基于光线追迹的光学载荷成像仿真方法研究

摘要

在天基空间监视系统相关课题的研究过程中，为了解决目标识别、确认与跟踪算法的仿真与验证、可见光相机的可行性分析和相关参数的选取等关键技术问题，需要获取可见光相机对空间目标的成像信息。在真实成像信息难以获取的前提下，采用数字图像生成的方法获取仿真图像，是现阶段采用的主要方法。
　　本文以天基可见光监视系统的成像过程为研究背景，对成像链路的各个组成部分进行了模型的构建，最终设计并实现了基于光线追迹的光学载荷成像仿真系统，为后续的研究工作提供了基础。首先，根据数字图像生成系统的设计要求，对数字图像生成系统的结构做了总体性的设计。分析了天基空间监视系统的成像过程，确立了成像仿真系统所需要建立的模型；根据这些模型对系统的要求，结合图像生成系统的设计思想，确定了数字图像生成系统的结构和各个功能模块，阐述了各功能模块所包含的内容及实现的功能，最终确定了数字图像生成系统的总体结构。其次，根据天基可见光相机的成像过程，对成像链路进行了模型的构建。分析并建立了目标的三维结构模型，在目标三维结构网格化的基础上，充分利用光源特性模型、漫反射光线模型，对目标的反射光谱特性进行了计算；利用ZEMAX光学设计软件中的光学系统数据，实现了光学系统几何结构和物理特性建模；在此基础上，根据成像关系，对理想光学系统成像仿真、光线追迹成像仿真、基于传递函数的成像仿真实现的原理进行了详细阐述。最后，在Visual C++6.0编译环境下，采用OpenGL技术、Matfor、插件等功能，构建了基于光线追迹的光学载荷成像仿真系统，并对成像仿真系统的仿真结果进行了分析，程序界面具有良好的人机交互能力。

目录

基于光线追迹的光学载荷成像仿真方法研究

RESEARCH ON IMAGING SIMULATION METHOD OF OPTICAL SENSOR BASED ON RAY TRACING

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景以及研究的意义

1.2 国内外成像仿真技术研究现状及分析

1.2.1 国外成像仿真技术发展研究现状

1.2.2 我国成像仿真技术发展研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 图像仿真系统总体设计

2.1 设计思想

2.2 仿真系统总体结构设计以及模块划分

2.2.1 目标特性建模

2.2.2 光学系统建模

2.2.3 成像仿真

2.3 仿真系统总体功能实现

2.4 本章小结

第3章 空间目标特性建模

3.1 空间目标特性建模整体结构

3.2 目标几何造型文件解析

3.2.1 IGES文件结构

3.2.2 IGES文件解析

3.3 目标三维几何结构重构

3.3.1 OpenGL简介

3.3.2 目标模型重构

3.4 目标表面面元网格划分

3.4.1 Delaunay三角剖分简介

3.4.2 Delunay三角剖分算法

3.5 目标光学特性计算

3.5.1 光源设置

3.5.2 漫反射光线生成模型

3.5.3 目标光学特性计算结果

3.6 本章小结

第4章 光学系统建模

4.1 光学系统几何结构建模

4.2 光学系统物理特性建模

4.2.1 光线追迹算法

4.2.2 光学系统评价参数计算

4.3 本章小结

第5章 光学载荷的成像仿真

5.1 理想光学系统成像仿真

5.2 光线追迹的成像仿真

5.3 基于传递函数的成像仿真

5.3.1 基于传递函数的成像仿真原理

5.3.2 图像的傅里叶变换

5.3.3 频域相乘的匹配

5.4 仿真图像的存储方法

5.4.1 BMP图片文件格式介绍

5.4.2 图像的存储方式

5.5 本章小结

第6章 成像仿真系统实现

6.1 成像仿真系统中所应用的关键技术

6.2 空间目标特性建模部分

6.2.1 目标造型文件的读取与解析

6.2.2 目标的网格划分

6.2.3 目标三维几何结构重建

6.3 光学系统建模及仿真部分

6.3.1 目标光学特性计算

6.3.2 光学系统建模

6.3.3 成像仿真

6.4 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢