(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111496960.8 (22)申请日 2021.12.09 (71)申请人 武汉华中天纬 测控有限公司 地址 430299 湖北省武汉市江夏区庙山 开 发区江夏大道特1号 (72)发明人 张瑞文　李阳阳　许东阳　李忠　 (74)专利代理 机构 武汉凌达知识产权事务所 (特殊普通 合伙) 42221 代理人 刘念涛 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 水下对空成像全链路仿真方法 (57)摘要 本发明公开了水下对空成像全链路仿真方 法， 基于场景仿真模块、 海浪仿真模块、 相机仿真 模块和光线追踪模块构成的仿真模块系统， 场景 仿真模块根据输入的场景参数生成高动态范围 海空全景图， 海浪仿真模块根据输入的海浪参数 生成海浪法线图， 相机仿真模块根据输入的相机 参数生成水下观察向量场， 光线追踪模块先根据 场景仿真模块、 海浪仿真模块和相机仿真模块的 输入通过光线追踪计算每个观察向量对应的天 空亮度值， 然后计算水面折射对亮度的影响， 最 后生成仿真图形； 本发明仿真方法可实现水下对 空成像建模与 随机海浪扰动下的水面目标智能 探测。 权利要求书3页 说明书8页 附图2页 CN 114357721 A 2022.04.15 CN 114357721 A 1.水下对空成像全链路仿真方法， 其特征在于： 基于场景仿真模块(1)、 海浪仿真模块 (2)、 相机 仿真模块(3)和光线追踪模块(4)构成的仿真模块系统， 包括如下步骤： 以水下光学系统光心为原点建立三维直角坐标系作为坐标系1， 将水下相机的图像坐 标系作为坐标系2， 在光心正上方水面处为原点的海平面上建立二维海平面坐标系作为坐 标系3， 在光心正上 方水面处为原点建立海面上半球空间地平坐标系作为 坐标系4； 场景仿真模块(1)根据输入的场景参数， 采用CIE天空亮度模型生成仿真高动态范围天 空全景图； 海浪仿真模块(2)根据输入的海浪参数， 采用Gerstner海浪参数模型生成海面法线图； 将高动态范围天空全景图定义在坐标系4上作为仿真的水面场景， 将海面法线图平铺 在海平面上的坐标系3上； 相机仿真模块(3)根据输入的相机参数生成水下观察向量场， 光线追踪模块(4)先根据 场景仿真模块(1)、 海浪仿真模块(2)和相机仿真模块(3)的输入通过光线追踪计算每个观 察向量对应的天空亮度值： 采用光线追踪的方法把坐标系2中的像素映射到坐标系3上， 以 海浪仿真结果得到成像路径上折射点的单位法向量， 根据Snell定律在坐标系1 中建立空气 中观察视线、 水下观察视线与水面法线三者的向量方程， 求解出空中目标点的方位角和天 顶角， 得到坐标系2中的像素在坐标系4上的坐标， 将图像坐标转换为高动态范围天空全景 图上的坐标， 通过Fresnel方程推导出水 空介面的折射透过率， 对天空亮度进 行亮度拉伸变 换， 最后生成仿真图形。 2.根据权利要求1所述的水下对空成像全链路仿真方法， 其特征在于， 所述的场景仿真 模块(1)通过如下 方式建立： 采用CIE天空亮度模型， 令太阳的天顶角方位角分别为θs， 根据天顶角和方位角分 别为θ， 的给定计算 点， 计算天空亮度： 其中， 参数a， b， c， d， e是CIE天空亮度模型中定义天空种类的固定参数， Lz是天顶亮度， δ 是计算点与太阳之间的最短角距离， 其计算方法如下： 在 θ∈[0°， 90°)， 范围内均匀抽样， 计算出天空亮度全景图。 3.根据权利要求1所述的水下对空成像全链路仿真方法， 其特征在于， 所述的海浪仿真 模块(2)通过如下 方式建立： 建立海浪方向谱模型， 将多个不同角频率和海浪方向的分量叠加作为海面， 将角频率 ωm在[ωmin， ωmax]范围内均分为M个采样宽度为Δω的分量， 海浪的方向θn均分为N个采样 宽度为Δθ 的分量， 海面 坐标位置(u， v)上时刻t时海面的高度通过如下公式表示： 其中， ωm是角频率， 海面波浪的方向θn∈[0， 2 π )， φmn∈[0， 2 π )是均匀分布的随机相位，权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114357721 A 2振幅amn由J0NSWAP海浪谱S(ω)和色散关系式D(ω， θ )计算： JONSWAP海浪谱S(ω)由如下公式计算： 其中， γ是峰值增强因数， U10表示海面上方10m处的风速， g代表重力加速度， F是取风长 度， ωp是JONSWAP谱的峰值频率， 计算公式如下： 色散关系式D(ω， θ )的计算公式如下： 其中， θw是海浪谱的主方向， θ是偏离主方 向的角度， Γ( ·)表示伽马函数， 其他参数计 算方法如下 通过对海面高度图计算梯度， 并归一 化得到海面法线图： 4.根据权利要求3所述的水下对空成像全链路仿真方法， 其特征在于， 所述的相机仿真 模块(3)通过如下 方式建立： 把图像坐标系下的像素坐标(x， y)转换为三维直角坐标系下的观察向量(X， Y， Z)： 令图 像坐标系上的靶面中心为(xH， yH)， 相机姿态用天顶角 θ0和方位角 表示， 则视线向量 计 算方法如下： 5.根据权利要求4所述的水下对空成像全链路仿真方法， 其特征在于， 所述的光线追踪 模块(4)通过如下 方式建立： 计算每个视线向量 对应在海 面上的坐标点， 并用Snell公式计算折射光线向量 再 联立 在天空全景图中的天顶角方位角坐标， 求 解图像像素坐标到天空全景坐标的变换；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114357721 A 3