光線追跡方法在空間目標(biāo)成像仿真中的應(yīng)用

郭彪，劉雅

1.河北水利電力學(xué)院 電氣自動化系，河北 滄州 061001：2.河北省高校水利自動化與信息化應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北 滄州 061001

0 引言

在航空航天技術(shù)飛速發(fā)展的背景之下，空間在國家戰(zhàn)略利益中的影響力變得越來越強(qiáng)，其已經(jīng)深入影響到了我國軍事、經(jīng)濟(jì)、政治等諸多領(lǐng)域當(dāng)中，并在其中占據(jù)著重要地位，發(fā)揮著不容忽視的影響力[1]。特別是在近些年復(fù)雜多變的世界發(fā)展形勢之下，空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)是對空間進(jìn)行控制的核心手段，也是我國在空間領(lǐng)域?qū)嵙μ嵘淖詈靡娮C。目前，在天基空間監(jiān)視系統(tǒng)課題研究當(dāng)中，關(guān)于獲取圖像方面最常采用的一種方法便是利用數(shù)字圖像生成的方法獲取仿真圖像。

1 關(guān)于天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)以及相關(guān)研究工作的分析

天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)，其主要是借助光學(xué)系統(tǒng)來接收空間目標(biāo)反射的太陽光線來探測、識別、捕獲和跟蹤空間牧寶。同樣作為監(jiān)視手段，天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)要比光電系統(tǒng)或者地基雷達(dá)系統(tǒng)更具優(yōu)勢，諸如天氣變化、境外設(shè)站、可見光范圍等因素都不會對天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)產(chǎn)生影響[2]。

雖然近些年我國一直都在不斷加強(qiáng)對天基空間目標(biāo)監(jiān)視研究工作的力度，也在很多方面取得了一定的成績和結(jié)果。但是，研究識別探測、定軌預(yù)報方法，論證荷載總體參數(shù)、分析可見光相機(jī)可行性以及選取參數(shù)等方面，要想獲得更加精準(zhǔn)的結(jié)果，都需要有圖像數(shù)據(jù)的支撐。獲取原始圖像數(shù)據(jù)雖不現(xiàn)實(shí)，但借助天基空間監(jiān)視系統(tǒng)成像鏈路進(jìn)行仿真，獲取仿真圖像卻是可行之路，也是目前解決問題的最好方式。

2 關(guān)于光線追跡的簡要介紹

何為光線追跡，其是當(dāng)前幾何光學(xué)中應(yīng)用比較頻繁的一類通用型技術(shù)。光線追跡是通過對和光學(xué)表面發(fā)生交互作用的光線進(jìn)行追蹤而獲得的光線通過路徑模型。光線追跡在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，諸如大眾比較熟知的設(shè)備：顯微鏡、照相機(jī)鏡頭、雙目鏡、望遠(yuǎn)鏡等等[3]。除此之外，光線追跡也用于表示三維計算機(jī)圖形學(xué)中的特殊渲染算法，其跟蹤的不是從光源發(fā)出來的光線，而是從眼睛里面發(fā)出的光線。關(guān)于光線追跡的優(yōu)缺點(diǎn)，其具體體現(xiàn)為。

2.1 光線追跡的優(yōu)點(diǎn)

光線追跡擁有著更強(qiáng)的光線模擬性。光線追跡和光線投射、掃描線渲染等其它渲染方式相比，對光線模擬的現(xiàn)實(shí)程度要更高一些。諸如，像光線投射、掃描線渲染這些方式是很難實(shí)現(xiàn)陰影或者反射這類效果的，但是光線追跡卻可以輕松實(shí)現(xiàn)。還有，光線追跡的視覺效果是非常理想的，因此，在圖形編程當(dāng)中通常會作為首次嘗試。

2.2 光線追跡的缺點(diǎn)

從目前的光線追跡的實(shí)際應(yīng)用情況來看，比較大的一個缺點(diǎn)在于它的性能。光線追跡和掃描線算法的計算方式不同，其采取的是獨(dú)立計算的方式，把每一條光線都看作是獨(dú)立的光線，所以每一次都需要重新進(jìn)行計算，而掃描線算法則是基于數(shù)據(jù)的一致性而進(jìn)行共享計算。但光線追跡這一獨(dú)立計算也有著自己的優(yōu)勢，比如其能使用更多光線來抵抗混疊現(xiàn)象的發(fā)生，而且其隨時可以根據(jù)需要來提高圖像的質(zhì)量。

光學(xué)載荷的成像仿真主要就是對成像的鏈路進(jìn)行仿真，整個成像鏈路的模.型構(gòu)建已經(jīng)完成，所以本章主要是在前面的幾個建模結(jié)果的基礎(chǔ).上利用光線追跡方法實(shí)現(xiàn)成像仿真，得到仿真圖片。主要包括三種成像仿真的方法:理想光學(xué)成像仿真、光線追跡的成像仿真、基于傳遞函數(shù)的成像仿真，下面對這幾種成像方法進(jìn)行介紹[4]。

3 理想光學(xué)系統(tǒng)成像仿真

在理想成像仿真的過程中不涉及光學(xué)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，將光學(xué)系統(tǒng)看成理想光學(xué)系統(tǒng)，只是利用光學(xué)系統(tǒng)的焦距，進(jìn)行一-些簡單的坐標(biāo)變換，即可以實(shí)現(xiàn)理想光學(xué)系統(tǒng)的成像仿真。理想成像仿真通過以下幾個步驟實(shí)現(xiàn)：（1）目標(biāo)網(wǎng)格化以后可以選取三角面元的頂點(diǎn)作為目標(biāo)表面的光線起點(diǎn)；（2）通過該起點(diǎn)與相機(jī)位置的連線確定光線方向；（3）確定由目標(biāo)反射的光線在成像焦平面上的位置信息以及強(qiáng)度信息。

在目標(biāo)光學(xué)特性計算中目標(biāo)的位置等特征信息均在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系中，在理想光學(xué)成像中需要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系到相機(jī)本體坐標(biāo)系、相機(jī)本體坐標(biāo)系到焦平面坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)系之間的相互變換簡單的說就是坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移，經(jīng)常用到三個旋轉(zhuǎn)矩陣R1（θ）、R2（θ）、R3（θ），分別表示yz平面、zx平面和xy平面和xy平面分別繞x軸、y軸和z軸順時針旋轉(zhuǎn)θ角。

3.1 衛(wèi)星本體坐標(biāo)系到相機(jī)本體坐標(biāo)系

圖1 相機(jī)相對于衛(wèi)星的安放位置

3.2 相機(jī)本體坐標(biāo)系到焦平面坐標(biāo)系

在成像仿真中相機(jī)本體坐標(biāo)系到焦平面坐標(biāo)。這是一個由三維坐標(biāo)到二維坐標(biāo)的投影變換，變換關(guān)系如下圖所示：

圖2 目標(biāo)在焦平面上投影示意圖

經(jīng)過以上兩步坐標(biāo)變換既可以實(shí)現(xiàn)理想光學(xué)系統(tǒng)的成像仿真。

4 光線追跡的成像仿真

光線追跡的成像仿真的主要原理是綜合運(yùn)用光學(xué)系統(tǒng)建模、目標(biāo)光學(xué)特性的計算結(jié)果，利用光學(xué)特性計算所返回的目標(biāo)反射光線作為追跡光線，通過運(yùn)用光線追跡公式對光學(xué)系統(tǒng)的每一個光學(xué)鏡頭表面進(jìn)行光線追跡，直至追跡到成像焦平面上，進(jìn)行產(chǎn)生仿真圖像。這個過程中也涉及到了坐標(biāo)系之間的變換[5]。具體流程圖如下所示：

圖3 光線追跡成像仿真流程圖

5 成像仿真輻射解算

在空間目標(biāo)表面達(dá)到能量平衡時，自發(fā)輻射能量與入射輻照度反射能量之和等于出射輻射能量。

可以得到任一像元接受輻射值，成像仿真完成。

6 結(jié)語

綜上所述，近些年我國一直都在全力發(fā)展天基空間監(jiān)視研究工作，不斷創(chuàng)新和優(yōu)化技術(shù)手段，積極嘗試和應(yīng)用更具先進(jìn)性的空間設(shè)備。實(shí)踐證明在歷經(jīng)多年發(fā)展之后，我國的仿真技術(shù)水平與之前相比已經(jīng)得到了很大的提升，但與世界發(fā)達(dá)國家相比還是存在著一定的差距，我國的成像仿真方法研究依然有著非常大的上升空間。相信伴隨著基于光線追跡的空間目標(biāo)成像仿真方法的不斷成熟與完善，我國的天基空間監(jiān)視成果將會獲得更大進(jìn)步，在空間探測領(lǐng)域也將展示出更強(qiáng)大的影響力。