne calcule pas de rayon RdB pour les autres surfaces de la voiture B, car à la fin de la première itération (Fig.5), seules la paroi avant et une paroi latérale de la voiture B ont été atteintes par des rayons incidents (Puisqu'il s'agit de la première itération, les rayons incidents sont les rayons primaires Ρϋ) .
Pour chaque surface de la scène 14, le programme 114 calcule le ou les rayon(s) diffusé(s) (éventuel(s)) émis par la surface, en prenant en compte l'ensemble des rayons incidents ayant atteint la surface considérée au cours des différentes itérations de l'étape c).
Les rayons diffusés comportent sensiblement les mêmes paramètres que les rayons primaires. el) Tri et sélection des rayons diffusés
Ensuite à l'étape el), le programme 114 sélectionne un sous-ensemble de rayons diffusés en fonction d'un critère prédéterminé prenant en compte la puissance transportée par les rayons diffusés.
Ce critère est fondé plus précisément sur la puissance retournée à l'antenne, qui est fonction de la puissance transportée par les rayons diffusés.
La puissance retournée à l'antenne par un rayon diffusé est calculée sur la base de caractéristiques de l'antenne de réception du radar 12, notamment les dimensions ou la surface de celle-ci. Elle est calculée éventuellement en fonction du gain de l'antenne, ce gain pouvant dépendre de la direction de provenance du rayon diffusé.
Plus concrètement, cette puissance est calculée sur la base de l'équation intégrale du champ électrique, en intégrant le flux du vecteur de Poynting du rayon diffusé à travers la surface de l'antenne.
Le calcul pour chaque rayon diffusé de la puissance retournée à l'antenne par le rayon diffusé permet de procéder à la sélection des rayons diffusés qui seront pris en compte pour le calcul du signal reçu effectivement par le radar. En effet, cette sélection consiste en pratique à ne prendre en compte dans la suite des calculs que les rayons qui vont retourner une puissance non négligeable au radar.
Dans ce but, on commence par trier les rayons diffusés en fonction de la puissance retournée à l'antenne par chacun ; ensuite, on ne conserve que les rayons diffusés de plus grande puissance retournée à l'antenne.
Ce travail de sélection permet de réduire la quantité de données à transmettre à l'unité centrale 112 du calculateur de radar 110, et cela sensiblement sans perte de performance pour la simulation, dans la mesure où les rayons diffusés éliminés sont des rayons dont la contribution au signal radar est très faible et ainsi négligeable.
Selon une variante, toujours dans le but de limiter la quantité d'information remontée par le simulateur de canal de propagation RADAR accéléré par le GPU, on sélectionne les rayons diffusés de la manière suivante :
On forme d'abord des groupes de rayons présentant des similitudes en termes de position, de distance totale parcourue par le rayon, de déphasage, et/ou de fréquence. Un tel regroupement des rayons peut être réalisé par des algorithmes de partitionnement (en Anglais : « clustering ») directement sur la carte graphique et de manière parallèle, par le programme 114.
Chaque groupe de rayons diffusés est alors caractérisé par les valeurs statistiques caractéristiques du groupe : moyenne et variance de la distance totale parcourue, moyenne et variance du déphasage, moyenne et variance de la direction de réception, puissance totale.
Dans ce cas, pour sélectionner une partie des rayons diffusés, on sélectionne les groupes de rayons de plus grande importance. Les rayons isolés, ou les groupes de faible importance sont assimilés à du bruit radar (en Anglais : clutter) et ainsi éliminés.
On peut aussi réaliser la sélection en prenant en compte, éventuellement en plus des critères cités précédemment, la distance totale parcourue. Par exemple, on peut ne sélectionner que les N rayons (N est un entier) ayant la plus faible distance totale parcourue avant le retour au point de réception.
Les informations correspondants aux groupes de rayons sélectionnés peuvent alors être transmises au programme 112 du calculateur de radar 110 de manière synthétique, en ne transmettant que des valeurs agrégées correspondants aux groupes de rayons sélectionnés. e2) Calculs des signaux des rayons diffusés
Les données relatives aux rayons diffusés ainsi sélectionnés sont alors transmises à l'unité centrale 112 du calculateur de radar 110.
A réception de ces informations (étape e2)), le programme 112 calcule un signal Sd pour chacun des rayons diffusés sélectionnés. Ce signal est calculé sur la base du signal initialement émis par le radar, tel que représenté par la figure 7.
Les signaux respectifs Sd ainsi générés pour les différents rayons diffusés sélectionnés sont calculés en faisant l'hypothèse que les rayons primaires sont émis pendant un même laps de temps entre des instants 0 et T. La durée T est choisie de manière à être grande par rapport aux déphasages induits par les différences de distance de vol entre les différents rayons (les échelles sur les figures 7 et 8 ne sont pas représentatives).
Bien que la figure 7 représente un signal sinusoïdal à fréquence constante, on comprend que le procédé peut être utilisé avec tout type de signal radar, notamment des signaux de fréquences variables, continûment ou par paliers par exemple (FSK, FMCW, ...).
Les signaux individuels correspondant à chacun des rayons diffusés ont une forme voisine du signal radar initial, par exemple dans le cas présent, une forme sinusoïdale.
Cependant, ils sont modifiés par rapport au signal initial en prenant notamment en compte les paramètres suivants du rayon diffusé : la phase du rayon ; l'énergie ou la puissance transportée par le rayon (ou la puissance retournée à l'antenne), la polarisation du rayon, le cas échéant, la distance parcourue par le rayon depuis l'émission du rayon primaire ; la fréquence du signal transporté par le rayon. f) Calcul du signal reçu par le radar et du signal de sortie du radar
Ensuite à l'étape f), le programme 112 calcule le signal Sr reçu par le radar en additionnant les signaux respectifs Sd des différents rayons diffusés sélectionnés, calculés à l'étape e2).
Ce calcul prend en compte des paramètres de réception propres au radar lui- même, c'est-à-dire des paramètres d'antenne de réception.
Sur la base du signal Sr reçu par le radar, le programme 112 calcule alors le signal de sortie du radar Ss.
Le signal de sortie du radar Ss ainsi obtenu est alors transmis au programme 104 de simulation de déplacement de véhicule (Fig.9).
Ce signal Ss peut alors faire l'objet de traitements complémentaires, puis être fusionné avec d'autres informations acquises par d'autres capteurs du véhicule pour alimenter, par exemple, un programme déterminant automatiquement les commandes à appliquer au véhicule pour assurer le pilotage ou la conduite de celui- ci.
Enfin, bien que l'exemple présenté, un radar ayant une unique antenne pour l'émission et la réception ait été utilisé, l'invention peut être mise en œuvre avec une pluralité de sources de rayons. Elle peut de plus être mise en œuvre en évaluant les rayons diffusés (étape d)) non pas pour une seule position de réception, mais pour plusieurs positions de réception. Dans l'exemple présenté, la carte graphique 114 constitue à la fois les moyens de calcul primaire, les moyens de calcul de rayons diffusés, et les moyens de calcul de rayons ré-émis, au sens de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS 1. Procédé de simulation de propagation d'ondes, notamment d'ondes électromagnétiques ou acoustiques, dans lequel :
a) on fournit des données de scène représentant une scène tridimensionnelle (14) comportant au moins un objet (A,B) présentant une pluralité de surfaces, chacune desdites surfaces présentant une normale ;
b) on calcule à l'aide d'un ordinateur une pluralité de rayons primaires (Py) émis dans des directions de propagation respectives ; chacun desdits rayons primaires étant défini au moins par une puissance transportée, une position, et une direction de propagation ;
le procédé se caractérisant en ce qu'il comporte en outre une étape d) dans laquelle :
d) en fonction d'un point de réception (P), on calcule à l'aide d'un ordinateur des rayons diffusés primaires (RdA,RdB), chacun desdits rayons diffusés primaires étant émis par une surface dudit au moins un objet de la scène atteinte par un rayon primaire ;
un rayon diffusé (Rd) par une surface atteinte par un rayon, dit rayon incident, étant un rayon émis par la surface atteinte sous l'effet du rayon incident, ayant une direction de propagation passant par le point de réception, et ayant une puissance transportée au moins fonction d'une orientation relative entre le rayon incident et la normale (n) à la surface atteinte.
2. Procédé de simulation de propagation selon la revendication 1, dans lequel les données de scène sont constituées principalement par au moins une matrice multidimensionnelle (M), ou bien par un ensemble de données individuelles tridimensionnelles.
3. Procédé de simulation de propagation selon la revendication 1 ou 2, dans le cas où les ondes sont électromagnétiques, dans lequel à l'étape d), on calcule la puissance transportée par ledit au moins un rayon diffusé en utilisant l'équation intégrale du champ électrique.
4. Procédé de simulation de propagation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comportant en outre une étape complémentaire c) durant laquelle :
c) on simule, notamment de manière itérative, la propagation de rayons incidents, de telle manière qu'à chaque itération, pour chaque rayon incident considéré :
. on détermine si le rayon incident, par propagation en ligne droite, atteint une surface d'un objet de la scène ; et
. si en fonction d'un modèle prédéterminé d'interaction entre un rayon incident et une surface d'un objet, au moins un rayon ré-émis (RrA, rB,RtB) est émis après l'interaction dudit rayon incident avec ladite surface atteinte :
. on détermine le point atteint sur la surface atteinte ; et,
. on calcule ledit au moins un rayon ré-émis depuis la surface atteinte ;
lesdits rayons incidents considérés étant :
. lors de la première itération, les rayons primaires calculés à l'étape b) ;
. lors de chacune des itérations ultérieures, les rayons ré-émis calculés à l'itération précédente ;
procédé dans lequel :
à l'étape d), on calcule en outre des rayons diffusés émis par les surfaces dudit au moins un objet de la scène atteintes par un rayon ré-émis.
5. Procédé de simulation de propagation selon la revendication 4, dans lequel au moins une propriété d'au moins un rayon ré-émis est fonction de la normale (n) de la surface atteinte.
6. Procédé de simulation de propagation selon la revendication 4 ou 5, dans lequel la direction de propagation de chacun des rayons ré-émis dépend uniquement de la direction de propagation du rayon incident et de la normale (n) de la surface atteinte.
7. Procédé de simulation de propagation selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans le cas où les ondes sont électromagnétiques, dans lequel la puissance transportée par un rayon ré-émis est calculée par la loi de Snell-Descartes.
8. Procédé de simulation de propagation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'étape c) et/ou l'étape d) est réalisée sur une unique carte graphique (114), et les calculs réalisés pour chacun des rayons sont réalisés en parallèle.
9. Procédé de simulation de propagation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les rayons primaires, les rayons ré-émis, et/ou les rayons diffusés, sont enregistrés dans une matrice multidimensionnelle.
10. Procédé de simulation de propagation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel on utilise une propriété d'un matériau constituant une surface d'un objet de la scène pour calculer les rayons ré-émis et/ou les rayons diffusés.
11. Procédé de simulation d'un capteur (12), notamment d'un capteur pour véhicule automobile, le capteur étant prévu pour émettre des ondes et pour produire un signal de sortie en fonction d'ondes reçues en retour suite à l'émission des ondes émises, le procédé comprenant les étapes suivantes :
i) on simule l'émission d'ondes par le capteur, la propagation desdites ondes, de manière à déterminer des rayons reçus par le capteur, en mettant en œuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 ; et
ii) on détermine le signal de sortie (Ss) du capteur en fonction des rayons (Rd) reçus par le capteur et de caractéristiques prédéterminées du capteur.
12. Procédé de simulation d'un capteur selon la revendication 11, dans lequel, pour déterminer le signal de sortie du capteur à l'étape ii), on réalise des étapes el), e2) et f) durant lesquelles :
el) on sélectionne un sous-ensemble de rayons diffusés (Rd) en fonction d'un critère prédéterminé, notamment un critère prenant en compte la puissance transportée des rayons diffusé, et/ou au moins une caractéristique de rayons voisins telle qu'une distance totale parcourue et/ou une phase du signal transporté ;
e2) on calcule les signaux respectifs des rayons diffusés sélectionnés seulement pour le sous-ensemble sélectionné de rayons diffusés ; et
f) on calcule un signal reçu au point de réception en additionnant les signaux respectifs calculés à l'étape e2).
13. Procédé de simulation d'un capteur selon la revendication 11 ou 12, dans lequel à l'étape b), on fournit un diagramme d'émission indiquant des pertes énergétiques en fonction de la direction de propagation ; et la puissance transportée par les rayons primaires est calculée en fonction du diagramme d'émission.
14. Programme d'ordinateur comportant des instructions de code de programme pour exécuter les étapes d'un procédé de simulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 lorsqu'il est exécuté sur un ordinateur.
15. Support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes d'un procédé de simulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.
16. Simulateur de propagation d'ondes, comprenant :
a) une mémoire, apte à stocker des données de scène représentant une scène tridimensionnelle comportant au moins un objet présentant une pluralité de surfaces, chacune desdites surfaces présentant une normale ;
b) des moyens de calcul primaire (114), aptes à calculer une pluralité de rayons primaires émis dans des directions de propagation respectives ; chacun desdits rayons primaires étant défini au moins par une puissance transportée, une position, et une direction de propagation ;
d) des moyens de calcul de rayons diffusés (114), aptes à calculer en fonction d'un point de réception des rayons diffusés primaires, chacun desdits rayons diffusés primaires étant émis par une surface dudit au moins un objet de la scène atteinte par un rayon primaire ;
un rayon diffusé par une surface atteinte par un rayon, dit rayon incident, étant un rayon réfléchi par la surface atteinte sous l'effet du rayon incident, ayant une direction de propagation passant par le point de réception, et ayant une puissance transportée au moins fonction d'une orientation relative entre le rayon incident et la normale (n) à la surface atteinte.
17. Simulateur selon la revendication 16, comprenant en outre
c) des moyens de calcul de rayons ré-émis (114) aptes, notamment de manière itérative, à chaque itération et pour chaque rayon incident considéré :
à déterminer si le rayon incident, par propagation en ligne droite, atteint une surface d'un objet de la scène ; et
. si en fonction d'un modèle prédéterminé d'interaction entre un rayon incident et une surface d'un objet, au moins un rayon ré-émis est émis après l'interaction dudit rayon incident avec ladite surface atteinte :
. à déterminer le point atteint sur la surface atteinte ; et,
. à calculer ledit au moins un rayon ré-émis depuis la surface atteinte ;
lesdits moyens de calcul de rayons ré-émis étant agencés de manière à prendre en considération en tant que rayons incidents :
. lors de la première itération, les rayons primaires calculés à l'étape b) ;
. lors de chacune d'itérations ultérieures, les rayons ré-émis calculés à l'itération précédente ;
les moyens de calcul de rayons diffusés étant en outre aptes, à l'étape d), à calculer des rayons diffusés émis par les surfaces dudit au moins un objet de la scène atteintes par un rayon ré-émis.
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