基于可微分制造技术

本发明专利技术属于雷达图像处理技术领域，具体为一种基于可微分

【技术实现步骤摘要】
基于可微分SAR图像渲染器的样本生成方法


[0001]本专利技术涉及雷达图像处理
，特别涉及一种利用可微分
SAR
图像渲染器生成
SAR
图像的方法
。

技术介绍

[0002]合成孔径雷达
(SyntheticAperture Radar,SAR)
已成为地球遥感的重要工具，它能够在全天时
、
全天候条件下高分辨率成像
。
作为空间遥感的前沿技术，
SAR
在地球科学
、
天气变化
、
环境监测
、
海洋资源利用和行星探测等领域有着广泛的应用
。
高分辨率和多维度是星载
SAR
发展的两大趋势
。
尽管
SAR
成像技术取得了长足的进步，但对
SAR
图像的解译仍面临着巨大的挑战，而且随着越来越多的在轨雷达卫星获取了海量的
SAR
数据，这一挑战变得越来越紧迫
。
[0003]在
SAR
领域有一些仿真引擎，比如双向解析射线追踪算法
(BidirectionalAnalytical Ray Tracing
，
BART)、PolSARpro
，他们能够计算目标的后向散射场
。
映射投影算法
(Mapping and Projection Algorithm
，
MPA)
是一种
SAR
成像模拟方法，能够加速对植被
、
建筑物
、
粗糙地面等复杂场景的散射
、
消光
、
映射和投影过程的仿真运算，受到了青睐
。
[0004]在对光学图像的研究中，为了探究光学图像的产生过程，计算机图形学得以发展
。
计算机图形学中的渲染是生成由几何
、
材质
、
光照和相机属性定义的三维场景对应图像的过程，而渲染器则是用以糅合这些参数的物理引擎，它的构建符合光学图像成像机制
。
传统的矢量渲染器，比如
MoonRay、Iray
，以光线追踪技术为主，它们能够向场景中投射数十亿的光线来模拟与表面和立体的相互作用，生成更加真实的图片
。
传统的渲染器不能求逆的关键在于其流程中不可微的离散光栅化步骤，导致图像像素对网格顶点坐标的导数为零，没有有效的梯度流得以反向传播
。
为了解决这个问题，可微分渲染得以发展
。
参考光学图像领域可微分渲染器的发展，将
SAR
仿真器改造成可微分形式，不仅可以用于生成样本，也为后续求解逆问题提供了可能性
。

技术实现思路

[0005]本专利技术是为解决上述问题而进行的，目的在于提出一种能够高效
、
准确地生成
SAR
图像的可微分
SAR
图像渲染方法，本专利技术采用了如下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种基于可微分
SAR
图像渲染的样本生成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤
S1
，建立世界坐标系设置待成像目标位置，并定义三维渲染场景；步骤
S2
，选取网格作为所述成像目标的表征方式，将目标网格变换到雷达为中心的坐标系中；步骤
S3
，采用可微性建模，对面元与雷达射线的空间交互建立连续函数，其中，所述可微性建模包括所述面元与平面单元相交概率计算
、
所述面元在深度方向上可见概率计算；步骤
S4
，采用可微分映射投影算法，将面元的散射能量累积到斜距平面，其中，所述可微分映射投影算法包括投影过程
、
映射过程；步骤
S5
，采用并行加速的可微分
SAR
图像渲染器，对不同类型的目标进
行样本生成；其中，所述定义三维渲染场景是指确定所述目标网格所在的世界坐标系和以雷达为中心的雷达坐标系，在雷达坐标系中，所述可微分
SAR
图像渲染器，是对可微分
SAR
图像渲染算法的实现，它将投影和成像过程中的每条射线视为一个独立的线程，采用了计算统一设备架构的并行计算方案，从而实现对计算过程的加速，所述面元与平面单元相交概率计算，是指将所述面元投影到平面，根据平面单元到所述面元的欧式距离，设计所述面元包含该平面单元的概率表达式，当平面单元越接近所述面元的中心，概率越趋于1，否则趋于0；所述面元在深度方向上可见概率计算，是指根据所述面元与平面单元在深度方向上的距离，距离值越大，所述面元被遮挡的可能性越大，所述面元被雷达照射到的可能性越大；所述投影过程，是由投影平面的投影单元发射射线，在空间中与所述面元依次相交，从而得到所述面元被所述射线击中概率的过程；所述映射过程，是将各面元的散射强度累加到映射平面中的映射单元
、
从而聚合得到
SAR
图像以及轮廓图像的过程
。
[0007]本专利技术提供的基于可微分
SAR
图像渲染的样本生成方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤
S2
所述成像目标的表征包含一个顶点集和一个三角面元集即有
N
v
个顶点和
N
f
个面元；所述目标网格变换到雷达为中心的坐标系中是指基于旋转矩阵
R
，将网格中任意顶点的坐标
v
可变换到雷达坐标系下的
v
r
，表达式如下：
[0008]v
r
＝
R
T
(v
‑
p
r
)
[0009]式中，
p
r
表示雷达的天线相位中心位置，矩阵
R
的每列是所述雷达坐标系中各轴的单位方向向量，表达式如下：
[0010][0011]式中，
α
、
β
分别表示入射角和方位角；以及将所述目标网格的顶点集变换到所述雷达坐标系统下的顶点
{v
i
}
，则所述面元
f
j
的顶点坐标
M
j
的定义式如下：
[0012][0013]式中，
(x
j,n
，
y
j,n
，
z
j,n
)
是
f
j
的第
n
个顶点坐标的
x,y,z
坐标
。
[0014]本专利技术提供的基于可微分
SAR
图像渲染的样本生成方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于可微分
SAR
图像渲染器的样本生成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤
S1
，建立世界坐标系设置待成像目标位置，并定义三维渲染场景；步骤
S2
，选取网格作为所述成像目标的表征方式，将目标网格变换到雷达为中心的坐标系中；步骤
S3
，采用可微性建模，对面元与雷达射线的空间交互建立连续函数，其中，所述可微性建模包括所述面元与平面单元相交概率计算
、
所述面元在深度方向上可见概率计算；步骤
S4
，采用可微分映射投影算法，将面元的散射能量累积到斜距平面，其中，所述可微分映射投影算法包括投影过程
、
映射过程；步骤
S5
，采用并行加速的可微分
SAR
图像渲染器，对不同类型的目标进行样本生成；其中，所述定义三维渲染场景是指确定所述目标网格所在的世界坐标系和以雷达为中心的雷达坐标系；所述可微分
SAR
图像渲染器，是对可微分
SAR
图像渲染算法的实现，它将投影和成像过程中的每条射线视为一个独立的线程，采用了计算统一设备架构的并行计算方案，从而实现对计算过程的加速；所述面元与平面单元相交概率计算，是指将所述面元投影到平面，根据平面单元到所述面元的欧式距离，设计所述面元包含该平面单元的概率表达式，当平面单元越接近所述面元的中心，概率越趋于1，否则趋于0；所述面元在深度方向上可见概率计算，是与所述面元与平面单元在深度方向上的距离相关，距离值越大，所述面元被遮挡的可能性越大，所述面元被雷达照射到的可能性越大；所述投影过程，是由投影平面的投影单元发射射线，在空间中与所述面元依次相交，从而得到所述面元被所述射线击中概率的过程；所述映射过程，是将各面元的散射强度累加到映射平面中的映射单元
、
从而聚合得到
SAR
图像以及轮廓图的过程
。2.
根据权利要求1所述的基于可微分
SAR
图像渲染器的样本生成方法，其特征在于：其中，步骤
S2
所述成像目标的表征包含一个顶点集所述成像目标的表征包含一个顶点集和一个三角面元集即有
N
v
个顶点和
N
f
个面元；所述目标网格变换到雷达为中心的坐标系中是指基于旋转矩阵
R
，将网格中任意顶点的坐标
v
可变换到雷达坐标系下的
v
r
，表达式如下：
v
r
＝
R
T
(v
‑
p
r
)
式中，
p
r
表示雷达的天线相位中心位置，矩阵
R
的每列是所述雷达坐标系中各轴的单位方向向量，表达式如下：式中，
α
、
β
分别表示入射角和方位角；以及将所述目标网格的顶点集变换到所述雷达坐标系统下的顶点
{v
i
}
，则所述面元
f
j
的顶点坐标
M
j
的定义式如下：
式中，
(x
j
，
n
，
y
j
，
n
，
z
j
，
n
)
是
f
j
的第
n
个顶点坐标的
x
，
y
，
z
坐标
。3.
根据权利要求1所述的基于可微分
SAR
图像渲染器的样本生成方法，其特征在于：其中，步骤
S3
中所述面元与平面单元相交概率计算包括以下子步骤：步骤
A1
，计算第
(i
，
l)
个投影单元
p
(i
，
l)
到所述面元
f
j
的距离，其中，包括以下步骤：步骤
A1
‑1，计算距离向量
(p
k
‑
p
(i
，
l)
)
，定义式如下：式中，
(v
k+1
‑
v
k
)
表示以向量
v
k+1
为起点
、
以向量
v
k
为终点的向量，
p
k
表示边
(v
k+1
‑
v
k
)
到所述投影单元
p
(i
，
l)
距离最短的点；步骤
A1
‑2，计算所述投影单元
p
(i
，
l)
到所述面元
f
j
上最近的点
t
，即距离
p
(i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐丰，符士磊，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：