基于多级分布式光束追踪的复杂目标天基光学成像仿真方法

1.本发明涉及光线追踪计算技术，具体为一种基于多级分布式光束追踪的复杂目标天基光学成像仿真方法。


背景技术：

2.目标信息化感知及目标所处不同环境的复合信息特征在数字化信息对抗中的地位日益突出，而目标光学特性又是数字化信息的重要组成部分，其对目标的识别、伪装和跟踪等技术的研究和应用十分重要。但是目标结构和尺寸等因素复杂多变，实测样本非常有限，并且开展实验测量获取图像数据的代价非常昂贵。故而越来越多的研究者利用仿真计算来获取目标光学成像特征的方法，通过构建场景几何模型，分析光学成像特性的影响因素，建立目标和背景光学成像特征计算模型。然而，在对复杂目标进行光学图像仿真计算时，其光学特征的计算精度和计算效率往往不能同时提高，实现复杂目标图像的高精度仿真需要耗费大量的时间。
3.目前，为了对复杂目标进行高精度光学特性计算通常采用基于蒙特卡洛的光线追踪类方法，通过生成大量由光源发出的光线来模拟真实光照，追踪光线在场景中传播和反射的路径，直至光线进入到传感器。光子映射算法(photon mapping algorithm,pma)就是一种应用最为广泛的混合光线追踪方法，其使用光子来代替传统光线追踪方法中的光线，光子可以被物体表面反射或吸收，当光子被吸收时，就可以存储在光子图的相应位置，用于计算物体向传感器反射的辐射能量。描述光线在物体表面反射现象时，光线追踪类的方法通常被分为两类：分布式光线追踪和路径跟踪。分布式光线追踪方法的特点在于当一条光线在目标表面发生反射时，从反射点处生成多条反射光线并继续追踪，这种方法的计算精度高，但光线的数目会随着反射次数增加而成几何级的増长。路径追踪的方法特点是每条光线最多产生一条反射光线，并继续追踪这条光线直至与光源相交；每个二维图像的像素点都会追踪许多条这样的路径，并根据表面材质计算反射路径的分布概率，该方法的缺陷在于收敛速度较慢。为了在保证精度的前提下提高计算效率，开展复杂目标光学特性快速准确计算方法的研究是十分必要的。


技术实现要素：

4.为了克服传统目标光学成像仿真应用中光学辐射多次反射计算效率低下的问题，本发明提出一种多级分布式光束追踪方法，能够在保证精度的同时有效降低计算成本。
5.本发明提出的基于多级分布式光束追踪的复杂目标天基光学成像仿真方法，该方法通过对光线追踪方法中相同路径的光线进行整合，计算目标表面面元间的光束多次反射能量，在保证精度的同时有效降低计算成本；其具体过程：
6.步骤1：输入目标的三角面元模型和观测参数，对所述目标的三角面元模型进行面元再划分，计算各面元由于相互遮挡而相对于其他面元的可见性关系，判断各面元反射的辐射能量是否能到达其他面元；
7.步骤2：入射光线在目标表面各面元处生成多条能够到达其他可见面元和传感器的反射光线，使用分布式光线追踪方法计算本级反射光线的反射结果；
8.步骤3：对所述步骤2中的反射向其他面元的光线进行路径整合，将射入同一面元的多条反射光线叠加作为该面元下一级计算的入射辐射，剔除低于第一阈值的入射辐射；
9.步骤4：重复步骤2和3，逐级计算面元反射辐射，直至所有面元的入射辐射都低于第一阈值，停止循环；
10.步骤5：对各面元反射向传感器的多级反射辐射进行累加，得到各面元反射向传感器的总辐射，根据大气辐射、背景辐射的反射以及所述目标的自发热辐射，完成目标面元在像平面上的映射，得到目标光学特性成像。
11.进一步的，所述步骤2中，根据面元的双向反射比分布函数生成分布式反射光束，计算分布式反射光束的辐射能量，初级入射辐射为来自太阳的辐射；
12.计算面元i向面元j的反射辐射时，使用四路径方法进行计算，将第i个面元中心点作为点源，使用四条路径计算其向第j个面元顶点和中心点辐射的均值作为第j个面元接收到的反射辐射能量，求得第j个面元接收到的辐射亮度l
ij,receive
为：
[0013][0014]
式中，ei为光源对舰船表面第i个面元的辐射照度，r
ij,k
为第k条路径下第i个面元向第j个面元反射的brdf，aj为第j个面元的面积，l
ij,k
为第k条路径下的辐射传输距离，θ
ij
为第i、j两个面元法向量的夹角。
[0015]
进一步的，当两个面元间距离小于第二阈值时，增加路径的数量，所述点源数量为4个，即反射面元的三个顶点也作为点源，使用16条路径计算第i个面元向第j个面元顶点和中心点辐射的均值作为第j个面元接收到的反射辐射能量。
[0016]
进一步的，所述第二阈值为第i个面元的包围圆直径的1.5倍。
[0017]
进一步的，所述步骤3中，基于面元反射辐射分布计算方法对某一级的反射光线路径整合计算，每个面元向其他n-1个面元反射n-1条光线，向传感器反射1条光线；
[0018]
遍历所有的n个面元，得到所有面元向传感器反射的n条光线作为这一级的目标多次反射辐射，用于与前几级的辐射能量累加；
[0019]
每个面元会接收到来自其他面元的n-1条反射光线，对其辐射能量求和并判断是否超过第一阈值，若高于第一阈值则用于下一级的反射辐射计算，若低于第一阈值则剔除。
[0020]
进一步的，对所述反射光线进行反射辐射分布计算，用于下一级计算的第j个面元向第k个面元的入射辐射亮度为：
[0021][0022]
式中，e
ij
为本级分布式光束追踪过程中，第i个面元对第j个面元的辐射照度。
[0023]
进一步的，所述的第一阈值为入射到目标表面的太阳辐射的1％。
[0024]
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0025]
本发明适用于天基平台下的复杂三维目标光学特性计算问题，在保证目标光学仿真图像具有良好精度的前提下，本发明方法计算效率相比传统的光子映射方法提升9倍，计算效率显著提高。
附图说明
[0026]
图1是本发明的总体流程图；
[0027]
图2是待计算光学特性的阿利伯克级驱逐舰三角面元模型示意图；
[0028]
图3是阿利伯克级驱逐舰在夏季正午条件下的温度场图；
[0029]
图4是四路径方法和十六路径方法示意图；
[0030]
图5是面元反射辐射分布累积示意图；
[0031]
图6是阿利伯克级驱逐舰光学(可见光与红外波段)特性成像仿真结果对比图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0033]
本发明提出的基于多级分布式光束追踪的复杂目标天基光学成像仿真方法，通过对光线追踪方法中相同路径的光线进行整合，计算目标面元到面元的反射辐射能量，结合目标模型和光学遥感相机载荷平台参数，实现目标光学图像仿真；其流程如图1所示。
[0034]
所述用于复杂目标光学特性成像仿真方法的具体过程为：
[0035]
步骤1：输入目标的三角面元模型和观测参数，对所述目标的三角面元模型进行面元再划分，计算各面元由于相互遮挡而相对于其他面元的可见性关系，判断各面元反射的辐射能量是否能到达其他面元；
[0036]
步骤2：入射光线在目标表面各面元处生成多条能够到达其他可见面元和传感器的反射光线，使用分布式光线追踪方法计算本级反射光线的反射结果；
[0037]
步骤3：对所述步骤2中的反射向其他面元的光线进行路径整合，将射入同一面元的多条反射光线叠加作为该面元下一级计算的入射辐射，剔除低于第一阈值的入射辐射；
[0038]
步骤4：重复步骤2和3，逐级计算面元反射辐射，直至所有面元的入射辐射都低于第一阈值，停止循环；
[0039]
步骤5：对各面元反射向传感器的多级反射辐射进行累加，得到各面元反射向传感器的总辐射，根据大气辐射、背景辐射的反射以及所述目标的自发热辐射，完成目标面元在像平面上的映射，得到目标光学特性成像。
[0040]
进一步的，所述步骤2中，根据面元的双向反射比分布函数生成分布式反射光束，计算分布式反射光束的辐射能量，初级入射辐射为来自太阳的辐射；
[0041]
计算面元i向面元j的反射辐射时，使用四路径方法进行计算，将第i个面元中心点作为点源，使用四条路径计算其向第j个面元顶点和中心点辐射的均值作为第j个面元接收到的反射辐射能量，求得第j个面元接收到的辐射亮度l
ij,receive
为：
[0042][0043]
式中，ei为光源对舰船表面第i个面元的辐射照度，r
ij,k
为第k条路径下第i个面元向第j个面元反射的brdf，aj为第j个面元的面积，l
ij,k
为第k条路径下的辐射传输距离，θ
ij
为第i、j两个面元法向量的夹角。
[0044]
进一步的，当两个面元间距离小于第二阈值时，增加路径的数量，所述点源数量为4个，即反射面元的三个顶点也作为点源，使用16条路径计算第i个面元向第j个面元顶点和中心点辐射的均值作为第j个面元接收到的反射辐射能量。
[0045]
进一步的，所述第二阈值为第i个面元的包围圆直径的1.5倍。
[0046]
进一步的，所述步骤3中，基于面元反射辐射分布计算方法对某一级的反射光线路径整合计算，每个面元向其他n-1个面元反射n-1条光线，向传感器反射1条光线；
[0047]
遍历所有的n个面元，得到所有面元向传感器反射的n条光线作为这一级的目标多次反射辐射，用于与前几级的辐射能量累加；
[0048]
每个面元会接收到来自其他面元的n-1条反射光线，对其辐射能量求和并判断是否超过第一阈值，若高于第一阈值则用于下一级的反射辐射计算，若低于第一阈值则剔除。
[0049]
进一步的，对所述反射光线进行反射辐射分布计算，用于下一级计算的第j个面元向第k个面元的入射辐射亮度为：
[0050][0051]
式中，e
ij
为本级分布式光束追踪过程中，第i个面元对第j个面元的辐射照度。
[0052]
进一步的，所述的第一阈值为入射到目标表面的太阳辐射的1％。
[0053]
下面结合具体案例对本技术技术方案进行介绍：本技术基于多级分布式光束追踪的复杂目标天基光学成像仿真方法包含以下步骤：
[0054]
步骤1：输入目标的三角面元模型和观测参数，根据光学传感器像平面的投影，对舰船模型进行面元再划分，分割线为像面网格线在目标表面的投影，使得再划分后的每个面元投影到像面后都完整地包含于某一像元，计算得到各面元相对于其他面元的可见性，以此来判断各面元反射的辐射能量是否能到达其他面元。计算后生成可见性标识，便于后续减少不必要的辐射计算；
[0055]
步骤2：逐级地计算目标表面面元之间的反射光束，当目标表面某个面元发生反射时，根据其brdf生成分布式反射光束，即该面元向其余各面元反射的辐射能量，判断两个面元间距离，若大于第二阈值使用四路径方法进行计算，将第i个面元中心点作为点源，使用四条路径计算其向第j个面元顶点和中心点辐射的均值作为第j个面元接收到的反射辐射能量，若小于第二阈值，则将反射面元的三个顶点也作为点源，计算共计16条路径的辐射能量；
[0056]
步骤3：对某一级的反射光线路径整合计算，基于面元反射辐射分布计算方法，每个面元会向其他n-1个面元反射n-1条光线，并向传感器反射1条光线(若面元间和面元与传感器间均可见)；遍历所有的n个面元，会得到所有面元向传感器反射的n条光线作为这一级的目标多次反射辐射，用于与前几级的辐射能量累加；每个面元会接收到来自其他面元的n-1条反射光线，对其辐射能量求和并判断是否超过第一阈值，若高于第一阈值则用于下一级的反射辐射计算，若低于第一阈值则剔除；
[0057]
步骤4：重复步骤2和3中的面元反射辐射分布几何和面元反射辐射分布累积计算，直至所有面元的入射辐射都低于第一阈值，停止循环；
[0058]
步骤5：对各面元反射向传感器的多级反射辐射进行累加，得到各面元反射向传感器的总辐射，即为考虑了多次反射效应的目标对太阳辐射的反射，计算目标对大气辐射、背景辐射(单次反射计算方法)的反射以及目标的自发热辐射，基于目标几何结构以及目标与传感器的相对位置关系，计算目标表面可以被传感器探测到的面元，结合传感器焦平面成像相关的参数，完成目标面元在像平面上的映射，实现目标光学特性成像。
[0059]
具体多级分布式光束追踪的复杂目标天基光学成像计算实例如下所示：
[0060]
图2为阿利
·
伯克级驱逐舰的三角面元模型及坐标定义，其表面被剖分为多个三角形面元，舰船表面涂有灰漆，可见光波段灰漆的brdf实测数据经过phong模型进行参数拟合，得到漫反射参数kd＝0.5，镜面反射参数ks＝0.5；红外波段的实测发射率约为0.95，则红外波段反射率为0.05；舰船表面温度场为通过先验计算得到的夏季正午的温度场如图3所示；现应用本发明方法计算该目标在给定输入参数(仿真波段、太阳天顶角、观测天顶角和成像距离等)下的光学特性图像。
[0061]
应用步骤一：输入目标的三角面元模型和观测参数，根据光学传感器像平面的投影，对舰船模型进行面元再划分，分割线为像面网格线在目标表面的投影，使得再划分后的每个面元投影到像面后都完整地包含于某一像元。
[0062]
应用步骤二：向每个面元发射20000个光子，使用四路径(十六路径)方法计算目标面元的分布式反射辐射，包括该面元反射向其他面元的辐射和反射向传感器的辐射，图4为四路径和十六路径方法的示意图。
[0063]
应用步骤三：计算这一级中各面元接收到的来自其他面元的反射辐射，作为下一级计算的入射辐射，剔除低于第一阈值的入射辐射，图5为面元反射辐射分布累积示意图。
[0064]
应用步骤四：重复步骤2和3，直至所有面元的入射辐射都低于第一阈值，停止循环。
[0065]
应用步骤五：对各面元反射向传感器的多级反射辐射进行累加，得到各面元反射向传感器的总辐射；计算目标对大气辐射、海面辐射的反射以及目标的自发热辐射；目标的第k个面元在相机入瞳处的光谱辐射强度可以表示为：
[0066][0067]
式中e
sun
(λ)、e
atom
(λ)、e
sea
(λ)分别为太阳辐照度、大气辐照度和海面辐照度，ak为第k个面元的面积，nk为面元法线矢量，ok为第k个面元的观测矢量，sk为照明矢量，brdf(λ,nk,ok,sk)为第k个面元的brdf，为面元遮挡因子。
[0068]
图6为不同观测条件下阿利
·
伯克级驱逐舰的成像仿真结果。为了验证本方法对阿利
·
伯克驱逐舰光学特性成像仿真的误差(与发射50000个光子/面元的光子映射方法结果对比)，分别在可见光和中红外波段选择不同观测角度(0～90
°
)和光照角度(0～180
°
)的组合条件进行计算。结果表明，本方法计算得到阿利
·
伯克级驱逐舰光学图像具有良好的精度，最大相对误差为9.24％，最大相对均方根误差为6.68％。相对于光子映射方法计算所需的270分钟，本方法仅需29分钟，计算效率提升约9倍。本方法能较好的计算典型光照条件下驱逐舰表面的高光和阴影，误差主要出现在舰船表面高亮处，这是由于本方法使用十六路径均值方法近似表征面元间辐射能量传递的结果。
[0069]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。