基于光线跟踪的水下复杂目标激光扫描点云仿真方法

技术领域

本发明属于计算机仿真技术领域，涉及水下目标激光雷达三维点云仿真方法，具体基于水中Mont-Carlo随机光散射算法和光线跟踪算法实现，从一定程度解决了目标边界区域激光后向散射回波信号和复杂目标边界效应引起的多重散射等问题，可用于水下目标的激光雷达散射特性仿真分析。

背景技术

随着激光技术的进步，激光雷达技术不仅在空中导弹制导、目标探测等领域快速发展和应用，其在水中作为水下机器人的视觉测量系统，对海洋资源进行探测开发、水中小目标进行准确辨识等，均发挥着重要作用。目前国内可应用于水下目标探测的机器人激光雷达视觉系统研制技术还不够成熟，常使用理论建模的方法，对激光雷达扫描场景进行预估。准确建立水下复杂目标激光雷达仿真方法，对于基于激光雷达的水下机器人视觉系统研制、水下目标三维重构均具有指导意义。

已有的目标激光散射模型大多针对于空中目标，如张建奇和黄曦基于GPU编程的方法，基于光线跟踪方法，利用目标3DMAX网格模型，实现了场景的激光雷达8位灰度图仿真。但模拟过程中没有过多地考虑激光光斑尺寸，使得在目标表面面型复杂区域成像效果与实际差异过大；对于多次散射问题没有给出实际建模过程。对于水下目标激光雷达仿真模型，马毅利用激光回波信号方程建立了水中目标激光雷达回波信号仿真模型；谭亚军利用Mont-Carlo随机散射理论，建立了水下目标激光回波信号仿真模型。但模型建立过程中没有考虑目标三维几何结构，难以实现激光雷达成像仿真。

发明内容

海洋环境为强散射体，激光在传输一定距离后，光斑尺度会得到一定的扩展，当光斑达到目标时，其尺度与小目标、特别是复杂目标表面尺度相近。当激光扫描至目标表面边界区域时，一方面激光不能完全照射表面，使得目标回波信号变弱；另一方面，经首次反射后的光，有可能在目标表面进行二次反射，使得被扫描点的回波信号延迟。以上两种因素，均会影响复杂目标表面三维点距离和强度的判别。本发明充分考虑了经水体散射后的光斑尺寸、复杂目标三维几何结构以及目标表面多次散射光影响，提高了水下目标激光散射仿真精度。

基于光线跟踪的水下复杂目标激光扫描点云仿真方法，对激光光线在水体中的传输、激光光线照射目标区域判别及反射光强度计算、光线再次在水体传输的整个物理过程进行仿真，得到到达探测器的所有光线参数；结合探测器相关参数，遍历所有扫描路径，得到扫描路径下目标的三维位置坐标和散射强度数据。本发明技术方案包括如下步骤：

1根据扫描激光束腰半径、发散角，随机生成N条光线，记录光线起始位置、传输方向矢量，并将每条光线的强度值设置为1；

2输入水体的吸收系数和散射系数，利用Mont-Carlo随机散射理论，对每条光线在水体中的传输过程进行仿真，当光线位置与目标距离小于单位衰减尺度时，记录光线光程、位置、传输方向矢量及其强度值等参数；

3目标表面散射光斑区域判断。导入目标表面三角形网格，对每一条光线遍历目标表面网格，求解判断每条光线与三角形网格的是否存在交点，若无则该光线参数暂时不变；若存在则记录该光线与目标交点坐标和面元索引，通过面元索引找到该面元的三个节点坐标，进而得到该面元的外法线矢量，进行下一步操作；

4遍历与目标相交的光线，依据与面元相交的光线位置、传输方向矢量及面元外法线矢量，得到光线入射角，结合改进型BRDF模型，利用Phong反射光线随机抽样方法，对反射光线进行随机抽样，得到所有光线在目标表面的散射角及其方位角，继而得到反射光线矢量，每次反射后光线强度要乘以该入射角下的半球反射率；

5继续遍历所有光线，按照3-4方法，重复多次，求解得到经过目标多次反射后，散射光线光程、位置、传输矢量以及强度等参数；

6按照第2步求解方法，得到散射光线再次经过水体散射后，到达接收视场的光线，统计到达探测器的光线强度和光程，得到单点激光照射目标后的回波信号，利用回波信号处理方法生成单点激光下，目标的距离和散射强度；

7重复1-6，利用回波信号处理得到的目标距离和强度参数，结合扫描路径参数，通过对所有被扫描点坐标和强度数据进行编码，得到PCL点云库可读的Point_XYZI类型的*.pcd格式目标点云数据。

附图说明

图1本发明实施方法流程图；

图2目标表面激光光斑散射区域判断结果样图；图2中包含入射光线方向和目标表面三角形网格面元，以及入射光线与目标表面交点。

具体实施方式

参照图1，本发明的具体实施过程如下：

1根据扫描激光束腰半径ω

2输入水体的吸收系数A和散射系数C，利用Mont-Carlo随机散射理论，对每条光线在水体中的传输过程进行仿真，当光线位置与目标距离小于单位衰减尺度时，记录经过水体散射后，所有光线的光程(L_1

3目标表面激光光斑散射区域判断，典型判断结果如图2所示

3a导入目标表面三角形网格文件，对每一条光线遍历目标网格，利用空间射线与三角形相交理论，判断该光线能否与面元相交，若相交可判断得到该光线与目标表面的最近交点，若不相交则传输矢量和传输位置暂时不变；

假定与目标相交光线为N1，则非相交光线空间参数为：光程(L_2

3b记录与目标相交的光线索引以及该光线与目标的交点坐标、交点所在的面元索引，通过面元索引找到该面元的三个节点坐标，进而得到该面元的外法线矢量(n

4根据改进型BRDF模型，计算散射光线传输相关参量

4a改进型BRDF模型，将目标表面BRDF分为镜反射和漫反射，表达式为：

其中，(F(n，k，β))＝ρ

4b根据光线传输矢量(tx_1，ty_1，tz_1)和面元法线矢量(n

对于任意反射角θ

4c采用类似Phong光照随机采样模型对反射角和反射方位角进行采样，首先设定随机数[u

当u

当k

反射光线强度为入射光线强度乘以该入射角下的半球反射率；

5求解目标表面多次反射后，光线参量空间

5a遍历所有与目标相交光线，通过反射角和反射天顶角随机采样结果，得到反射光线矢量和反射光线强度，而反射光线的光程及位置不变；

5b继续遍历与目标相交光线，按照(3)-(4)方法重复多次，得到多次反射后，散射光线参数；

最终得到含多次反射的散射光线空间参数为：光程(L_2

6将步骤3a得到的与目标不相交的光线空间参数和5中得到的与目标相交光线空间参数相加，作为回波信号传输的输入参量；再次利用2中Mont-Carlo水体散射理论，得到到达接收视场的所有光线参数。

统计到达探测器的光线强度和光程，得到单点激光照射目标后的回波信号，利用回波信号处理方法生成单点激光下，目标的距离和散射强度；

7重复1-6，利用回波信号处理得到的目标距离和强度参数，结合扫描路径参数，通过对所有被扫描点坐标和强度数据进行编码，得到PCL点云库可读的PointXYZI类型的*.pcd格式目标点云数据。