【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，属于地形相对导航领域。
技术介绍
1、目前，在深空小天体探测中，由于通信时延及上注带宽的限制，地面可干预的导航方法几乎无法实现。仅依赖惯性导航，无法实现采样区的精准着陆。因此，自主的地形相对导航方法在任务中扮演着非常重要的角色。
2、2020年10月，美国欧西里斯号(osiris-rex)探测器成功完成对小行星贝努(bennu)的采样，其中，自主的星上自然特征追踪(natural feature tracking，nft)算法在采样段过程中发挥了巨大的作用。其原理是对自然地形特征的数字高程模型(digitalelevation model，dem)进行实时渲染，然后将渲染图像与导航图像进行相关匹配，以估计飞行器相对于小行星的位置和速度。其中，针对地形特征的渲染是整个导航算法的关键模块。
3、调研结果表明，nft算法采用单次反射的光线追踪框架实现，该算法依赖当前飞行器相对于小行星的先验位姿以及太阳指向，利用光线追踪原理渲染目标窗口中各像素的灰度值。该方法的主要缺陷在于计算速度过慢，若不依赖硬件加速，单个特征的渲染时间可达到分钟级别，难以实时为星上卡尔曼滤波器提供指向测量信息。
4、光栅化是一种通用化的渲染框架，相比于光线追踪框架，具有更好的算法实时性。然而，该渲染框架在深空探测地形相对导航领域未见实际在轨应用案例。针对不同目标天体的反射特性，该渲染框架还需进行针对性修改，以提升渲染图像保真度。
技术实现思路<
1、本专利技术解决的技术问题：克服现有技术的不足，提出一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，提高了图像处理效率。
2、本专利技术的技术解决方案：
3、本专利技术公开了一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，包括：
4、对栅格化的自然地形特征进行三角化处理，得到若干三角形；
5、计算特征内各个三角形的单位法线；
6、进行阴影预测，生成阴影地图；
7、获取位于所述三角形内的像素；
8、根据所述阴影地图和单位法线，对所述位于三角形内的像素进行图像渲染，得到每个像素的图像灰度值，完成渲染。
9、进一步地，在上述渲染方法中，所述对栅格化的自然地形特征进行三角化处理，得到若干三角形，具体为：
10、三角形按逆时针连接坐标点的方式生成；三角形的三个顶点坐标为(smap·j+i,smap·(j+1)+i,smap·(j+1)+i+1)或(smap·j+i,smap·(j+1)+i+1,smap·j+i+1)；其中，j,i表示栅格地图内顶点的行列坐标，smap为栅格地图的尺寸。
11、进一步地，在上述渲染方法中，所述计算特征内各个三角形的单位法线，具体为：
12、
13、e02＝p0-p2
14、e12＝p1-p2
15、其中，p0,p1,p2为地图中三角形三个顶点的三维坐标；e02为点p2指向点p0的矢量；e12为点p2指向点p1的矢量；np为该三角形对应的单位法线指向。
16、进一步地，在上述渲染方法中，所述进行阴影预测，具体为：
17、当太阳入射角为0-60°的工况时，采用基于正交相机的阴影地图shadow map方法实时生成阴影；
18、当太阳入射角大于60°的工况时，由地面制备阴影后预装载至星上处理。
19、进一步地，在上述渲染方法中，所述采用基于正交相机的阴影地图shadow map方法实时生成阴影，具体方法为：
20、shadowmap(p)＝|depth(orthocam)(p)|,if|depth(orthocam)(p)|＜shadowmap(p)
21、
22、其中，depth(orthocam)(p)代表正交像面上像素p至该三角形的深度信息，shadowmap(p)代表阴影地图shadow map所记录的正交像面上像素p至该三角形的深度信息；s0,z为正交相机坐标系下正交相机指向点p0的矢量在z轴上的分量，s1,z为正交相机坐标系下正交相机指向点p1的矢量在z轴上的分量，s2,z为正交相机坐标系下正交相机指向点p2的矢量在z轴上的分量，b0、b1、b2为系数变量。
23、进一步地，在上述渲染方法中，获取位于所述三角形内的像素，具体方法为：
24、利用相机内外参数将三角形的三个顶点投影至像平面上，并记录三角形的三个顶点在图像上的行列位置l0、l1和l2；
25、利用所述行列位置，建立搜索窗口；
26、根据所述搜索窗口，判断是否有像素位于该三角形内；
27、判断是否有像素位于该三角形内的方法为：
28、设待判断像素位置为p，分别计算α＝l0l1×l0p、β＝l1l2×l1p和γ＝l2l0×l2p的值，若α、β和γ均大于0或均小于0，则像素p位于该三角形内；否则，像素p不在该三角形内。
29、进一步地，在上述渲染方法中，所述利用所述行列位置，建立搜索窗口，具体为：
30、ymin＝floor(min(l0,u,l1,u,l2,u))
31、ymax＝ceil(max(l0,u,l1,u,l2,u))
32、xmin＝floor(min(l0,v,l1,v,l2,v))
33、xmax＝ceil(max(l0,v,l1,v,l2,v))
34、其中，ymin为搜索窗口的行起始位置，ymax为搜索窗口的行终止位置，xmin为搜索窗口的列起始位置，xmax为搜索窗口的列终止位置；l0,l1,l2为三角形三个顶点p0,p1,p2在相机像平面上的投影位置，l0,u,l0,v为l0的行列位置，l1,u,l1,v为l1的行列位置，l2,u,l2,v为l2的行列位置；floor为向下取整，ceil为向上取整。
35、进一步地，在上述渲染方法中，对所述位于三角形内的像素进行图像渲染，具体方法为：
36、s21、判断像素是否被遮挡，若是，则退出；若否，则更新该像素对应的深度缓存，进入步骤s22；
37、s22、判断像素是否为阴影；若是，则设置该像素的图像灰度值为ε，退出；其中，ε为接近0的数值；否则，进入步骤s23；
38、s23、对像素进行光度渲染，计算该像素对应的相对反照率和观测几何；根据所述相对反照率和观测几何，得到该像素对应的图像灰度值。
39、进一步地，在上述渲染方法中，所述判断像素是否被遮挡，具体方法为：
40、设相机坐标系下相机指向三角形三个顶点p0,p1,p2的矢量分别为d0,d1,d2；d0,d1,d2在像平面上的投影位置为l0,l1,l2，其中，l0,u,l0,v为l0的行列位置，l1,u,l1,v为l1的行列位置，l2,u,l2,v为l2的行列位置；判断本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，其特征在于：所述对栅格化的自然地形特征进行三角化处理，得到若干三角形，具体为：
3.根据权利要求1所述的一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，其特征在于：所述计算特征内各个三角形的单位法线，具体为：
4.根据权利要求1所述的一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，其特征在于：所述进行阴影预测，具体为：
5.根据权利要求4所述的一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，其特征在于：所述采用基于正交相机的阴影地图shadow map方法实时生成阴影，具体方法为：
6.根据权利要求1所述的一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，其特征在于：获取位于所述三角形内的像素，具体方法为：
7.根据权利要求6所述的一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，其特征在于：所述利用所述行列位置，建立搜索窗口，具体为：
8.根据权利要求1所述的一种用于地外
9.根据权利要求8所述的一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，其特征在于：所述判断像素是否被遮挡，具体方法为：
10.根据权利要求8所述的一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，其特征在于：所述判断像素是否为阴影，具体方法为：
11.根据权利要求8所述的一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，其特征在于：所述对像素进行光度渲染，计算像素的图像灰度值，具体方法为：
...【技术特征摘要】
1.一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，其特征在于：所述对栅格化的自然地形特征进行三角化处理，得到若干三角形，具体为：
3.根据权利要求1所述的一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，其特征在于：所述计算特征内各个三角形的单位法线，具体为：
4.根据权利要求1所述的一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，其特征在于：所述进行阴影预测，具体为：
5.根据权利要求4所述的一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，其特征在于：所述采用基于正交相机的阴影地图shadow map方法实时生成阴影，具体方法为：
6.根据权利要求1所述的一种用于地外天体探测任务中的自然特征渲染方法，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：田启航，李涛，华宝成，王立，张成渝，梁潇，吴奋陟，尹芳，吴云，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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