本发明涉及空间目标多视点成像仿真，具体涉及一种空间目标多视点成像仿真方法。
背景技术：
1、多视点成像是指从多个视点获取同一空间目标的多幅图像，它是进行空间目标三维重建，进而得到空间目标形貌特征和姿态信息的重要途径之一，重建结果具有高质量、高精度的特点，在3d建模领域应用广泛。
2、空间目标多视点成像仿真是进行空间目标三维重建的数据基础和图像依据，对于空间目标高精度成像仿真和三维重建具有重要的意义。空间目标多视点成像仿真是在空间目标成像方针的基础上实现的，其本质是空间目标多视点成像仿真。
3、对于空间目标多视点成像仿真来说，主要是通过构建空间目标的三维模型、运动模型、光照模型、辐射传输模型以及相机成像模型等实现空间目标的成像仿真。当前空间目标多视点成像仿真方法主要存在以下问题：(1)未考虑空间目标与相机动态特性，缺少对空间目标的轨道及姿态建模，无法反映空间目标成像时的光照、姿态等动态变化；(2)辐射传输建模简单，主要以光栅化方法与双向反射分布函数模型组成的局部光照算法为主，仅考虑了光线的单次弹射，不能真实反映空间目标成像时光线多次弹射的能量传输过程，计算结果不准确，不具备实际辐射传输物理意义；(3)一次只能实现单个视点的成像仿真结果，不能实现空间目标的单次仿真，即生成全视点辐亮度图。
技术实现思路
1、本发明的目的是解决当前空间目标多视点成像仿真方法目标场景静态、辐射传输精度低、辐亮度场构建视点单一的不足之处，而提供一种空间目标多视点成像仿真方法。
2、为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
3、一种空间目标多视点成像仿真方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：
4、步骤1、采用三角面元的离散化网格面元几何模型表示空间目标，并对网格划分后的每一微面元进行对应材料的光学特性赋值，采用微面元五参量双向反射分布函数模型进行表征，得到空间目标三维模型；
5、步骤2、利用空间目标在地心赤道坐标系下的坐标，以及空间目标相对于地心赤道坐标系的姿态，建立空间目标轨道姿态模型；
6、步骤3、基于步骤1得到的空间目标三维模型和步骤2得到的空间目标轨道姿态模型，在空间目标的表面上构建一个全向光子图；基于全向光子图，通过收缩光子密度估计半径和增加光子数，构建空间目标表面反射的全向辐亮度模型；
7、步骤4、利用相机坐标系到相机成像平面的二维坐标的投影矩阵和地心赤道坐标系到相机坐标系的变换矩阵，建立坐标变换和投影矩阵模型；
8、步骤5、利用坐标变换和投影矩阵模型将空间目标的坐标转换为相机成像平面的二维坐标，基于步骤3得到的全向辐亮度模型，得到预设视点辐亮度图；
9、步骤6、重复步骤5，得到多个预设视点辐亮度图；
10、步骤7、建立相机成像模型，通过相机成像模型将多个预设视点辐亮度图的辐亮度转换为数字图像中的像素值，得到多个数字图像，将多个数字图像与表征相机成像能力的点扩散函数分别进行卷积，得到多个预设视点的成像仿真结果，完成空间目标多视点成像仿真。
11、进一步地，所述步骤2具体为：
12、步骤2.1、将空间目标在地心赤道坐标系下的坐标表示为：
13、
14、其中a为空间目标的椭圆轨道半长轴，e为空间目标的椭圆轨道偏心率，i为空间目标的轨道倾角，ω为升交点赤经，ω为近地点幅角，f为真近点角；
15、根据上式确定空间目标的轨道六要素(a，e，i，ω，ω，f)；
16、步骤2.2、描述空间目标相对于地心赤道坐标系的姿态t，如下：
17、
18、其中为滚动角，θ为俯仰角，ψ为偏航角；
19、步骤2.3、结合步骤2.1得到的轨道六要素(a，e，i，ω，ω，f)和步骤2.2得到的姿态t，建立空间目标轨道姿态模型。
20、进一步地，步骤3中，所述基于步骤1得到的空间目标三维模型和步骤2得到的空间目标轨道姿态模型，在空间目标的表面上构建一个全向光子图具体为：
21、将太阳发射光子的过程拆分为多个循环迭代步骤，对于单个发射通道，从光源发射若干光子到空间目标场景，经过空间目标多次反射直到光子被吸收或者逸出场景；记录每个光子在空间目标表面的弹射信息，包括击中位置、入射方向和携带能量，在空间目标的表面上构建一个全向光子图，该全向光子图包含从各个方向击中空间目标表面的光子信息；
22、所述弹射信息的获得方式如下：
23、根据步骤1得到的空间目标三维模型确定空间目标的几何形状和表面材质属性，根据空间目标的几何形状计算光子在空间目标表面的击中位置，根据空间目标的表面材质属性模拟光子在击中空间目标表面后的反射或散射行为，由反射或散射行为进一步确定携带能量；
24、根据步骤2得到的空间目标轨道姿态模型确定了空间目标在任意时刻相对于太阳的位置和朝向，计算光子在空间目标表面的入射方向。
25、进一步地，步骤3中，所述基于全向光子图，通过收缩光子密度估计半径和增加光子数，构建空间目标表面反射的全向辐亮度模型具体为：
26、基于全向光子图得到计算辐亮度所需的空间目标表面点，对于每一个空间目标表面点，通过收缩光子密度估计半径r和增加光子数，构建空间目标表面反射的全向辐亮度模型如下：
27、
28、其中，表示空间目标表面反射的全向辐亮度模型；r表示光子密度估计半径，n表示全向光子图中总的光子数，nβ表示用于估计的光子数，表示空间目标微面元双向反射分布函数，表示光子发射的方向，表示视点方向，β是一个介于0和1之间的参数，用来调整求和项的数量；表示太阳在空间目标的微面元位置沿方向的辐射通量。
29、进一步地，步骤4中，所述坐标变换和投影矩阵模型如下：
30、
31、其中，tp代表相机坐标系到相机成像平面的二维坐标的投影矩阵，tt代表地心赤道坐标系到相机坐标系的变换矩阵，f表示相机光学系统焦距，d代表相机单个像元尺寸，u0、v0代表图像中心点坐标，θx、θz代表空间目标相对于相机的x、z轴角度，rx、ry、rz表示沿相应轴的平移分量。
32、进一步地，所述步骤7具体为：
33、建立相机成像模型如下：
34、
35、其中dn表示成像仿真结果，η表示相机将接收到的光通量转换为电信号的效率，nr表示探测器的满阱电荷数，τ0表示光学系统透过率，l表示预设视点辐亮度图，d和f分别表示光学系统口径和焦距，t表示积分时间，a表示单个像元面积，n表示量化位数；
36、通过相机成像模型将步骤6得到的多个预设视点辐亮度图的辐亮度分别转换为入射到相机的传感器上的光通量，再由传感器将光通量转换为电信号，然后由模拟数字转换器将电信号转换为数字图像中的像素值，最终得到多个数字图像；
37、将多个数字图像与表征相机成像能力的点扩散函数psf分别进行卷积，得到多个预设视点的成像仿真结果，完成空间目标多视点成像仿真。
38、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
39、(1)本发明一种空间目标多视点成像仿真方法，通过构建包含表面材料属性的空间目标三维模型，以及空间目标轨道姿态模型，得到包含多视点的全向辐亮度模型；再结合坐标变换和投影矩阵模型、相机成像模型实现空间目标的多视点成像仿真。本发明实现了空间目标多视点的高精度成像仿真，为空间目标三维成像算法的构建、验证、参数调优以及相机轨道的设计提供关键数据支撑，可广泛应用于空间目标成像、形貌和姿态测量领域。
40、(2)本发明一种空间目标多视点成像仿真方法，不仅考虑了光子的单次弹射，还通过收缩光子密度估计半径和增加光子数，在空间目标表面构建全向辐亮度模型，以更准确地模拟光线在空间目标表面的多次弹射和能量传输过程。
41、(3)本发明一种空间目标多视点成像仿真方法，通过将空间目标的坐标转换为相机成像平面的二维坐标，并基于全向辐亮度模型得到预设视点辐亮度图，该方法能够实现多视点成像仿真。这不仅克服了只能实现单视点仿真的限制，而且还提供了全方位视角下的空间目标成像能力，极大地增强了仿真的应用范围和灵活性.
1.一种空间目标多视点成像仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述一种空间目标多视点成像仿真方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
3.根据权利要求1或2所述一种空间目标多视点成像仿真方法，其特征在于，步骤3中，所述基于步骤1得到的空间目标三维模型和步骤2得到的空间目标轨道姿态模型，在空间目标的表面上构建一个全向光子图具体为：
4.根据权利要求3所述一种空间目标多视点成像仿真方法，其特征在于，步骤3中，所述基于全向光子图，通过收缩光子密度估计半径和增加光子数，构建空间目标表面反射的全向辐亮度模型具体为：
5.根据权利要求4所述一种空间目标多视点成像仿真方法，其特征在于，步骤4中，所述坐标变换和投影矩阵模型如下：
6.根据权利要求5所述一种空间目标多视点成像仿真方法，其特征在于，所述步骤7具体为：
