本發(fā)明涉及光學(xué)系統(tǒng)仿真成像技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于光線追跡的光學(xué)相機的建模仿真成像方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星遙感成像技術(shù)是遙感領(lǐng)域中的一個重要技術(shù)，在軍事和國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛，如軍事偵察、導(dǎo)彈預(yù)警、環(huán)境監(jiān)測、資源調(diào)查等。衛(wèi)星遙感成像技術(shù)的研究和發(fā)展在民用和軍事領(lǐng)域都有強烈的需求和應(yīng)用背景。光學(xué)系統(tǒng)作為遙感衛(wèi)星的重要組成部分，通過對遙感衛(wèi)星光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以在衛(wèi)星設(shè)計之初，通過建立可信度高、科學(xué)完善的成像仿真系統(tǒng)，并將向著高精度、高性能和高擴展性方向發(fā)展。

為了獲得完整、仿真精度高的衛(wèi)星仿真系統(tǒng)，需要依次對仿真系統(tǒng)的不同環(huán)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的仿真，深入針對成像仿真體系的各個環(huán)節(jié)影響因素進(jìn)行分析，并由此建立科學(xué)完善、精確度高的仿真模型。

傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)成像仿真成像方法是基于調(diào)制傳遞函數(shù)mtf與線擴展函數(shù)lsf、點擴散函數(shù)psf之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，通過光學(xué)系統(tǒng)mtf計算其二維psf矩陣，通過對圖像進(jìn)行二維psf矩陣退化處理，得到仿真圖像。

但是mtf與psf描述的是ccd(電荷耦合元件)成像的頻率或者空間響應(yīng)特性，然而在成像過程中，還存在著輻射響應(yīng)特性，例如探測器的響應(yīng)度、非均勻性等，僅僅使用mtf或者psf的描述方式是不完整的。因此，傳統(tǒng)的基于mtf或者psf的仿真成像方法并不能實現(xiàn)對遙感相機光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行全面、系統(tǒng)的仿真。

因此，提供一種基于光線追跡的光學(xué)相機仿真成像方法和系統(tǒng)，結(jié)合光線追跡的物理機制及建模仿真，得到高精度的退化仿真圖像，為科研領(lǐng)域提供最真實的遙感數(shù)據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于光線追跡的光學(xué)相機仿真成像方法和系統(tǒng)，在考慮光學(xué)系統(tǒng)像差、ccd傳感器影響的基礎(chǔ)上，得到退化仿真圖像，實現(xiàn)對遙感相機光學(xué)系統(tǒng)及成像系統(tǒng)的仿真。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種基于光線追跡的光學(xué)相機仿真成像方法，包括：光學(xué)系統(tǒng)仿真和成像與光電系統(tǒng)仿真；光學(xué)系統(tǒng)仿真在基于光線追跡光學(xué)系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)建模計算，其中，光學(xué)系統(tǒng)仿真包括：光學(xué)系統(tǒng)建模：根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，在光學(xué)設(shè)計軟件中建立光學(xué)系統(tǒng)模型，得到光學(xué)系統(tǒng)文件；相機畸變建模仿真：通過光學(xué)系統(tǒng)文件，結(jié)合ccd圖像位置，建立相機畸變參數(shù)，并將相機入瞳輻亮度圖像作為輸入，經(jīng)過畸變模型退化后，獲得像面上的畸變圖像；相機彌散斑建模仿真：通過對光學(xué)系統(tǒng)的光線追跡，結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)文件，獲取入瞳面上各個視場上物點在成像面上的彌散斑情況，得到彌散斑矩陣，對像面上的畸變圖像進(jìn)行彌散退化處理，獲得像面上的彌散斑圖像；相機雜散光建模仿真：借助雜散光仿真分析軟件進(jìn)行光線追跡，仿真不同視場下光學(xué)系統(tǒng)對雜散光的抑制情況，得到雜散光輻照度分布數(shù)據(jù)，對像面上的彌散斑圖像進(jìn)行雜散退化處理，獲得像面上的雜散光輻照度圖像；成像與光電系統(tǒng)仿真用于對像面上的雜散輻照度圖像進(jìn)行退化處理，以獲取成像圖像。其中，成像與光電系統(tǒng)仿真包括：光譜響應(yīng)分析模塊：根據(jù)入瞳輻亮度圖像的波段和ccd的光譜響應(yīng)曲線，計算對應(yīng)波段的響應(yīng)度；ccd光電轉(zhuǎn)換建模仿真：根據(jù)ccd的參數(shù)文件及電路參數(shù)文件，對像面上的雜散輻照度圖像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換與積分成像仿真，獲得ccd光電轉(zhuǎn)換仿真圖像；模擬電路建模仿真：根據(jù)設(shè)計電路中模擬電壓信號經(jīng)過電路器件后的響應(yīng)數(shù)據(jù)，獲得模擬電路仿真文件；并對ccd光電轉(zhuǎn)換仿真圖像進(jìn)行退化處理，得到模擬電路仿真圖像；數(shù)模量化建模仿真：通過數(shù)字圖像文件對輸入的模擬電路仿真圖像進(jìn)行退化處理，得到模數(shù)量化仿真圖像，即為輸出相機的數(shù)字圖像。

進(jìn)一步地，相機畸變建模仿真的具體方法，包括：根據(jù)入瞳直徑等數(shù)據(jù)，計算最小采樣間隔；依據(jù)ccd圖像上位置，確定采樣區(qū)域，結(jié)合最小采樣間隔，確定采樣區(qū)域內(nèi)的采樣點；調(diào)用光學(xué)系統(tǒng)軟件，輸入采樣點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)該采樣點的理想像高和實際像高確定該采樣點的畸變值，根據(jù)各采樣點的畸變值建立畸變模型；將相機入瞳輻亮度圖像作為輸入，經(jīng)過視場畸變模型退化后，完成相機畸變仿真。

進(jìn)一步地，相機彌散斑建模仿真的具體方法，包括：通過輸入ccd成像中采樣點的參數(shù)，生成相機彌散斑建模仿真輸入文件；根據(jù)相機彌散斑建模仿真文件參數(shù)，調(diào)用光學(xué)設(shè)計軟件，追蹤物點發(fā)出的光線在像面上的位置，獲取入瞳面上各個視場上物點在成像面上的彌散斑情況，得出采樣點上的點擴散函數(shù)；對每一選定點的點擴散函數(shù)，選取預(yù)定的抽樣尺度進(jìn)行細(xì)化統(tǒng)計，得到采樣點以主光線為中心的彌散斑矩陣；對像面上的畸變圖像與彌散班矩陣進(jìn)行卷積運算，獲得像面上的彌散斑圖像。

進(jìn)一步地，相機雜散光建模仿真的具體方法，包括：

將光學(xué)設(shè)計軟件的光學(xué)系統(tǒng)文件導(dǎo)入光線模擬軟件中，在不進(jìn)行其他設(shè)置的情況下，進(jìn)行光線追跡，得到無雜散光像面輻照度文件，獲取成像光源像面輻照度數(shù)據(jù)ei；

將光學(xué)設(shè)計軟件的光學(xué)系統(tǒng)文件導(dǎo)入光線模擬軟件中，完成光源建模設(shè)置然后進(jìn)行光線追跡，得到雜散光像面輻照度文件，獲取包含雜散光與成像光的像面輻照度數(shù)據(jù)eh；

將得到的包含雜散光與成像光的像面輻照度數(shù)據(jù)eh，與成像光源像面輻照度數(shù)據(jù)ei，矩陣相減可算得到像面雜散光輻照度分布數(shù)據(jù)es：

es＝eh-ei

根據(jù)雜散光輻照度分布數(shù)據(jù)es，計算像面雜散光相對輻照度數(shù)據(jù)er：

er[i,j]＝es[i,j]/strymax

式中，er[i,j]與es[i,j]分別代表像面某點的雜散光相對輻照度與雜散光輻照度數(shù)據(jù)；strymax代表成像光源像面最大輻照度數(shù)據(jù)。

依據(jù)像面雜散光相對輻照度數(shù)據(jù)與像面上的彌散斑圖像，得到像面上的雜散光輻照度圖像ef；

ef[i,j]＝eimg[i,j]+imax·er[i,j]

式中，eimg[i,j]代表彌散光圖像在(i,j)點的灰度值；imax代表圖像最大灰度值。通過將雜散光輻照度數(shù)據(jù)疊加到彌散光圖像中，實現(xiàn)了像面雜散光圖像的仿真計算。

進(jìn)一步地，ccd光電轉(zhuǎn)換建模仿真的具體方法，包括：

計算ccd各采樣點在像面上雜散光輻照度圖像上的坐標(biāo)位置，確定采樣像素的邊界位置，重新劃分圖像像素；

通過雜散光輻照度數(shù)據(jù)及ccd占空比，計算ccd探元實際接收到的光照度：

ereal＝e×msr

式中，msr為ccd占空比，e為雜散光輻照度。

計算每個波段λ對應(yīng)的輸出電壓；

則當(dāng)曝光時間為時，單一波段對應(yīng)的輸出電壓為：

vλ＝rλ×ereal,λ×τ

式中，rλ為ccd響應(yīng)度，τ為ccd積分時間，eresl，λ為單一波段的電壓值。

計算n個輸入波段的輸出電壓：

計算探元圖像亮度的不一致性；

y[i]＝k[i]×x[i]+b[i]

其中，x[i]為第i個探元的輸出電壓值，y[i]為對應(yīng)探元的輸出，k[i]為第i個探元的不一致性響應(yīng)系數(shù)；b[i]為第i個探元的不一致性偏置系數(shù)。

疊加噪聲信號以獲取真實輸出電壓信號；

vreal＝v+vnoise

式中，vnoise為噪聲電壓。

根據(jù)ccd動態(tài)范圍對單一探元輸出電壓的影響，保存ccd單一探元光電轉(zhuǎn)換輸出的電壓圖像文件vout。

輸入像面上的雜散光輻照度圖像，根據(jù)電壓圖像文件對雜散光輻照度圖像進(jìn)行退化處理，得到ccd光電轉(zhuǎn)換仿真圖像。

本發(fā)明還提出了一種基于光線追跡的光學(xué)相機仿真成像系統(tǒng)，包括：光學(xué)系統(tǒng)仿真單元和成像與光電系統(tǒng)仿真單元；其中，光學(xué)系統(tǒng)仿真單元包括：光學(xué)系統(tǒng)建模模塊，用于在光學(xué)設(shè)計軟件中建立光學(xué)系統(tǒng)模型，得到光學(xué)系統(tǒng)文件；相機畸變仿真模塊，用于建立相機幾何畸變參數(shù)，將相機入瞳輻亮度圖像作為輸入，經(jīng)過畸變模型退化后，獲得像面上的畸變圖像；相機彌散斑仿真模塊，用于計算入瞳面上各個視場上物點在成像面上的彌散斑情況，得到彌散斑矩陣，對像面上的畸變圖像進(jìn)行彌散退化處理，獲得像面上的彌散斑圖像；相機雜散光仿真模塊，用于仿真不同視場下光學(xué)系統(tǒng)對雜散光的抑制情況，得到雜散光輻照度分布數(shù)據(jù)。對像面上的彌散斑圖像進(jìn)行雜散退化處理，獲得像面上的雜散光輻照度圖像。

進(jìn)一步地，成像與光電系統(tǒng)仿真單元包括：光譜響應(yīng)分析模塊，用于根據(jù)入瞳輻亮度圖像的波段和ccd的光譜響應(yīng)曲線，計算對應(yīng)波段的響應(yīng)度；ccd光電轉(zhuǎn)換仿真模塊，用于建立ccd光電轉(zhuǎn)換模型，根據(jù)ccd的參數(shù)文件及電路參數(shù)文件對雜散光輻照度圖像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換與積分成像仿真，獲得ccd光電轉(zhuǎn)換仿真圖像；模擬電路仿真模塊，用于根據(jù)設(shè)計電路中模擬電壓信號經(jīng)過電路器件后的響應(yīng)數(shù)據(jù)，獲得模擬電路仿真文件；并對ccd光電轉(zhuǎn)換仿真圖像進(jìn)行退化處理，得到模擬電路仿真圖像；數(shù)模量化仿真模塊，通過數(shù)字圖像文件對輸入的模擬電路仿真圖像進(jìn)行退化處理，得到模數(shù)量化仿真圖像，即為輸出相機的數(shù)字圖像。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的基于光線追跡的光學(xué)相機仿真成像方法和系統(tǒng)，實現(xiàn)了如下的有益效果：

(1)本發(fā)明所述基于光線追跡的光學(xué)相機仿真成像方法和系統(tǒng)，綜合考慮遙感相機光學(xué)系統(tǒng)及ccd成像系統(tǒng)對成像結(jié)果的影響因素，建立詳細(xì)完整的遙感相機參數(shù)數(shù)據(jù)庫，使仿真圖像與真實圖像有更高的貼近度，具有較高地仿真精度。

(2)本發(fā)明所述基于光線追跡的光學(xué)相機仿真成像方法和系統(tǒng)，包含了相機光學(xué)系統(tǒng)畸變、彌散斑及雜散光的光學(xué)相機成像仿真方法，實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)仿真模型計算；在實現(xiàn)基于光線追跡光學(xué)系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，設(shè)計精度自適應(yīng)計算模型，在滿足精度要求基礎(chǔ)上，提高運算速度，實現(xiàn)短時間光學(xué)系統(tǒng)建模計算。

(3)本發(fā)明所述基于光線追跡的光學(xué)相機仿真成像方法和系統(tǒng)，在詳細(xì)的ccd相機設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上對ccd相機成像過程中的各個子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，在對各子系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，對整個遙感相機采用端到端的系統(tǒng)輸入輸出連接實現(xiàn)相機ccd成像系統(tǒng)的仿真，建立完備的仿真技術(shù)框架，對子系統(tǒng)建立準(zhǔn)確模型。

當(dāng)然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品必不特定需要同時達(dá)到以上所述的所有技術(shù)效果。

通過以下參照附圖對本發(fā)明的示例性實施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征及其優(yōu)點將會變得清楚。

附圖說明

被結(jié)合在說明書中并構(gòu)成說明書的一部分的附圖示出了本發(fā)明的實施例，并且連同其說明一起用于解釋本發(fā)明的原理。

圖1為本發(fā)明實施例所示基于光線追跡的光學(xué)相機仿真成像方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例所示相機畸變建模仿真方法的流程示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例所示相機雜散光建模仿真方法的流程示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例所示ccd光電轉(zhuǎn)換建模仿真方法的流程示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例所示基于光線追跡的光學(xué)相機仿真成像系統(tǒng)的構(gòu)成圖。

具體實施方式

現(xiàn)在將參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的各種示例性實施例。應(yīng)注意到：除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對布置、數(shù)字表達(dá)式和數(shù)值不限制本發(fā)明的范圍。

以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發(fā)明及其應(yīng)用或使用的任何限制。

對于相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的技術(shù)、方法和設(shè)備可能不作詳細(xì)討論，但在適當(dāng)情況下，所述技術(shù)、方法和設(shè)備應(yīng)當(dāng)被視為說明書的一部分。

在這里示出和討論的所有例子中，任何具體值應(yīng)被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它例子可以具有不同的值。

應(yīng)注意到：相似的標(biāo)號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進(jìn)行進(jìn)一步討論。

為了解決傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)成像仿真存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于光線追跡的光學(xué)相機仿真成像方法和系統(tǒng)，建立針對遙感圖像的高精度仿真系統(tǒng)，在考慮光學(xué)系統(tǒng)像差、ccd傳感器影響的基礎(chǔ)上，以光學(xué)系統(tǒng)入瞳輻亮度圖像作為輸入待仿真圖像，依次通過各個模塊仿真，得到退化仿真圖像。以解決在現(xiàn)有光學(xué)相機建模的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對遙感相機光學(xué)系統(tǒng)及光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的仿真。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于光線追跡的光學(xué)相機仿真成像方法的流程示意圖，該方法包括光學(xué)系統(tǒng)仿真和成像與光電系統(tǒng)仿真，其中光學(xué)系統(tǒng)仿真基于光線追跡光學(xué)系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)建模計算，包括如下步驟：

步驟101、光學(xué)系統(tǒng)建模：根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，在光學(xué)設(shè)計軟件中建立光學(xué)系統(tǒng)模型，得到光學(xué)系統(tǒng)文件；

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)(如：鏡面的材質(zhì)與表面類型，焦距，曲率半徑等)依次輸入光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計軟件(如zemax)的界面中，建立光學(xué)系統(tǒng)模型，得到理想的光學(xué)系統(tǒng)文件，用于后續(xù)的相機成像建模仿真。

步驟102、相機畸變建模仿真：通過光學(xué)系統(tǒng)文件，結(jié)合ccd圖像位置，建立相機畸變參數(shù)，并將相機入瞳輻亮度圖像作為輸入，經(jīng)過畸變模型退化后，獲得像面上的畸變圖像；

在實際光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)視場較大時，一對共軛面上的放大率就要隨視場而異，這樣就會使圖像相對于實物失去相似性，這種使圖像變形的缺陷稱為畸變。

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)建模得到的光學(xué)系統(tǒng)文件，結(jié)合ccd在像面上的位置，建立相機幾何畸變參數(shù)，并將相機入瞳輻亮度圖像作為輸入，經(jīng)過畸變模型退化后，獲得像面上的畸變圖像。

在一些可選的實施例中，相機畸變建模仿真的具體方法如圖2所示，包括如下步驟：

步驟201、根據(jù)入瞳直徑等數(shù)據(jù)，計算最小采樣間隔；

根據(jù)入瞳直徑及地面目標(biāo)到衛(wèi)星相機的距離，根據(jù)如下公式計算地面目標(biāo)的成像分辨率：

其中，d為入瞳直徑，h為地面目標(biāo)到衛(wèi)星相機的距離，由此可獲得光學(xué)系統(tǒng)的理想成像，λ為相機成像中心波長。

在光學(xué)系統(tǒng)輸入成像分辨率，即可得到采樣間隔；

其中，f為相機焦距。

步驟202、依據(jù)ccd圖像上位置，選取采樣區(qū)域，結(jié)合最小采樣間隔，確定采樣區(qū)域內(nèi)的采樣點；

其中，最小采樣間隔是指相鄰兩個采樣點之間的預(yù)設(shè)距離，該預(yù)設(shè)距離由衛(wèi)星遙感相機的分辨率確定。

步驟203、調(diào)用zemax光學(xué)系統(tǒng)軟件，輸入采樣點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)該采樣點的理想像高和實際像高確定該采樣點的畸變值，根據(jù)各采樣點的畸變值建立畸變模型；

步驟204、將相機入瞳輻亮度圖像作為輸入，經(jīng)過畸變模型退化后，完成相機畸變仿真，獲得像面上的畸變圖像。

步驟103、相機彌散斑建模仿真：通過對光學(xué)系統(tǒng)的光線追跡，結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)文件，計算入瞳面上各個視場上物點在成像面上的彌散斑情況，得到彌散斑矩陣，對像面上的畸變圖像進(jìn)行彌散退化處理，獲得像面上的彌散斑圖像；

在光學(xué)系統(tǒng)中并不是只存在畸變像差，還要考慮由于球差、彗差等像差，導(dǎo)致物點在像面上的成像不再是一個匯聚點，而為彌散斑。因此，對于相機畸變以外的像差仿真，建立彌散斑模型。該模型可通過zemax軟件對光學(xué)系統(tǒng)的光線追跡來計算得出。具體仿真方式如下：

通過輸入ccd成像中采樣點的參數(shù)，生成相機彌散建模仿真輸入文件；根據(jù)相機彌散斑建模仿真文件參數(shù)，調(diào)用zemax光學(xué)系統(tǒng)軟件，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的光線追跡理論，追蹤物點發(fā)出的光線在像面上的位置，獲取入瞳面上各個視場上物點在成像面上的彌散斑情況，得出采樣點上的點擴散函數(shù)(psf)；

對每一選定點的點擴散函數(shù)，選取適當(dāng)?shù)某闃映叨冗M(jìn)行細(xì)化統(tǒng)計，得到采樣點以主光線為中心的彌散斑矩陣；

對步驟102得到的像面上的畸變圖像與彌散班矩陣進(jìn)行卷積運算，獲得像面上的彌散斑圖像。

步驟104、相機雜散光建模仿真：借助光線模擬軟件(tracepro)進(jìn)行光線追跡，仿真不同視場下光學(xué)系統(tǒng)對雜散光的抑制情況，得到雜散光輻照度分布數(shù)據(jù)，對像面上的彌散斑圖像進(jìn)行雜散退化處理，獲得像面上的雜散光輻照度圖像；

雜散光是指遠(yuǎn)離吸收光的其它波長的入射光，由于光源發(fā)出的光經(jīng)過光學(xué)元件表面時會發(fā)生反射，從光學(xué)元件表面以及大氣中的灰塵也可以發(fā)生散射，這些都會產(chǎn)生雜散光，從而影響成像的清晰度。

根據(jù)雜散光仿真的需要，通過對光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及遮光罩進(jìn)行建模，采用一種基于光線追跡算法的tracepro模型的雜散光建模仿真，計算像面輻照度圖像，使圖像仿真精度大幅度提高。

在一些可選的實施例中，相機雜散光建模仿真的具體方法如圖3所示：

步驟301、將zamax光學(xué)設(shè)計軟件的光學(xué)系統(tǒng)文件導(dǎo)入tracepro軟件中，在不進(jìn)行其他設(shè)置的情況下，進(jìn)行光線追跡，得到無雜散光像面輻照度文件，獲取成像光源像面輻照度數(shù)據(jù)ei。

步驟302、將zamax光學(xué)設(shè)計軟件的光學(xué)系統(tǒng)文件導(dǎo)入tracepro軟件中，完成光源建模設(shè)置然后進(jìn)行光線追跡，得到雜散光像面輻照度文件，獲取包含雜散光與成像光的像面輻照度數(shù)據(jù)ei；

具體地，將zamax光學(xué)設(shè)計軟件的光學(xué)系統(tǒng)文件作為原始光學(xué)系統(tǒng)導(dǎo)入tracepro軟件中，根據(jù)相機參數(shù)設(shè)置光路中鏡面的材質(zhì)與表面類型；按照仿真需要，添加鏡筒，遮光罩等部件完善雜散光建模仿真模型；設(shè)置仿真光源類型，依據(jù)光學(xué)系統(tǒng)光路情況設(shè)置格點光源的半徑及范圍，輸入光源入射方向參數(shù)，設(shè)置入射光源波長，完成光源建模設(shè)置。然后進(jìn)行光線追跡，得到雜散光像面輻照度文件，即為包含雜散光與成像光的像面輻照度數(shù)據(jù)eh。

作為一個實施例，可以選擇格點光源作為仿真光源。

步驟303、將得到的包含雜散光與成像光的像面輻照度數(shù)據(jù)eh，與成像光源像面輻照度數(shù)據(jù)ei，矩陣相減可算得到像面雜散光輻照度分布數(shù)據(jù)es；

es＝eh-ei

步驟304、根據(jù)雜散光輻照度分布數(shù)據(jù)es，計算像面雜散光相對輻照度數(shù)據(jù)er；

er[i,j]＝es[i,j]/strymax

式中，er[i,j]與es[i,j]分別代表像面上某點的雜散光相對輻照度與雜散光輻照度數(shù)據(jù)；strymax代表成像光源像面最大輻照度數(shù)據(jù)。

步驟305、依據(jù)像面雜散光相對輻照度數(shù)據(jù)與像面上的彌散斑圖像，得到像面上的雜散光輻照度圖像ef；

ef[i,j]＝eimg[i,j]+imax·er[i,j]

式中，eimg[i,j]代表彌散光圖像在(i,j)點的灰度值；imax代表圖像最大灰度值。通過將雜散光輻照度數(shù)據(jù)疊加到彌散光圖像中，實現(xiàn)了像面雜散光圖像的仿真計算。

成像與光電系統(tǒng)仿真用于對像面上的雜散光輻照度圖像進(jìn)行退化處理，以獲取成像圖像。其中，成像與光電系統(tǒng)仿真包括：

步驟105、光譜響應(yīng)分析模塊：根據(jù)入瞳輻亮度圖像的波段和ccd的光譜響應(yīng)曲線，計算對應(yīng)波段的響應(yīng)度；

根據(jù)入瞳輻亮度圖像的波長，及ccd的光譜響應(yīng)曲線，計算對應(yīng)成像波段范圍在λi～λj(i<j)的光譜響應(yīng)度(rλi)，ccd光譜響應(yīng)度為：

步驟106、ccd光電轉(zhuǎn)換建模仿真：根據(jù)ccd的參數(shù)文件及電路參數(shù)文件，對雜散輻照度圖像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換與積分成像仿真，獲得ccd輸出的電壓仿真圖像；

ccd的光電轉(zhuǎn)換過程主要是把入射在光敏元上的光信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程。仿真退化計算ccd光電轉(zhuǎn)換對圖像信息的處理過程，主要考慮的因素包括ccd傳感器的占空比、響應(yīng)度、噪聲、暗電流、ccd器件探元不一致性。

在一些可選的實施例中，ccd光電轉(zhuǎn)換建模仿真具體步驟如圖4所示：

步驟401、計算ccd各采樣點在雜散仿真圖像上的坐標(biāo)位置，確定采樣像素的邊界位置，重新劃分圖像像素。

步驟402、通過雜散光輻照度數(shù)據(jù)及ccd占空比，計算ccd探元實際接收到的光照度；

ereal＝e×msr

式中，msr為ccd占空比，e為雜散光輻照度。

步驟403、計算每個波段λ對應(yīng)的輸出電壓；

當(dāng)曝光時間為τ時，則單一波段對應(yīng)的輸出電壓為：

vλ＝rλ×ereal,λ×τ

式中，rλ為ccd響應(yīng)度，τ為ccd積分時間，eresl，λ為單一波段的電壓值。

步驟404、計算n個輸入波段的輸出電壓；

步驟405、計算探元圖像亮度的不一致性；

由于探元響應(yīng)的不一致性，在均勻光照下，各探元產(chǎn)生不同的電荷，導(dǎo)致各探元的圖像亮度不同。

y[i]＝k[i]×x[i]+b[i]

其中，x[i]為第i個探元的輸出電壓值，y[i]為對應(yīng)探元的輸出，k[i]為第i個探元的不一致性響應(yīng)系數(shù)；b[i]為第i個探元的不一致性偏置系數(shù)。

在ccd器件手冊中通常會給出prnu(光響應(yīng)不一致性)和fpn(固定圖形噪聲)，其中fpn的主要成分就是b[i]，而prnu-fpn就是k[i]的分布強度，這兩個參數(shù)的分布服從正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差由fpn和prnu兩個參數(shù)確定。

在本實施例中，k[i]和b[i]由探元非均勻性參數(shù)逐探元給出。

在具體實施例中，探元響應(yīng)的不一致性可采用線性函數(shù)來表征。

步驟406、疊加噪聲信號以獲取真實輸出電壓信號；

ccd在存儲和轉(zhuǎn)移信息電荷的過程中，都有噪聲的疊加，影響信號的真實再現(xiàn)，因此真實輸出電壓信號為：

vreal＝v+vnoise

式中，vnoise為噪聲電壓。

步驟407、根據(jù)ccd動態(tài)范圍對單一探元輸出電壓的影響，保存ccd單一探元光電轉(zhuǎn)換輸出的電壓圖像文件vout。

其中，vdarkcurrent為暗電流，即ccd成像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號。

vsat為飽和輸出電壓，即入射到光敏元上的曝光量大于某一限度時器件輸出的信號電壓值，此時器件輸出不再隨曝光量的增加而變化。

步驟408、輸入像面上的雜散光輻照度圖像，根據(jù)電壓圖像文件對雜散仿真圖像進(jìn)行退化處理，得到ccd光電轉(zhuǎn)換仿真圖像。

步驟107、模擬電路建模仿真：根據(jù)設(shè)計電路中模擬電壓信號經(jīng)過電路器件后的響應(yīng)數(shù)據(jù)，獲得模擬電路仿真文件；并對ccd光電轉(zhuǎn)換仿真圖像進(jìn)行退化處理，得到模擬電路仿真圖像；

模擬電路仿真就是仿真模擬電路各個環(huán)節(jié)對模擬電壓信號的響應(yīng)，根據(jù)電路的特性參數(shù)，仿真信號經(jīng)過這些電路模塊后的響應(yīng)數(shù)據(jù)，包括：

根據(jù)預(yù)放電路的放大倍數(shù)，對ccd傳感器輸出的模擬電壓信號進(jìn)行阻抗匹配和放大；

根據(jù)低通濾波器頻率對預(yù)放電路輸出的模擬電壓信號進(jìn)行低通濾波；

根據(jù)后置放大器的增益放大倍數(shù)和偏置放大量，對濾波電路輸出的模擬電壓進(jìn)行調(diào)整；

根據(jù)相機噪聲仿真模塊產(chǎn)生的電路噪聲，對后置放大電路輸出的電壓信號疊加模擬電路噪聲，最后保存輸出模擬電路仿真文件；

輸入ccd光電轉(zhuǎn)換仿真圖像，根據(jù)電壓圖像文件對ccd光電轉(zhuǎn)換仿真圖像進(jìn)行退化處理，得到ccd模擬電路仿真圖像。

步驟108、數(shù)模量化建模仿真：通過數(shù)字圖像文件對輸入的模擬電路仿真圖像進(jìn)行退化處理，得到模數(shù)量化仿真圖像，即為輸出相機的數(shù)字圖像。

本發(fā)明實施例，綜合考慮遙感相機光學(xué)系統(tǒng)仿真及成像與光電系統(tǒng)仿真對成像結(jié)果的影響因素，建立詳細(xì)完整的遙感相機參數(shù)數(shù)據(jù)庫，使仿真圖像與真實圖像有更高的貼近度，具有較高地仿真精度。

圖5為本發(fā)明實施例所示基于光線追跡的光學(xué)相機仿真成像系統(tǒng)的構(gòu)成圖；該仿真成像系統(tǒng)包括：光學(xué)系統(tǒng)仿真單元51和成像與光電系統(tǒng)仿真單元52。其中，光學(xué)系統(tǒng)仿真單元51包括：光學(xué)系統(tǒng)建模模塊511、相機畸變仿真模塊512、相機彌散斑仿真模塊513和相機雜散光仿真模塊514。

光學(xué)系統(tǒng)仿真單元51是在光線追跡光學(xué)系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，設(shè)計精度自適應(yīng)計算模型，快速實現(xiàn)對入瞳輻亮度圖像的退化仿真計算。

光學(xué)系統(tǒng)建模模塊511，用于在光學(xué)設(shè)計軟件中建立光學(xué)系統(tǒng)模型，得到光學(xué)系統(tǒng)文件。

相機畸變仿真模塊512與光學(xué)系統(tǒng)建模模塊511相連接，用于建立相機幾何畸變參數(shù)，將相機入瞳處的輻亮度圖像作為輸入，經(jīng)過畸變模型退化后，獲得像面上的畸變圖像。

相機畸變仿真模塊512依據(jù)ccd圖像上位置，確定采樣區(qū)域，結(jié)合最小采樣間隔，確定采樣點坐標(biāo)；調(diào)用zemax光學(xué)系統(tǒng)軟件，輸入采樣點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，獲得視場畸變數(shù)據(jù)；將相機入瞳輻亮度圖像作為輸入，經(jīng)過視場畸變模型退化后，完成相機畸變仿真，獲得像面上的畸變圖像。系統(tǒng)將相機畸變圖像直接傳輸至相機彌散斑仿真模塊513。

相機彌散斑仿真模塊513與相機畸變仿真模塊512相連接，用于計算入瞳面上各個視場上物點在成像面上的彌散斑情況，得到彌散斑矩陣，對像面上的畸變圖像進(jìn)行彌散退化處理，獲得像面上的彌散斑圖像。

相機彌散斑仿真模塊513根據(jù)光線追跡及光學(xué)系統(tǒng)文件，追蹤物點發(fā)出的光線在像面的位置，獲取彌散斑情況；調(diào)用zemax光學(xué)系統(tǒng)軟件，獲取彌散板矩陣。將相機畸變仿真模塊512輸出的相機畸變圖像進(jìn)行彌散退化處理，獲得像面上的彌散斑圖像。系統(tǒng)將彌散斑圖像傳輸至相機雜散光仿真單元514。

相機雜散光仿真模塊514與相機彌散斑仿真模塊513相連接，用于仿真不同視場下光學(xué)系統(tǒng)對雜散光的抑制情況，得到雜散光輻照度分布數(shù)據(jù)。對像面上的彌散斑圖像進(jìn)行雜散退化處理，獲得像面上的雜散光輻照度圖像。

相機雜散光仿真模塊514通過對光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及遮光罩進(jìn)行建模，仿真不同的光學(xué)市場，借助雜散光仿真分析軟件(tracepro)進(jìn)行光線追跡，得到成像光源像面輻照度數(shù)據(jù)ei以及包含雜散光與成像光的像面輻照度數(shù)據(jù)eh，通過二者矩陣可得到像面雜散光輻照度數(shù)據(jù)；通過與相機彌散斑仿真模塊513輸出的彌散斑圖像相疊加，得到像面上的雜散光輻照度圖像。系統(tǒng)將像面上的雜散光輻照度圖像直接傳輸至成像與光電系統(tǒng)仿真單元52。

成像與光電系統(tǒng)仿真單元52包括：光譜響應(yīng)分析模塊521、ccd光電轉(zhuǎn)換仿真模塊522、模擬電路仿真模塊523和數(shù)模量化仿真模塊524。

成像與光電系統(tǒng)仿真單元52用于對像面上的雜散光輻照度圖像進(jìn)行退化處理，以獲取成像圖像。

光譜響應(yīng)分析模塊521用于根據(jù)入瞳輻亮度圖像的波段和ccd的光譜響應(yīng)曲線，計算對應(yīng)波段的響應(yīng)度。

ccd光電轉(zhuǎn)換仿真模塊522與光學(xué)系統(tǒng)仿真單元51的相機雜散光仿真模塊513和光譜響應(yīng)分析模塊521相連接，用于建立ccd光電轉(zhuǎn)換模型，根據(jù)ccd的參數(shù)文件及電路參數(shù)文件對雜散光輻照度圖像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換與積分成像仿真，獲得ccd光電轉(zhuǎn)換仿真圖像。

ccd光電轉(zhuǎn)換仿真模塊522主要是把入射在光敏元上的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，結(jié)合ccd傳感器的占空比、響應(yīng)度、噪聲、暗電流、ccd器件探元不一致性以及積分時間等影響因素，仿真ccd光電轉(zhuǎn)換對相機雜散光仿真模塊514輸出的雜散光輻照度圖像進(jìn)行退化處理，得到ccd光電轉(zhuǎn)換仿真圖像。系統(tǒng)將光電轉(zhuǎn)換仿真圖像直接傳輸至模擬電路仿真模塊523。

模擬電路仿真模塊523與ccd光電轉(zhuǎn)換仿真模塊522相連接，用于根據(jù)設(shè)計電路中模擬電壓信號經(jīng)過電路器件后的響應(yīng)數(shù)據(jù)，獲得模擬電路仿真文件；并對ccd光電轉(zhuǎn)換仿真圖像進(jìn)行退化處理，得到模擬電路仿真圖像。

模擬電路仿真單元523用于電路中的模擬電壓信號分別經(jīng)過電路器件的阻抗匹配和放大，低通濾波，電壓調(diào)整和噪聲疊加處理后，得到模擬電路仿真文件。對ccd光電轉(zhuǎn)換仿真模塊522輸出的ccd光電轉(zhuǎn)換仿真圖像，進(jìn)行退化處理，得到ccd模擬電路仿真圖像。系統(tǒng)將ccd模擬電路仿真圖像直接傳輸至數(shù)模量化仿真模塊524。

數(shù)模量化仿真模塊524與模擬電路仿真模塊523相連接，通過數(shù)字圖像文件對輸入的模擬電路仿真圖像進(jìn)行退化處理，得到模數(shù)量化仿真圖像，即為輸出相機的數(shù)字圖像。

通過上述實施例可知，本發(fā)明的基于光線追跡的光學(xué)相機仿真成像方法和系統(tǒng)，達(dá)到了如下的有益效果：

(1)本發(fā)明所述基于光線追跡的光學(xué)相機仿真成像方法和系統(tǒng)，綜合考慮遙感相機光學(xué)系統(tǒng)及ccd成像系統(tǒng)對成像結(jié)果的影響因素，建立詳細(xì)完整的遙感相機參數(shù)數(shù)據(jù)庫，使仿真圖像與真實圖像有更高的貼近度，具有較高地仿真精度。

(2)本發(fā)明所述基于光線追跡的光學(xué)相機仿真成像方法和系統(tǒng)，包含了相機光學(xué)系統(tǒng)畸變、彌散斑及雜散光的光學(xué)相機成像仿真方法，實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)仿真模型計算；在實現(xiàn)基于光線追跡光學(xué)系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，設(shè)計精度自適應(yīng)計算模型，在滿足精度要求基礎(chǔ)上，提高運算速度，實現(xiàn)短時間光學(xué)系統(tǒng)建模計算。

(3)本發(fā)明所述基于光線追跡的光學(xué)相機仿真成像方法和系統(tǒng)，在詳細(xì)的ccd相機設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上對ccd相機成像過程中的各個子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，在對各子系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，對整個遙感相機采用端到端的系統(tǒng)輸入輸出連接實現(xiàn)相機ccd成像系統(tǒng)的仿真，建立完備的仿真技術(shù)框架，對子系統(tǒng)建立準(zhǔn)確模型。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的實施例可提供為方法、裝置、或計算機程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、cd-rom、光學(xué)存儲器等)上實施的計算機程序產(chǎn)品的形式。

雖然已經(jīng)通過例子對本發(fā)明的一些特定實施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，以上例子僅是為了進(jìn)行說明，而不是為了限制本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，可在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，對以上實施例進(jìn)行修改。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求來限定。