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小天体在轨渲染观测技术

光学精密工程 2021年第12期29卷 2745-2753页

作者：刘兴潭张成渝武延鹏华宝成吴奋陟中国空间技术研究院北京控制工程研究所北京100190

提出了一种空间光场中小天体在轨序列图像渲染观测方法,综合小天体的表面反射特性、轨道特性与观测需求,提供目标在观测时刻的位姿序列、光照角度和相机特性等参数,生成符合探测器成像特性的物理渲染图像集。完成了三维基准模型的建立... 详细信息

提出了一种空间光场中小天体在轨序列图像渲染观测方法,综合小天体的表面反射特性、轨道特性与观测需求,提供目标在观测时刻的位姿序列、光照角度和相机特性等参数,生成符合探测器成像特性的物理渲染图像集。完成了三维基准模型的建立、反射特性文件的生成及物理渲染的光线追迹。由渲染图像真实度检验与地形三维建模实验,针对糸川小行星在特定观测时刻与位置的图像进行闭环模拟观测验证。实验结果表明,通过匹配重建模型的二维投影地形图,图像灰度值配准的平均均方根误差为0.1785,对应小天体地表0.0628 m左右的海拔高差。该渲染观测方法能够有效服务于小天体地形模型重建与相对导航闭环分析环境的搭建。此外,为满足在轨快速解算需求,提出了归一化光谱与灰度响应的快速转化方法,在精度不变的情况下,解算时间为3.48 s,由数小时缩短至秒级。

关键词：小天体空间光场物理渲染数字地形模型观测平台

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基于物理模型的空间目标场景成像仿真

基于物理模型的空间目标场景成像仿真

作者：郭彪哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

空间目标光学测量技术是构建未来空间态势感知体系、保障空间攻防快速有效实施的重要支撑技术。在相关测量系统研制过程中,需要大量图像样本数据进行测试,而空间成像情况复杂多变,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... 详细信息

空间目标光学测量技术是构建未来空间态势感知体系、保障空间攻防快速有效实施的重要支撑技术。在相关测量系统研制过程中,需要大量图像样本数据进行测试,而空间成像情况复杂多变,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。目前,空间目标场景成像仿真技术是解决该问题的有效手段。本文以测量相机地面半实物仿真测试的图像需求为应用背景,立足于成像模型与仿真应用,对空间目标场景光学特性与成像仿真方法开展了深入的研究。论文的研究工作从以下三个方面开展:(1)在总体技术研究方面,阐述了测量相机半实物仿真测试的系统组成、工作原理与具体需求,开展了成像仿真系统设计工作,主要包括:成像仿真模块设计、数据通信模块设计、系统控制模块设计等,其中成像仿真模块根据实际观测差异与图像需求情况,分别开展了空间目标与临边观测场景成像仿真设计工作。(2)在空间目标成像仿真方面,提出了复杂目标几何结构与光学特性离散化模型,将复杂的目标特性计算问题转换成简单平面特性计算问题。基于蒙特卡洛方法与路径追迹思想,解决了光线碰撞检测、辐射传输积分问题,建立了复杂目标场景的辐射传输方程。通过实验分析,得出了仿真图像符合理论计算与实验测量结果的结论。(3)在临边观测场景成像仿真方面,通过实测图像分析了临边背景辐射统计特征,建立了临边背景辐射模型,解决了临边背景辐射计算问题。并且基于临边背景的分布特点,提出一种临边背景图像的快速仿真方法,仿真结果表明了仿真图像与实测图像各方面保持较高一致性。

关键词：成像仿真物理渲染路径追迹辐射解算临边观测空间目标

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基于Perlin噪声的花卉仿真方法

深圳大学学报（理工版） 2019年第4期36卷 460-466页

作者：王志强张志伟杨海泉深圳大学计算机与软件学院

花卉植物具有复杂的形态结构和生理特性,传统的欧式几何难以表现其几何造型.为满足花卉建模的高效性和真实感,提出一种基于Perlin噪声的花卉仿真方法.通过Catmull-Rom样条曲线绘制叶片和花瓣的草图轮廓,利用二维Perlin噪声生成草图的深... 详细信息

花卉植物具有复杂的形态结构和生理特性,传统的欧式几何难以表现其几何造型.为满足花卉建模的高效性和真实感,提出一种基于Perlin噪声的花卉仿真方法.通过Catmull-Rom样条曲线绘制叶片和花瓣的草图轮廓,利用二维Perlin噪声生成草图的深度值,用噪声x轴和y轴缩放参数控制叶片和花瓣的卷曲程度,实现了通用、高效的片状器官三维重建.同时,采用Vogel模型构建花卉的形态结构,引入基于双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function,BRDF)的物理光照渲染真实感.与分形几何、Bézier曲面的对比分析结果表明,该方法在绘制草图时使用控制点少、建模效率高,且花卉模型仿真度高,渲染光照真实感强.

关键词：计算机仿真 Catmull-Rom样条 Perlin噪声 Vogel模型物理渲染花卉仿真

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空间目标多光谱成像仿真

计算机仿真 2023年第8期40卷 36-40,397页

作者：狄荣育马晓珊李广运彭晓东中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学北京100049 中国科学院大学国科大杭州高等研究院浙江杭州310024 中国兵器科学研究院北京100089

空间目标成像仿真在空间操作、空间探测等领域具有重要意义,利用开源软件进行光学成像仿真可以有效的缩短开发周期。法利用基于物理的渲染系统PBRT,在引入材质光谱特性和光学相机光谱响应特性的基础上,通过修改从光谱到输出的转换方式... 详细信息

空间目标成像仿真在空间操作、空间探测等领域具有重要意义,利用开源软件进行光学成像仿真可以有效的缩短开发周期。法利用基于物理的渲染系统PBRT,在引入材质光谱特性和光学相机光谱响应特性的基础上,通过修改从光谱到输出的转换方式和辐亮度值的存储方式,实现多光谱成像仿真并提升仿真效率。构建了以近地卫星为观测目标的成像场景,分别采用CIE标准色度系统和高分二号相机参数,开展了成像仿真,获得了彩色和多光谱仿真图像,以及全色仿真图像序列,能够为面向空间操作的各类图像处理算法研究提供模拟图像源。

关键词：空间目标成像仿真多光谱物理渲染

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基于Perlin噪声的花卉仿真算法研究

基于Perlin噪声的花卉仿真算法研究

作者：张志伟深圳大学

学位级别：硕士

植物仿真是计算机图形学和三维动画技术的研究热点之一,在计算机视觉、计算机游戏和虚拟现实等领域都发挥着重要作用。花卉仿真作为植物仿真的重要分支,是三维虚拟景物仿真中不可或缺的部分,被广泛应用于可视化技术、农林研究、计算机... 详细信息

植物仿真是计算机图形学和三维动画技术的研究热点之一,在计算机视觉、计算机游戏和虚拟现实等领域都发挥着重要作用。花卉仿真作为植物仿真的重要分支,是三维虚拟景物仿真中不可或缺的部分,被广泛应用于可视化技术、农林研究、计算机游戏和影视制作等领域。但是,花卉组织器官精细且不规则,几何和形态结构复杂性高,使得花卉建模繁琐和费时。同时,花卉基于物理模型拟合真实光照也是研究难点。为满足高效且仿真度高的花卉建模,本文研究了虚拟花卉仿真相关问题,使用基于几何的方法对三维花卉进行重构。考虑到花卉在虚拟场景的渲染效果,应用改进的物理光照增强绘制真实感,进一步探讨了虚拟3D花卉的几何建模和真实感渲染方法。对于虚拟花卉的几何建模,首先利用Catmull-Rom样条曲线绘制草图,通过二维Perlin噪声生成深度值,引入噪声XY轴缩放参数控制花瓣和叶片的卷曲程度,提出了一种基于Perlin噪声的片状器官建模算法。然后使用随机扰动函数实现了花茎的快速建模,运用细柱体和椭球体拟合花蕊。最后采用基于Vogel模型的数学方程式重组花瓣的空间位置结构,完成花卉形态结构的构建。在花朵和植株的真实感渲染中,结合花卉器官的半透明特点,提出融合BSDF模型的花卉渲染算法,从漫反射、高光反射和透射项较好地模拟光学现象。并引入基于Ops2的高光反射项替代主流虚拟引擎的Cook-Torrance模型,减少了光照渲染的计算复杂度。本文构建玫瑰花、康乃馨、郁金香、三色堇和波斯菊等虚拟花卉形态模型,实现了基于物理规律的真实感渲染,并通过调整参数生成不同生长时期的花卉。与分形几何、Bézier曲面生成的花卉进行对比分析,表明本文研究方法在绘制草图时使用控制点少、建模高效,且构建的虚拟三维花卉模型仿真度高,渲染光照真实感强。

关键词：计算机仿真 Catmull-Rom样条 Perlin噪声 Vogel模型物理渲染花卉仿真

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空间目标导航相机数字成像模拟源的研制

空间目标导航相机数字成像模拟源的研制

作者：顾业欣哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在实际研制空间目标视觉导航系统前,需要对导航相机进行地面仿真测试。空间目标导航相机成像数据源能够为测试提供图像输入。由于实际观测图像很难取得,论文以计算机图像技术为核心,开展空间目标导航相机数字成像模拟源的研制工作,通过... 详细信息

在实际研制空间目标视觉导航系统前,需要对导航相机进行地面仿真测试。空间目标导航相机成像数据源能够为测试提供图像输入。由于实际观测图像很难取得,论文以计算机图像技术为核心,开展空间目标导航相机数字成像模拟源的研制工作,通过仿真的方法获得目标观测图像。论文从空间目标成像模拟的应用场景出发,对能够仿真生成导航相机对空间目标的观测图像的数字成像模拟源的设计开展了深入的研究。论文基于光线追踪法建立了导航场景,设计了成像计算流程,进行了目标几何与光学特征的一体化建模,最后基于QT框架和Opti X引擎设计开发了数字成像软件。论文工作主要从以下四个方面展开:首先从空间目标导航场景建模开始入手,为成像仿真工作奠定基础。基于光线追踪法建立了空间目标几何成像模型以对空间目标进行定位,随后建立了空间目标辐射成像模型以对场景中的光照进行辐射学定量分析。论文最后根据几何与辐射的成像模型设计了空间目标成像仿真的计算方法。其次在空间目标光学特性建模方面进行了研究。提出了空间目标几何特征和材质光学特征的一体化建模方法。对于几何外观特征,提出了组件分割建模、三角面元划分、三角网格输出的建模方法。对于材质光学特征,针对漫反射表面和高光表面考察了一些材质光学模型,并就其优缺点和参数选择进行了讨论。接着,基于Opti X引擎,完成了成像仿真模块的开发。对所研制数字成像模拟源的核心演算模块设计了总体方案,并就其核心CUDA程序和CPU端程序进行了设计。对成像仿真模块进行了测试,验证了成像结果的正确性。最后,将所开发的成像仿真模块进行了集成,研制了空间目标导航相机数字模拟源。对数字成像模拟源进行了软件总体设计,接着设计了成像模拟源的数据通讯模块、系统控制模块、数据管理模块等功能模块,最后对所设计成像模拟源的仿真质量和速度进行了测试,以验证其能够完成在地面半实物仿真测试过程中实时提供图像数据的任务。

关键词：空间目标光线追踪成像仿真物理渲染

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基于深度学习的玻璃检测和反射去除算法研究

基于深度学习的玻璃检测和反射去除算法研究

作者：李贺龙江南大学

学位级别：硕士

玻璃在生活中无处不在,给人们带来便利的同时,也造成了一些不好的影响。例如透过玻璃拍摄的照片会被反射污染,影响了图片的观感并且降低了后续计算机视觉应用的性能;玻璃材质由于其透明的特性,同样会干扰一些智能机器人的视觉判断,导致... 详细信息

玻璃在生活中无处不在,给人们带来便利的同时,也造成了一些不好的影响。例如透过玻璃拍摄的照片会被反射污染,影响了图片的观感并且降低了后续计算机视觉应用的性能;玻璃材质由于其透明的特性,同样会干扰一些智能机器人的视觉判断,导致机器人和玻璃发生碰撞。因此,反射去除和玻璃检测具有很重要的研究价值。当前的反射去除和玻璃检测面临着许多挑战。现有的反射去除算法普遍没有探索反射特征,这可能会导致不能准确地检测并去除反射;此外,缺少大量的真实世界数据也限制了反射去除在真实世界的泛化性。现有的玻璃检测算法普遍依赖单张图像,这限制了检测的准确率;玻璃区域的真值也存在标注不准确的问题。针对上述问题,本文提出了一种基于物理渲染的虚拟世界玻璃场景数据生成方法,还提出了一种基于多尺度反射检测的单张图像反射去除算法和一种基于可见光与近红外图像对的玻璃检测算法。主要内容包括:(1)针对现有的反射去除真实场景数据不足和玻璃检测数据的真值标注不准确的问题,提出了一种基于物理渲染的虚拟世界玻璃场景数据生成方法。相比于现有的反射去除训练数据合成方法,所提出的数据生成方法能够考虑光照、玻璃厚度和拍摄角度等因素,生成大量更接近真实世界的反射去除数据。此外,该方法生成的玻璃检测数据无需人工标注即可获得准确的玻璃真值,大大提高了采集数据的效率。(2)依据玻璃表面上的反射通常具有不同的大小这一现象,本文提出了一种基于多尺度反射检测的单张图像反射去除算法。该算法有三个主要模块。首先是两个并行的特征提取模块,从输入的反射混合图像中分别提取反射特征和透射特征。然后,本文提出了一种多尺度反射感知透射恢复模块,通过不同的空洞卷积层去检测不同尺度的反射,再利用反向注意力机制恢复被反射覆盖的透射层。实验结果表明,所提反射去除算法可以有效地去除图像中的反射,并优于先进的方法。(3)近红外(Near-Infrared,NIR)图像中的玻璃反射会被抑制,根据这一发现,本文提出了一种基于可见光与近红外图像对的玻璃检测算法。所提玻璃检测算法将RGB图像和NIR图像作为输入。首先,采用两个独立的Transformer编码器分别提取RGB特征和NIR特征。然后,提出了一个新颖的多模态上下文对比模块,通过比较RGB和NIR图像中的反射差异去检测玻璃。最后通过渐进解码器恢复玻璃检测结果。此外,本文还构建了一个新的RGB-NIR玻璃检测数据集。大量的实验结果表明所提算法能够准确地检测到不同场景下的玻璃,同时也证明了近红外图像是玻璃检测的有力线索。

关键词：反射去除玻璃检测物理渲染图像恢复深度学习

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空间目标场景成像仿真方法研究

空间目标场景成像仿真方法研究

作者：付一鸣哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

空间目标光电探测系统为空间态势感知提供数据来源，对保障空间安全具有重要意义。在光电探测系统的研制过程中，需要大量图像数据支持探测系统分析、论证、设计、试验与评估全寿命周期数字化工作的开展。由于现有技术无法获取空间目标... 详细信息

空间目标光电探测系统为空间态势感知提供数据来源，对保障空间安全具有重要意义。在光电探测系统的研制过程中，需要大量图像数据支持探测系统分析、论证、设计、试验与评估全寿命周期数字化工作的开展。由于现有技术无法获取空间目标真实场景图像，因此开展空间目标场景成像仿真技术的研究具有重要意义。　　本文以空间目标光电探测系统研制过程中的仿真图像需求为背景，对物理成像与神经辐射场成像仿真两种方法进行深入研究，形成了两种方法的目标场景建模与辐射传输解算方法。论文的主要研究工作如下：　　在成像仿真基础模型与算法研究方面，将光线追迹算法与辐射传输模型相结合，建立物理成像仿真基础模型及其算法流程。使用神经辐射场隐式表达模型，建立了神经辐射场成像仿真基础模型及其算法流程。　　在物理成像仿真方法研究方面，基于物理成像仿真基础模型和算法流程，建立了蒙皮与尾焰两类目标的几何结构与辐射特性模型，给出了几何结构与辐射特性一体化建模方法。采用蒙特卡洛与路径追迹算法，形成了辐射传输模型的解算方法。在实验室中对空间目标的实物缩比模型进行测量成像，在不同方位观测条件下，仿真计算辐照度与实验测量辐照度的相对偏差小于7%，平均相对偏差小于3%。　　在神经辐射场成像仿真方法研究方面，基于神经辐射场成像仿真基础模型和算法流程，使用具有位置编码的神经网络模型对目标场景进行建模，建立了神经辐射场的辐射传输计算方法、神经网络参数优化方法、标准化设备坐标系下的光线方程及分级采样方法，形成了基础神经辐射场仿真方法，仿真实验结果表明基础神经辐射场仿真图像渲染质量整体上优于SRN与LLFF方法。对基础神经辐射场仿真方法使用抗锯齿与全空间神经辐射场仿真方法进行改进，形成了改进型神经辐射场成像仿真方法，仿真实验结果表明改进型神经辐射场方法优于基础神经辐射场方法。

关键词：空间目标成像仿真光线追迹物理渲染神经辐射场辐射解算

基于PBRT渲染器的空间伴飞目标多光谱成像仿真

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基于PBRT渲染器的空间伴飞目标多光谱成像仿真

作者：狄荣育中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

学位级别：硕士

人类空间活动的开展促使空间操作、空间探测等相关技术快速发展。作为空间操作的重要类型,伴飞任务对空间目标成像仿真提出了迫切的需求。空间目标成像仿真是涉及到多学科多技术领域的复杂系统仿真问题,国内外的研究人员基于Open GL、... 详细信息

人类空间活动的开展促使空间操作、空间探测等相关技术快速发展。作为空间操作的重要类型,伴飞任务对空间目标成像仿真提出了迫切的需求。空间目标成像仿真是涉及到多学科多技术领域的复杂系统仿真问题,国内外的研究人员基于Open GL、光线追踪等方法研发了多种仿真系统。其中基于高效光线追踪算法的PBRT渲染器支持遥感物理模型的接入,在保证仿真精度的同时,提高了仿真效率,降低了开发成本,在空间目标成像仿真方面具有很强的应用潜力。本文以伴飞任务对空间目标成像的需求为应用背景,基于PBRT渲染器开展空间伴飞目标多光谱成像仿真技术研究,在构建空间目标场景的基础上,针对PBRT基于色度系统的仿真图像与空间光学/多光谱相机输出结果不一致的问题,提出了基于探测器光谱响应的多光谱成像仿真方法,研发了空间伴飞目标成像仿真系统,开展了仿真结果验证与分析。论文的主要研究工作包括以下三个内容:(1)完成了空间目标场景构建。目标和光源为空间场景的主要客观构成。通过几何特征与光学特性联合建模构建满足光学谱段观测需求的空间目标模型;建立以太阳为主的光源模型;明确了场景坐标系统和观测坐标系统并完成了各坐标系的转换,能够准确表征空间中目标、光源和观测相机的位置关系。(2)提出了基于探测器光谱响应的空间目标多光谱成像仿真方法。在PBRT渲染器成像仿真流程的基础上,引入材质光谱特性和光学相机光谱响应特性,修改基于人眼色度系统的输出方式,构建基于探测器光谱响应的输出模型,从而基于PBRT渲染器实现了多光谱成像仿真。在此基础上针对空间中可能发生的特殊成像效应,建立了相机特殊效应模型,可得到更加真实的仿真效果。(3)开发了空间伴飞目标成像仿真系统。设计了仿真模块、仿真流程及系统界面,并通过配置仿真参数进行了多组实验,分别得到了不同相机参数、不同图像合成方法及基于轨道参数的仿真图像序列,验证了该系统的仿真能力。同时通过修改辐亮度值的存储方式及图像输出方式,提高了仿真效率。基于真实空间伴飞任务中获取的光学相机实拍图像,开展仿真图像与卫星图像的一致性定量评估,分别得到95.78%的辐射一致性、97.54%的分辨率相似度、96.93%的几何畸变相似度,验证了仿真结果的有效性及准确性。上述研究工作可以为伴飞等空间操作任务中目标识别等图像处理算法提供模拟图像源,为空间成像系统优化设计和论证评估提供技术支撑。

关键词：空间目标成像仿真多光谱物理渲染 PBRT