[发明专利]水下对空成像全链路仿真方法

说明书

本发明公开了水下对空成像全链路仿真方法，基于场景仿真模块、海浪仿真模块、相机仿真模块和光线追踪模块构成的仿真模块系统，场景仿真模块根据输入的场景参数生成高动态范围海空全景图，海浪仿真模块根据输入的海浪参数生成海浪法线图，相机仿真模块根据输入的相机参数生成水下观察向量场，光线追踪模块先根据场景仿真模块、海浪仿真模块和相机仿真模块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，然后计算水面折射对亮度的影响，最后生成仿真图形；本发明仿真方法可实现水下对空成像建模与随机海浪扰动下的水面目标智能探测。

技术领域

本发明属于水下对空成像技术领域，具体涉及水下对空成像全链路仿真方法，通过对水下对空成像系统进行建模，实现水下对空成像效果的仿真。

背景技术

水下对空成像采用水下相机对空中和水面的目标进行跨介质成像探测。针对该成像方式设计的成像系统需要把相机和目标之间的水体当成光学系统的一部分，随机海浪对成像的影响巨大而不可控，给水下对空成像系统及其图像处理算法的设计带来了很大的困难。为此，在设计水下对空成像系统之前做仿真研究是必要的。

水下对空成像实验样机的制造成本高，样机的开发周期长，新型的成像技术和图像处理算法在应用到样机之前得不到充分验证。目前公开的测试及试验方法往往采用在水箱、船池以及内地湖泊上进行，而无法直接反映出海上真实环境下的状态。

水下对空成像全链路仿真是将水下对空成像的物理模型通过数值方法实现出来，从而获得不同海空背景不同海况下的水下对空图像数据。依据相机的技术参数，分析成像系统在水下对空成像应用中的成像效果，给水下对空成像系统的设计和优化提供方向。

发明内容

针对现有技术的上述改进需求，本发明提供一种水下对空成像全链路仿真方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：水下对空成像全链路仿真方法，基于场景仿真模块、海浪仿真模块、相机仿真模块和光线追踪模块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(或天顶角-方位角坐标系)作为坐标系4；

场景仿真模块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；

相机仿真模块根据输入的相机参数生成水下观察向量场，光线追踪模块先根据场景仿真模块、海浪仿真模块和相机仿真模块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中的像素首先映射到坐标系3上，以海浪仿真结果可得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，即得到坐标系2中的像素在坐标系4上的坐标，从而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，从而对天空亮度进行亮度拉伸变换，通过计算水面折射对亮度的影响，最后生成仿真图形。

进一步，所述的场景仿真模块(1)通过如下方式建立：

场景仿真模块采用CIE天空亮度模型，假设太阳的天顶角方位角分别为θ_s，对于天顶角和方位角分别为θ，的给定计算点，天空亮度计算方法如下：