一种空间目标成像仿真面元消隐方法与流程

本发明涉及空间目标成像仿真面元消隐方法，属于目标成像仿真技术领域。

背景技术：

空间目标成像仿真时，通常对目标表面用微小的三角/四角面元进行划分，分别判断每一片面元反射的太阳光能量在成像焦平面上的分布情况，从而得到基于辐射传输的目标仿真图像。在这一过程中，需要判断所有微面元对太阳光源和相机的可见性，从而去除遮挡面元对成像的影响。

一般判断面元遮挡方法是将目标所有的面元相互遍历一遍，该方法计算准确，但运算量大。空间目标表面由于结构复杂，表面粗糙起伏，为了更准确的逼近空间表面的真实起伏情况，网格划分越细越好(微面元数量在数十万以上)，但是随之也带了计算量的剧烈增加，导致时间消耗难以满足要求，从而难以实现高精度、高效率的空间目标仿真成像。

目前已有人提出基于面元分组的遮挡判断方法计算复杂目标的雷达散射截面，该方法在投影面上划分均匀的网格对面元进行分组，组内的网格两两进行遮挡判断，但是有些面元因其在网格的边缘甚至被网格割断，导致对这部分面元的遮挡判断存在误差。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决在大量微面元条件下采用所有面元互相遍历方法判断面元遮挡的方法存在时间长、效率低的问题。

本发明所述的一种空间目标成像仿真面元消隐方法，包括以下步骤：

步骤一、针对空间目标三维模型，以三维微面元网格划分得到个网格顶点和中心在世界坐标系中的坐标；

判断面元对太阳光源可见性；即将所有微面元顶点和中心沿太阳光线方向平行投影到垂直光轴的投影平面，该投影平面记为第一投影平面；

步骤二、以第一投影平面上的各面元中心点为中心，基于k近邻算法找出其周围距离最近的m个面元；

步骤三、在世界坐标系中，判断各面元和基于k近邻算法找到的对应m个面元沿太阳光线方向遮挡关系，若该面元被m个面元中的任一面元遮挡，则将该面元置为太阳不可见面元，反之为太阳可见面元；

步骤四、对空间目标的所有面元重复步骤二和步骤三，得到空间目标对太阳光源可见的所有面元；

步骤五、判断面元对相机可见性；即将所有微面元顶点和中心沿相机光轴方向透视投影到与光轴垂直的投影平面，该投影平面记为第二投影平面；

步骤六、以第二投影平面上的各面元中心点为中心，基于k近邻算法找出其周围距离最近的m个面元；

步骤七、在世界坐标系中，判断各面元和基于k近邻算法找到的对应m个面元沿相机光轴方向的遮挡关系，若该面元被m个面元中的任一面元遮挡，则将该面元置为相机不可见面元，反之为相机可见面元；

步骤八、对空间目标的所有面元重复步骤六和步骤七，得到空间目标对相机可见的所有面元；

步骤九、将步骤四得到的对太阳光源可见的面元和步骤八得到的对相机可见的面元求交集，即得到所有对太阳光源和相机都可见的面元集合。

本发明所述的一种空间目标成像仿真面元消隐方法，包括面元对太阳光源消隐部分和对相机消隐部分。面元对太阳光源消隐部分是指判断空间目标表面各微面元是否能接受太阳光照，面元对相机消隐部分是指判断空间目标各微面元对相机可见性。

本发明改进了空间目标成像仿真时面元遮挡判断方法，实现大量微面元条件下面元的高精度快速遮挡判断。本发明明显减少了空间目标仿真时面元遮挡的次数，从而减少了时间消耗，实现了高速的面元遮挡判断。

附图说明

图1是一种基于投影变换和k近邻算法的空间目标成像仿真面元消隐方法的原理图；

图2(a)为1m立方体目标模型；图2(b)为仿真成像结果。

具体实施方式

具体实施方式一，结合图1说明本实施方式。

本实施方式所述的一种空间目标成像仿真面元消隐方法，方法包括以下步骤：

步骤一、判断面元对太阳光源可见性。假定空间目标在世界坐标系中，以三角面元为例，空间目标的第n个网格的三个顶点在世界坐标系中的坐标为pn1(xn1,yn1,zn1)、pn2(xn2,yn2,zn2)和pn3(xn3,yn3,zn3)，面元的中心点坐标为cn(xn,yn,zn)。

世界坐标系下太阳光线方向为s＝(xs,ys,zs)，将pn1、pn2、pn3和cn沿太阳光线方向平行投影到垂直光轴的投影平面，即第一投影平面，第一投影平面上的坐标分别为p′n1、p′n2、p′n3和c′n。投影前后坐标关系为：

式中rsun为平行投影矩阵，形式如下式所示。

式中

步骤二、以第一投影平面上的面元中心点c'n为中心，基于k近邻算法找出其周围距离最近的m个面元{c'n1,c'n2,...c'nm}。

步骤三、在世界坐标系中，假定有两个三角微面元，沿太阳光线方向面元a被另一面元b遮挡的条件为：面元b的中心与太阳的连线与面元a有交点，且面元a和太阳分别在面元b的两侧。判断在太阳光线方向面元cn与{cn1,cn2,...cnm}面元的遮挡关系，若该面元被m个面元中的任一面元遮挡，则将该面元置为太阳不可见面元，反之为太阳可见面元。

步骤四、对空间目标的所有面元重复步骤二和步骤三，得到空间目标对太阳光源可见的所有面元。

步骤五、判断面元对相机可见性。假设相机为针孔成像模型，相机光轴方向为o＝(xo,yo,zo)，将pn1、pn2、pn3和cn沿光轴方向透视投影到与光轴垂直的投影平面，即第二投影平面，第二投影平面上的坐标分别为p″n1、p″n2、p″n3和c″n。投影前后坐标关系为：

式中rcamera为透视投影矩阵，形式如下式所示。

式中

步骤六、以投影平面2上的面元中心点c″n为中心，基于k近邻算法找出其周围距离最近的m个面元{c″n1,c″n2,...c″nm}。

步骤七、在世界坐标系中，假定有两个三角微面元，沿相机光轴方向面元a被另一面元b遮挡的条件为：面元b的中心与相机的连线与面元a有交点，且面元a和相机分别在面元b的两侧。判断在相机光轴方向面元cn与{cn1,cn2,...cnm}面元的遮挡关系，若该面元被m个面元中的任一面元遮挡，则将该面元置为相机不可见面元，反之为相机可见面元。

步骤八、对空间目标的所有面元重复步骤六和步骤七，得到空间目标对相机可见的所有面元。

步骤九、将步骤四得到的对太阳光源可见的面元和步骤八得到的对相机可见的面元求交集，即得到所有对太阳光源和相机都可见的面元集合。

空间目标面元划分总数为n的情况下，基于所有目标面元相互遍历的遮挡判断方法需要判断的遮挡次数为n×(n-1)；根据本发明所提方法，在投影平面上对每一个面元基于k近邻算法找出距离该面元最近的m(m<<n)个面元，那么本发明所提方法需要判断面元相对遮挡的次数为n×m次，可以大大减少计算量，提高计算效率。如取n＝10⁶，m＝100，那么所有目标面元相互遍历的遮挡判断方法，面元相对遮挡判断的次数约为10¹²次；本发明所提方法，面元相对遮挡判断的次数为10⁸次，计算量降低为原来的1/10000。

实施例

按照具体实施方式进行仿真实验，以图2(a)所示空间目标为例，面元划分约为4.89×10⁵个，取m＝40，那么基于所有目标面元相互遍历的遮挡判断方法，时间消耗约为80小时；本发明所提方法时间消耗约为5秒。图2(b)为利用本发明对图2(a)仿真成像的结果。