空间环境下成像效果的仿真研究

仿真图像生成技术是计算机图形学研究的一个重要内容，在各个方面都有广泛的应用。在航空航天领域，地面的应用处理常常依赖空间探测器拍摄结果，由于实验成本的昂贵，对探测器拍摄结果进行仿真就显得尤其重要。本文主要关注在宇宙空间这一特殊场景下的仿真图像生成方法。针对在空间环境的特点，在分析星空环境下相机成像机理的基础上，从相机光学系统、光感受器工作特性、光圈衍射、电子线路噪声、空间背景等各个方面对星空环境下的成像系统进行了建模，设计了空间环境下成像效果的仿真方案，提出了对各种成像效果、背景星图、CCD噪声的模拟算法。其中基于OpenGL的方法以简单高效的针孔相机模型为基础，结合后期的图像处理，可以在较短的时间内生成仿真结果图像，并能反映拍摄场景下的主要成像效果，在仿真的实时性和结果的真实性之间取得了平衡，而基于物理的渲染方法则精确模拟了成像过程中光线传播的物理过程，能够很好的体现成像系统的光学特征，虽然耗时较长，但是可以生成真实感很强的结果。 基于这些模型和算法，本文还设计并实现了空间环境下的成像仿真系统。用户可以通过该系统来配置空间探测器的任务流程、拍摄参数，来模拟探测器对宇宙目标及背景星空的拍摄结果。由于针对不同拍摄场景设计的各种仿真实验结果均证实了算法和模型的有效性，因此该仿真系统的结果可以作为地面后期应用处理的输入，而本文的研究内容对空间环境中的数据压缩、地面恢复、天文定位、恒星识别等都有重要意义。