小天体在轨渲染观测技术

刘兴潭; 张成渝; 武延鹏; 华宝成; 吴奋陟

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

小天体在轨渲染观测技术

更新时间：2021-08-25

- 小天体在轨渲染观测技术
- On-orbit rendering observation technology of small celestial bodies
- 光学精密工程 2021年页码：1-9
- 作者机构：
  
  中国空间技术研究院北京控制工程研究所，北京 100190
- 作者简介：
  
  [ "刘兴潭（1994-），女，山东临沂人，工程师，2016年于北京航空航天大学获得学士学位，2019年于中国空间技术研究院获得硕士学位，主要从事光电敏感器设计，计算机视觉的研究。E-mail：xingtanliu@163.com" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(11903004)
- DOI：
  中图分类号： TP751.2
- 收稿日期：2021-05-06，
  
  修回日期：2021-05-28，
- 稿件说明：
移动端阅览
刘兴潭,张成渝,武延鹏等.小天体在轨渲染观测技术[J].光学精密工程,

LIU Xing-tan,ZHANG Cheng-yu,WU Yan-peng,et al.On-orbit rendering observation technology of small celestial bodies[J].Optics and Precision Engineering,
刘兴潭,张成渝,武延鹏等.小天体在轨渲染观测技术[J].光学精密工程, DOI：10.37188/OPE..0001

LIU Xing-tan,ZHANG Cheng-yu,WU Yan-peng,et al.On-orbit rendering observation technology of small celestial bodies[J].Optics and Precision Engineering, DOI：10.37188/OPE..0001

摘要

提出了一套空间光场中的小天体在轨序列图像渲染观测方法，综合小天体表面反射特性、轨道特性与观测需求，提供目标在观测时刻的位姿序列、光照角度、相机特性等参数，生成符合探测器成像特性的物理渲染图像集。首先，对三维基准模型建立、反射特性文件生成、物理渲染的光线追迹、归一化光谱与灰度响应快速转化方法进行了研究。然后，由渲染图像真实度检验与地形三维建模试验，针对糸川小行星在特定观测时刻与位置的图像进行闭环模拟观测验证。实验结果表明，通过匹配重建模型的二维投影地形图，图像灰度值配准的平均均方根误差为0.178 5，对应约为小天体地表0.062 8 m的海拔高差。渲染观测方法能够有效服务于小天体地形模型重建与相对导航闭环分析环境的搭建。此外，为满足在轨快速解算需求，提出的归一化光谱与灰度响应的快速转化方法，在精度不变的情况下，解算时间由数小时大幅缩短为秒级。

Abstract

A set of small celestial In-orbit sequence image Rendering Observation Technology（IROT） in space light field is proposed， which integrates the surface reflection characteristics， orbital characteristics and observation needs of small celestial bodies， provides parameters such as position sequence， light angle and camera characteristics of the target at the observation time， and generates a physical rendering image set that conforms to the imaging characteristics of the detector. First， the methods of 3D reference model establishment， reflection characteristic file generation， physically based rendering， fast conversion method of normalized spectrum and gray response are studied. Then， by rendering image authenticity test and terrain 3D modeling test， the closed-loop simulation observation verification is carried out for the images of Itokawa at a specific observation time and location. Experimental results indicate that by matching the two-dimensional projected topographic map of the reconstruction model， the root mean square of the image grayscale value registration is 0.1785， corresponding to the elevation difference about 0.0628 m of the surface of the small celestial body. The rendering observation technology can effectively serve the reconstruction of the terrain model of small celestial bodies and the construction of terrain relative navigation closed-loop analysis environment. In addition， in order to meet the needs of on orbit fast calculation， the fast conversion method of normalized spectrum and gray response is proposed. Under the same accuracy， the calculation time is greatly reduced from several hours to seconds.

关键词

Keywords

references

PARKES S M ， MARTIN I ， DUNSTAN M ， et al . Planet surface simulation with PANGU ［C］. Space OPS 2004 Conference . Montreal， Quebec ， Canada. Reston ， Virigina： AIAA， 2004 ： 592 - 389 .

Schwarz R . Development of an Illumination Simulation Software for the Moon's surface ： An Approach to Illumination Direction Estimation on Pictures of Solid Planetary Surfaces with a Significant Number of Craters ［M］. BoD-Books on Demand ， 2016 ： 29 - 46 .

秦春林 . 全局光照技术：从离线到实时渲染［M］. 成都：电子科技大学出版社， 2018 ： 41 - 49 .

QIN CH L . Global Illumination Technology： From Offline to Real-time Rendering ［M］. Chengdu ： University of Electronic Science and Technology Press ， 2018 ： 41 - 49 . （in Chinese）

PHARR M ， JAKOB W ， HUMPHREYS G . Physically Based Rendering ： From Theory to Implementation ［M］. Morgan Kaufmann ， 2017 ： 348 - 353 .

HORN B K P . Obtaining Shape from Shading Information ［M］. Shape from shading . MIT Press ， Cambridge， MA， USA ， 1989 ： 123 – 171 .

FLAVELL L . Beginning Blender ： Open Source 3 D Modeling ， Animation ， and Game Design ［M］. Apress ， 2010 ： 15 - 39 .

HEASLY B S ， COTTARIS N P ， LICHTMAN D P ， et al . RenderToolbox3： MATLAB tools that facilitate physically based stimulus rendering for vision research ［J］. Journal of Vision ， 2014 ， 14 （ 2 ）： 6 .

刘兴潭，吴奋陟，武延鹏 . 小行星光学导航敏感器技术发展趋势［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 12 z）： 1 - 17 .

LIU X T ， WU F Z ， WU Y P . Development trend of optical navigation sensor technology for asteroid exploration ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 12 z）： 1 - 17 . （in Chinese）

GASKELL R ， SAITO J ， ISHIGURO M ， et al . Gaskell itokawa shape model V 1.0 ［J］. Nasa Planetary Data System ， 2008 ， 92

BINZEL R P ， RIVKIN A S ， BUS S J ， et al . MUSES-C target asteroid （25143） 1998 SF36： a reddened ordinary chondrite ［J］. Meteoritics & Planetary Science ， 2001 ， 36 （ 8 ）： 1167 - 1172 .

ACTON C ， BACHMAN N ， RIO J D D ， et al . SPICE： a means for determining observation geometry ［C］. EPSC-DPS Joint Meeting ， 2011 .

STRUNZ H C ， BAKER T ， ETHRIDGE D . Estimation of stellar instrument magnitudes ［C］. Space Guidance ， Control ， and Tracking. Orlando ， FL. SPIE， 1993 ： 228 - 236 .

李春艳，武延鹏，卢欣 . 基于恒星敏感器的仪器星等修正方法［J］. 计测技术， 2009 ， 29 （ 6 ）： 17 - 20 .

LI CH Y ， WU Y P ， LU X . Method of instrumented magnitude rectification based on star sensor ［J］. Metrology & Measurement Technology ， 2009 ， 29 （ 6 ）： 17 - 20 . （in Chinese）

刘兴潭，武延鹏，吴奋陟，等 . 小行星三维地形模型几何重建方法［J］. 空间控制技术与应用， 2020 ， 46 （ 1 ）： 51 - 59 .

LIU X T ， WU Y P ， WU F Z ， et al . 3D asteroid terrain model reconstruction based on geometric method ［J］. Aerospace Control and Application ， 2020 ， 46 （ 1 ）： 51 - 59 . （in Chinese）

MOSBRUCKER A R ， MAJOR J J ， SPICER K R ， et al . Camera system considerations for geomorphic applications of SfM photogrammetry ［J］. Earth Surface Processes and Landforms ， 2017 ， 42 （ 6 ）： 969 - 986 .

SUSORNEY H C M ， JOHNSON C L ， BARNOUIN O S ， et al . The global surface roughness of 25143 Itokawa ［J］. Icarus ， 2019 ， 325 ： 141 - 152 .

浏览量

421

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

小天体在轨渲染观测技术

高灵敏度EMCCD导航相机的设计