[发明专利]水下对空成像全链路仿真方法在审

专利信息
申请号: 202111496960.8 申请日: 2021-12-09
公开(公告)号: CN114357721A 公开(公告)日: 2022-04-15
发明(设计)人: 张瑞文;李阳阳;许东阳;李忠 申请(专利权)人: 武汉华中天纬测控有限公司
主分类号: G06F30/20 分类号: G06F30/20
代理公司: 武汉凌达知识产权事务所(特殊普通合伙) 42221 代理人: 刘念涛
地址: 430299 湖北省武*** 国省代码: 湖北;42
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摘要:
搜索关键词: 水下 成像 全链路 仿真 方法
【权利要求书】:

1.水下对空成像全链路仿真方法,其特征在于:基于场景仿真模块(1)、海浪仿真模块(2)、相机仿真模块(3)和光线追踪模块(4)构成的仿真模块系统,包括如下步骤:

以水下光学系统光心为原点建立三维直角坐标系作为坐标系1,将水下相机的图像坐标系作为坐标系2,在光心正上方水面处为原点的海平面上建立二维海平面坐标系作为坐标系3,在光心正上方水面处为原点建立海面上半球空间地平坐标系作为坐标系4;

场景仿真模块(1)根据输入的场景参数,采用CIE天空亮度模型生成仿真高动态范围天空全景图;

海浪仿真模块(2)根据输入的海浪参数,采用Gerstner海浪参数模型生成海面法线图;

将高动态范围天空全景图定义在坐标系4上作为仿真的水面场景,将海面法线图平铺在海平面上的坐标系3上;

相机仿真模块(3)根据输入的相机参数生成水下观察向量场,光线追踪模块(4)先根据场景仿真模块(1)、海浪仿真模块(2)和相机仿真模块(3)的输入通过光线追踪计算每个观察向量对应的天空亮度值:采用光线追踪的方法把坐标系2中的像素映射到坐标系3上,以海浪仿真结果得到成像路径上折射点的单位法向量,根据Snell定律在坐标系1中建立空气中观察视线、水下观察视线与水面法线三者的向量方程,求解出空中目标点的方位角和天顶角,得到坐标系2中的像素在坐标系4上的坐标,将图像坐标转换为高动态范围天空全景图上的坐标,通过Fresnel方程推导出水空介面的折射透过率,对天空亮度进行亮度拉伸变换,最后生成仿真图形。

2.根据权利要求1所述的水下对空成像全链路仿真方法,其特征在于,所述的场景仿真模块(1)通过如下方式建立:

采用CIE天空亮度模型,令太阳的天顶角方位角分别为θs,根据天顶角和方位角分别为θ,的给定计算点,计算天空亮度:

其中,参数a,b,c,d,e是CIE天空亮度模型中定义天空种类的固定参数,Lz是天顶亮度,δ是计算点与太阳之间的最短角距离,其计算方法如下:

在θ∈[0°,90°),范围内均匀抽样,计算出天空亮度全景图。

3.根据权利要求1所述的水下对空成像全链路仿真方法,其特征在于,所述的海浪仿真模块(2)通过如下方式建立:

建立海浪方向谱模型,将多个不同角频率和海浪方向的分量叠加作为海面,将角频率ωm在[ωmin,ωmax]范围内均分为M个采样宽度为Δω的分量,海浪的方向θn均分为N个采样宽度为Δθ的分量,海面坐标位置(u,v)上时刻t时海面的高度通过如下公式表示:

其中,ωm是角频率,海面波浪的方向θn∈[0,2π),φmn∈[0,2π)是均匀分布的随机相位,振幅amn由J0NSWAP海浪谱S(ω)和色散关系式D(ω,θ)计算:

JONSWAP海浪谱S(ω)由如下公式计算:

其中,γ是峰值增强因数,U10表示海面上方10m处的风速,g代表重力加速度,F是取风长度,ωp是JONSWAP谱的峰值频率,计算公式如下:

色散关系式D(ω,θ)的计算公式如下:

其中,θw是海浪谱的主方向,θ是偏离主方向的角度,Γ(·)表示伽马函数,其他参数计算方法如下

通过对海面高度图计算梯度,并归一化得到海面法线图:

4.根据权利要求3所述的水下对空成像全链路仿真方法,其特征在于,所述的相机仿真模块(3)通过如下方式建立:

把图像坐标系下的像素坐标(x,y)转换为三维直角坐标系下的观察向量(X,Y,Z):令图像坐标系上的靶面中心为(xH,yH),相机姿态用天顶角θ0和方位角表示,则视线向量计算方法如下:

5.根据权利要求4所述的水下对空成像全链路仿真方法,其特征在于,所述的光线追踪模块(4)通过如下方式建立:

计算每个视线向量对应在海面上的坐标点,并用Snell公式计算折射光线向量再联立在天空全景图中的天顶角方位角坐标,求解图像像素坐标到天空全景坐标的变换;

令水平面在相机上方h处,在相机正上方水面点S(0,0,h),成像光路上的折射点为PS(u,v,h),同时该点在海平面坐标系中的坐标为(u,v),视线向量与海平面相交于点PS

结合相机模型,将图像坐标系上的一个像素点(x,y)由视线向量对应到海平面坐标系上的点(u,v),在输入的海面法线图中查询到该点此时刻的海面法向量

Snell定律的向量形式如下:

其中,和分别表示水面和水下的视线向量,而空中的视线向量可与高动态范围天空全景图中的坐标分量表示:

θ和分别是天空全景图的图像坐标系下的天顶角和方位角;

求解每个水下观察向量对应的天空全景图坐标

最后计算每个水下观察向量上折射造成的亮度衰减,根据辐亮度的n2定律和Fresnel公式,亮度衰减计算方法如下:

其中,Li代表入射水面前的亮度,Ls代表传感器上探测到的亮度,θi和θt分别是入射角和折射角,其与水下观察向量与海面法线有如下关系:

再根据Snell定律计算:

联合以上三个公式计算出每个观察向量的亮度衰减值Ls/Li,再对生成的图像进行逐像素亮度拉伸变换,得到最终仿真图像。

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