[发明专利]基于GPU编程实现激光雷达场景仿真方法

摘要

本发明公开一种基于GPU编程实现激光雷达场景仿真方法，主要解决现有技术存在的激光雷达效应仿真的物理真实感不高，无法动态渲染成像的不足。其实现过程是：将三维模型导入程序，获得每个顶点的位置、法线信息，通过实验或仪器测量，获得计算双向反射函数BRDF需要参数，将材质类型标号、正入射反射率、粗糙因子和各向同性因子保存成DDS数据纹理；在片段程序中对数据纹理采样，获得不同位置点的正入射反射率、粗糙因子和各向同性因子，结合三维模型的每个顶点位置和法线信息，根据双向函数BRDF反射模型，计算场景中不同位置点在激光接收器方向的激光亮度值，量化成8位灰度值进行显示。本发明能动态成像，真实感强，可用于激光制导和目标探测中。

主权项

1.基于GPU编程实现激光雷达场景仿真方法，以Schlick提出的双向反射函数BRDF反射模型为基础，计算出目标和背景在激光接收器方向上的激光亮度值，并利用顶点程序和片段程序，将反射模型集成到仿真的场景中，实时模拟激光雷达成像结果，具体包括如下步骤：步骤1将在三维模型生成软件3DMAX中生成的三维模型导入面向对象的图像渲染引擎OGRE中，在顶点程序中获得三维模型每个顶点的位置与法线信息；步骤2生成场景纹理文件2.1)通过实验或测量仪器测量，获得计算双向反射函数BRDF需要的材质参数正入射反射率C_λ、粗糙因子r和各向同性因子p；2.2)将可见光的纹理按不同的材质进行分割，不同的材质赋予对应的正入射反射率C_λ、粗糙因子r和各向同性因子p，保存成DDS格式的数掘纹理；步骤3计算场景中不同位置点对入射激光在激光接收器方向的激光亮度L_r3.1)利用图形编程语言Cg将步骤2获得的数据纹理写入材质脚本的纹理单元中，在片段程序中对步骤2获得的数掘纹理进行采样，获得不同位置点的正入射反射率C_λ、粗糙因子r和各向同性因子p；3.2)结合步骤1得到的三维模型的每个顶点的位置与法线信息，根据Schlick提出的双向反射函数BRDF模型，计算激光场景中不同位置点在激光接收器方向的激光亮度值L_r：Lr=16PtπR2θB3·Rλ(t,u,v,v′,w)·ηr·ηt·T2]]>其中，P_t为激光的发射功率，R为激光雷达发射系统与当前计算位置点的距离，θ_B为波束的发散角，η_t为激光发射系统的光学系统传输系数，η_r为激光接收系统的光学系统传输系数，T为单程大气传输系数，上述值在激光雷达系统确定时即可得到，u＝cos(β)，v＝cos(θ)，v′＝cos(θ′)，t＝cos(α)，θ为激光入射光线的反方向与材质表面法线的夹角，θ′为接收器方向与材质表面法线的夹角，α为材质表面法线与半角向量的夹角，为材质表面的切向量与半角向量在平面内的投影向量的夹角，β为入射激光方向的反方向与半角向量的夹角，R_λ(t，u，v，v′，w)为BRDF的结果值，其公式如下：R_λ(t，u，v，v′，w)＝S_λ(u)D(t，v，v′，w)，其中，S_λ(u)表示BRDF的光谱特征，D(t，v，v′，w)表示BRDF的方向特征，两者的计算式分别如下：S_λ(u)＝C_λ+(1-C_λ)(1-u)⁵，D(t,v,v′,w)=1-G(v)G(v′)πA(w)+G(v)G(v′)4πvv′Z(t)A(w)]]>Z(t)=r(1+rt2-t2)2,]]>A(w)=pp2-p2w2+w2,]]>G(v)=vr-rv+v,]]>G(v′)=v′r-rv′+v′,]]>C_λ∈［0，1］，为波长λ下的反射因子，r∈［0，1］为材质的粗糙因子，p∈［0，1］为材质的各向同性因子；3.3)在当前观察点的观察视线上，对观察视场的每个目标点都按步骤3.2)的处理，得到激光雷达场景每个点亮度值L_r；3.4)使用线性灰度量化方法对得到的激光场景亮度值L_r进行灰度量化，得到8位的灰度图像灰度值：其中，L_min和L_max为场景所有点亮度的上下限；步骤4将步骤3中的材质脚本集成到面向对象的图形渲染引擎OGRE中，通过可编程图形处理单元GPU完成材质脚本的解析和编译，形成可编程图形处理单元GPU的执行代码，利用这些代码实现激光雷达动态场景的仿真。