一种基于背景纹影成像的场景生成方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于背景纹影成像系统的场景生成方法，属于成像技术领域。

背景技术

背景纹影成像技术是一种很有发展潜力的流场可视化技术，是当前成像领域的研究热点之一，背景纹影成像技术正在向超音速、燃烧和等离子体等复杂流动领域的应用拓展，目前对于背景纹影系统，由于目标流场和环境流场对系统的影响尚未全面的分析清楚，需要设计研制产品并利用大量试验验证系统性能，对人力、物力、财力成本要求较高，且试验自身存在不确定性，误差的详细来源难以确定，难以直观对系统性能进行描述和表示。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种基于背景纹影成像的场景生成方法及系统，解决了现有背景纹影系统评估技术中存在的硬件成本高、实时性差以及生成场景灵活性不足的技术问题，本发明能够快速生成更加逼真的场景，对背景纹影成像系统的优化设计和研制具有更低的成本和更高的灵活性。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于背景纹影成像的场景生成方法，包括：

根据真实背景图像生成真实背景图像光场；

获取目标的外流场，将目标的外流场转化为折射率场；

将真实背景图像光场中的光线矢量进行穿越折射率场的光线追迹，将光线追迹后出射的光线矢量进行穿越背景纹影成像系统中的光学系统的再次光线追迹；

将再次光线追迹生成的光线矢量与背景纹影成像系统的探测器焦平面进行相交处理，得到各相交处的位置和强度信息；根据各相交处的位置和强度信息生成场景图像。

进一步的，根据真实背景图像生成真实背景图像光场的方法包括：

将真实背景图像进行逆卷积复原处理；

将逆卷积复原处理后所得图像的每个像元作为源点；

使光线从源点指向背景纹影成像系统中相机光学元件的入瞳中心点，各光线矢量组成真实背景图像光场，每条光线矢量均从真实背景图像中继承矢量信息和强度信息。

进一步的，获取目标的外流场的方法包括：

基于目标的飞行速度、高度以及外形特征构建目标仿真模型；

对目标的仿真模型进行网格划分；

根据网格划分后的目标仿真模型进行气动仿真，得到目标的外流场。

进一步的，根据Gladstone Dale常数，将目标的外流场转化为折射率场。

进一步的，将真实背景图像光场中的光线矢量进行穿越折射率场的光线追迹的方法包括：

根据真实背景图像光场中的光线矢量的初始位置和方向，得到光线矢量的下一位置和方向，根据该位置和方向，得到光线矢量的再下一位置和方向，重复上述步骤，直至得到穿越出折射率场后的光线矢量的位置和方向作为穿越折射率场后的光线矢量。

具体的，根据真实背景图像光场中的光线矢量进行光线追迹计算，通过将光线矢量初始点和初始方位输入光线追迹程序中，该程序利用Runge-Kutta法在折射率场中求解计算下一个位置点和方位，再求解出此位置点和方位循环带入Runge-Kutta公式中，直到得出最后穿越出折射率场后的最后一个的位置点和方位作为穿越折射率场后的光线矢量。

进一步的，将光线追迹后出射的光线矢量进行穿越背景纹影成像系统中光学系统的再次光线追迹时，将光线矢量输入光学系统的各光学元件处进行反射、折射或选择性透射计算；

反射和折射根据snell定律进行计算，选择性透射根据光线通断情况进行光计算。

进一步的，将再次光线追迹生成的光线与背景纹影成像系统的探测器进行相交处理，得到的各相交处的信息的方法包括：

基于线面相交原理对再次光线追迹生成的光线与背景纹影成像系统的探测器的相交过程进行仿真，得到各相交处的位置信息；

基于衍射原理对再次光线追迹生成的光线与背景纹影成像系统的探测器的相交过程进行仿真，得到各相交处的强度信息。

进一步的，根据各相交处的位置和强度生成场景图像的方法包括：

根据各相交处的位置和强度信息形成新图像中的各艾利斑；

根据每一艾利斑的相邻像元均会获取到能量的原则，通过映射方法将各艾利斑的强度按照位置和强度信息在各像元中的面积占比设定分配系数分配到相邻各像元中，最终合成新图像，即场景图像。

一种基于背景纹影成像的场景生成系统，包括光场生成模块、流场生成模块、光线追迹模块和图像合成模块；

光场生成模块用于根据真实背景图像生成真实背景图像光场；

流场生成模块用于获取目标的外流场，将目标的外流场转化为折射率场；

光线追迹模块用于将真实背景图像光场中的光线进行穿越折射率场的光线追迹，将光线追迹后出射的光线进行穿越背景纹影成像系统中光学系统的再次光线追迹；

图像合成模块用于将再次光线追迹生成的光线与背景纹影成像系统的探测器进行相交处理，得到各相交处的信息；根据各相交处的信息生成场景图像。

本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：

(1)本发明创造性的提出一种背景纹影成像系统的场景生成方法，通过基于物理的光线追迹技术和图像合成技术相结合，虚拟场景生成更快速，生成场景更逼真、提供流畅的视场体验；

(2)本发明具有更高的灵活性，能够适应不同的环境和目标需求，通过用户交互设计可以赋予用户自主控制虚拟场景的能力；

(3)本发明采用现代化的软件技术和基于物理的图像合成技术，相较于传统的硬件实现，降低了系统的成本。

附图说明

图1为本发明为本发明一种背景纹影成像系统的场景生成技术方法流程图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供一种基于背景纹影成像的场景生成方法，以真实背景图像进行逆卷积复原处理作为背景图像光场，以流场仿真并转化作为光学可分析的折射率场，将背景图像光场光线在流场中进行追迹，最终完成矢量相交和高真实感图像合成。本发明可用于对背景纹影成像系统进行直观的描述和评估，可以解决现有背景纹影系统评估技术中存在的硬件成本高、实时性差以及生成场景灵活性不足的问题。

一种基于背景纹影成像的场景生成系统，包括光场生成模块、流场生成模块、光线追迹模块、图像合成模块四个部分。

光场生成模块以真实背景图像作为光源，光线是流场中的源点连接指向相机光学元件上交点(入瞳中心点)所构成的向量。源点即为BOS系统当前拟成像的背景像素图案。光线矢量的起点对应于像素点的位置，其方向对应于将原点连接到相机镜头上的交点的单位矢量方向。理想情况下，数值仿真手段能够产生无限个源点到相机镜头位置交汇点构成的光线矢量。显然，增加光线的数量将扩大产生图像的动态范围和精度，但同时也增加了计算量。由于每个像素发出的光线经历的光传输路径的历程与实际真实背景穿越相同路径的历程存在不同，故需对图像仅去卷积处理以便更加逼近模拟真实仿真的链路。

流场生成模块是利用流体仿真分析方法，采用基于RANS流场的计算方法对目标的流场进行仿真，主要是根据空气动力学原理，对当前目标的飞行速度、高度以及外形特征进行流场网格划分、流场建模获取外流场的气动特征信息，根据Gladstone Dale常数，将流场转化为光学分析可用的折射率场。

光线追迹模块主要穿越流场的光线追迹和穿越光学系统的光线追迹。穿越流场的光线追迹是根据曲率和折射率值的离散化数值计算可以通过Runge-Kutta法求解计算，将光线通过变化密度的位置和方向信息可以通过局部域区间内折射率梯度更新方式进行计算，获取基于物理的光线追迹结束后的光线的出射位置和出射方向。穿越光学系统的光线追迹是通过当光线通过光学元件时，它们一般经历以下一种或多种情况：(1)反射(镜面)；(2)折射(透镜、窗口)和(3)选择性透射(孔)，通过snell定律和控制光线通断实现。

图像合成模块是根据光线与相机探测器的相交，利用线面相交问题来解决，将传感器面阵上的衍射点用艾里斑公式描述并在用高斯近似模拟，最终每个像元发出的光线进行追迹到达探测器上，形成一个艾利斑分布在新得到的图像中，新的图像相邻几个像元均会获取到能量，通过利用映射方法按照比例分配到各个像元中，最终合成得到整个图像。

实施例：

如图1所示，本发明一种背景纹影成像系统的场景生成方法，包括以下步骤；

S1、以真实背景图像作为光源，将图像进行逆卷积复原处理，对复原后的图像每个像元作为光源发出若干光线矢量，光线矢量是流场中的源点连接指向相机光学元件上交点所构成的向量，最终生成真实背景图像光场。

S2、流场生成模块以目标的飞行速度、高度以及外形特征进行建模输入和网格划分，通过仿真获取外流场的气动流场特征信息，根据Gladstone Dale定理，将流场转化为光学分析可用的折射率场。

S3、光线追迹模块主要对S1光场生成的光线矢量在S2中生成流场进行光线追迹，将穿越后的光线矢量再经历背景纹影成像光学系统进行光线追迹，光线追迹方法采用Runge-Kutta进行追迹求解计算，最终获取追迹后的光线矢量的出射位置和出射方向。

S4、图像合成模块是将S3中追迹结束后的光线矢量与背景纹影成像系统的探测器焦平面进行相交，利用线面相交问题来解决图像像元位置问题，利用传感器焦平面上的衍射点用艾里斑公式描述并在用高斯近似模拟的方式解决像元强度问题，最终通过前向映射映射方法按照艾利斑位置和强度信息在各像元中的面积占比设定分配系数分配到各个像元中，合成得到高真实感图像。

本发明中，光场生成是对真实地物场景的图像出发，采用逆卷积复原技术对图像进行处理，使得光场生成更加逼近真实。流场生成是针对背景纹影成像系统进行仿真生成的，其生成的流场特征信息必须进行转化，生成光学分析可用的折射率场。光线追迹模块需从真实场景图像光场出发，经历流场追迹和光学系统追迹，生成追迹结束后的光线矢量。图像合成需基于矢量平面相交原理和衍射原理，完成位置和强度分配，合成高真实感图像。

各步骤主要实现方法如下：

(1)高复原光场生成

图像去卷积方法是一种改善褪化图像的处理技术。受到复杂折射率场的影响，实际成像和理想成像之间存在一定的偏差，可以将成像偏差产生的过程表示为

式中g(x，y)表示观测到的失真图像；q(x，y)表示未失真图像；传统意义n(x，y)为噪声项，此处还包括PSF高频部分对成像的影响。

校正方法即对上述公式进行逆向工程得到校正图像g'(x，y)。在这一过程中最重要的就是获取精确的PSF和对噪声项的精确估计。

使用较多的校正方法以逆卷积方法为主。该方法结合先验知识，估计出目标的PSF，利用得到的PSF对试验观测到的褪化图像或利用计算机技术模拟褪化的图像进行校正。

得到点扩散函数后，选用Wiener滤波作为图像校正的滤波器，Wiener滤波是一种较常使用的自适应最小均方误差滤波器，综合了褪化函数和噪声统计特性两个方面进行复原处理。Wiener滤波建立在最小化统计准则的基础上，它所得的结果只是平均意义上的最优其频域表达式为

式中，G'(u，v)，PSF(u，v)和G(u，v)分别为g'(x，y)，PSF(x，y)和g(x，y)的二维Fourier变换。*表示转置运算。K与观测图像、点扩展函数和噪声项的功率谱相关，实际很难测得，一般做法是用较小的常数来代替。

(2)流场生成方法

根据光波传输理论，光线在流场中传播过程中流场密度与气体折射率的关系可由Gladstone Dale关系式计算：

n＝1+ρK

其中，n为折射率，K

一般地，上式中的Gladstone Dale常数在对可见系统气动光学效应进行工程估算时，可取K

在复杂流场中，需要求得流场内任意一点P(x,y,z)的折射率，需要对该点附近一定的流场空间区域中各点的折射率进行距离加权平均插值。此流场区域可以设定为以P(x,y,z)为球心，以r为半径的球体。该球体范围内所包含的各点即插值所需的点，通过扫描可获得这些空间点上的折射率为n

根据流场信息和流场中任一点折射率公式，可计算扰流场折射率，得到折射率场。

(3)光线追迹方法

根据曲率和折射率值的离散化数值计算可以通过Runge-Kutta法求解计算。光线通过变化密度的位置和方向信息可以通过局部域区间内折射率梯度更新方式计算，公式如下：

这里矩阵

上式中的R和T用列向量分别表示光线位置和方向，变量n表示折射率，下标i表示给定光线位置对应的网格点，常数A、B、C为折射率梯度结构函数。函数D为拉普拉斯算子。

(4)图像合成方法

图像合成是光线与相机探测器的相交，仿真计算过程将其作为线面相交问题来解决。探测器面阵上的衍射点用艾里斑公式描述并在本发明中用高斯近似模拟。纹影成像获取的图像峰值强度信息对应为光线与光源的交点，并且衍射直径是光学系统的函数表示为：

d

公式中，d

本发明方法可应用于航天目标探测领域，利用本发明的方法，可以有效模拟在背景纹影系统中对高速飞行器目标的探测场景，通过建立飞行器在各飞行条件下的背景纹影成像系统的纹影特性，可以有效反馈和指导背景纹影成像系统的参数设计和系统优化，在无需采用背景纹影相机对各类飞行器实体进行测试的场景下，有效保证背景纹影相机的系统性能和探测效能，大幅提高产品的设计效率。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。