基于GPU编程实现激光雷达场景仿真方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN103400003A*(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103400003103400003A(43)申请公布日2013.11.20(21)申请号201310326761.1(22)申请日2013.07.22(71)申请人西安电子科技大学地址710071陕西省西安市太白南路2号(72)发明人张建奇黄曦田利敏柴国贝王晓蕊(74)专利代理机构陕西电子工业专利中心61205代理人张问芬王品华(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)G06T19/00(2011.01)权权利要求书2页利要求书2页说明书3页说明书3页附图1页附图1页(54)发明名称基于GPU编程实现激光雷达场景仿真方法(57)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。CN103400003ACN1034ACN103400003A权利要求书1/2页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Cλ、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Cλ、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Lr3.1)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Cλ、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Lr：其中，Pt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，θB为波束的发散角，ηt为激光发射系统的光学系统传输系数，ηr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，Rλ(t，u，v，v′，w)为BRDF的结果值，其公式如下：Rλ(t，u，v，v′，w)＝Sλ(u)D(t，v，v′，w)，其中，Sλ(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：5Sλ(u)＝Cλ+(1-Cλ)(1-u)，2CN103400003A权利要求书2/2页Cλ∈［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Lr；3.4)使用线性灰度量化方法对得到的激光场景亮度值Lr进行灰度量化，得到8位的灰度图像灰度值：其中，Lmin和Lmax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。2.根据权利要求1所述的基于GPU编程实现激光雷达场景仿真方法，其特征在于：其中步骤2所述的通过实验或测量仪器测量，获得计算双向反射函数