一种快速球坐标激光雷达仿真方法技术

一种快速球坐标激光雷达仿真方法。本发明专利技术公开了一种对于激光雷达的快速仿真方法，由CPU与GPU进行协同运算，CPU进行部分初始化工作，GPU在顶点着色器中对三角面的顶点坐标进行坐标转换，在几何着色器中，将每个三角面变成两个三角形组成的长方形，挂载原三角面的三个顶点ABC的坐标并输出，在片元着色器中，对三角面进行射线检测，并计算碰撞点坐标，计算激光雷达的输出并映射到(R,G,B,A)空间中。本发明专利技术使用传统的渲染管线，兼容绝大多数型号的显卡，并可获得现代显卡的加速性能，同时，本发明专利技术解决了激光雷达仿真中等距采样的问题，实现了高速高精确率的等角采样。

A Fast Spherical Coordinate Lidar Simulation Method

【技术实现步骤摘要】
一种快速球坐标激光雷达仿真方法
本专利技术属于仿真
，特别是涉及到一种快速球坐标激光雷达仿真方法。
技术介绍
目前，激光雷达广泛应用于自动驾驶、机器人、船舶、航空等领域。然而，目前主流仿真系统中，对于激光雷达的仿真还停留在使用深度摄像机或者是使用CPU计算Raycast(射线检测)的阶段。如微软的AirSim仿真系统及LG的LGSimulator仿真系统中，均使用了深度摄像机作为激光雷达仿真手段。这种仿真方式存在一个严重的问题：虚拟摄像机进行采样时，是按照屏幕像素进行等距采样，如图1所示，摄像机的光束实际上是从原点发射，方向为从摄像机原点到每个像素在NearClip上的位置，因此，传统渲染方式实际上是等距采样而非等角采样。然而，实际的激光雷达(如Velodyne)为等角采样。哪怕是采用了超采样之后，在屏幕边缘处的采样点，其误差在50米距离上依然可达100毫米。LG公司的LGSimulator在处理此问题时，采用的方法是令摄像机高速旋转，每次对一个小角度进行采样。这样不仅浪费了大量计算资源，还导致采样出现了延迟。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出一种对于激光雷达的快速仿真方法，依然使用传统的渲染管线，兼容绝大多数型号的显卡，并可获得现代显卡的加速性能，同时解决了激光雷达仿真中等距采样的问题，实现了高速高精确率的等角采样。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种快速球坐标激光雷达仿真方法，由CPU与GPU进行协同运算，包括：S1、CPU进行部分初始化工作，包括：定义直角坐标系为左手坐标系；即物体前向为Z轴，右侧为X轴，上方为Y轴；定义球坐标系为：ψ为空间中某点P在XZ平面上的投影与Z轴的夹角；θ为空间中某点P与Y轴的夹角；R为空间中某点P距离原点的距离；定义激光雷达的总线数height；定义激光雷达每次扫描的次数width；定义每次扫描沿Y轴扫描的角度范围的一半ψrange；定义每次扫描沿X轴扫描的角度范围的一半θrange；定义每次扫描的最大感知范围Lmax；绘制一个width*height像素的噪声图，要求RGBA四个通道均为独立噪声；定义每个材质的平滑度smoothness；定义每个材质的反射率reflection；定义每个材质的贴图Tex；在每次扫描前，定义摄像机的TransformMatrixTcam；S2、GPU在顶点着色器中对三角面的顶点坐标进行坐标转换；转换后的顶点输出为{Psphere，Pworld，uv}，其中Psphere为球坐标，Pworld为摄像机坐标系坐标，uv为该顶点的UV坐标；S3、GPU在几何着色器中，将每个三角面变成两个三角形组成的长方形，令两个三角形的每个顶点依次挂载原三角面的三个顶点ABC的坐标并输出，三角形每个顶点的输出为{Psphere，Pworld，A，B，C，uv}；S4、GPU在片元着色器中，由几何着色器的输出获取原三角面三个顶点；同时，由屏幕像素位置获取射线方向，对三角面进行射线检测，并计算碰撞点坐标；然后计算此碰撞点的贴图是否为透明，若光线无法继续穿透，计算激光雷达的输出并映射到(R，G，B，A)空间中。进一步的，步骤S2中，坐标转换的过程包括：将顶点在ObjectSpace目标空间坐标系的坐标转换为世界坐标系坐标，然后再转换为摄像机坐标系下的坐标；摄像机坐标系的定义为：摄像机位置为原点，摄像机前向为z轴正向，摄像机右侧为X轴正向，摄像机正上方为Y轴正向；顶点(x，y，z)转化为球坐标：其中，ψ为该点在XZ平面上的投影与Z轴的夹角，θ为该点与Y轴的夹角；输出的球坐标Psphere为(ψ，θ，z)；将该顶点的摄像机坐标系坐标Pworld(x，y，z)输出；同时，输出此顶点的UV坐标uv；顶点着色器的输出为{Psphere，Pworld，uv}。进一步的，步骤S3中，所述将每个三角面变成两个新三角面组成的长方形的方法包括：S301、获得三角面三个顶点A、B、C的顶点着色器输出信息，根据三个顶点的球坐标Psphere，求出：ψ的最小值ψmin和最大值ψmax，θ的最小值θmin和最大值θmax；S302、构建矩形包络框，其左上角坐标为(ψmin，θmax)，右下坐标为(ψmax，θmin)；S303、对包络框进行三角化，由矩形A1B1C1D1变为两个新三角形A1B1C1和A2B2C2；其中，A1、B1、C1坐标不变；A2坐标等于A1，B2坐标等于C1，C2坐标等于D1；S304、令输出的两个三角形A1B1C1和A2B2C2的每个顶点依次挂载此三角面的三个顶点ABC的坐标；A1点的存储坐标为A(Ax，Ay，Az，1)、B(0，0，0，0)、C(0，0，0，0)；B1点的存储坐标为A(0，0，0，0)、B(Bx，By，Bz，1)、C(0，0，0，0)；。C1点的存储坐标为A(0，0，0，0)、B(0，0，0，0)、C(Cx，Cy，Cz，1)；A2点的存储坐标为A(Ax，Ay，Az，1)、B(0，0，0，0)、C(0，0，0，0)；B2点的存储坐标为A(0，0，0，0)、B(Bx，By，Bz，1)、C(0，0，0，0)；C2点的存储坐标为A(0，0，0，0)、B(0，0，0，0)、C(Cx，Cy，Cz，1)；每个顶点的输出为{Psphere，Pworld，A，B，C，uv}。更进一步的，步骤S302中，如三角面的ψmin、ψmax、θmin、θmax的值在范围[-1，1]之外，则需扩大矩形的范围，根据(ψmin，θmax)，(ψmax，ψmin)求出此矩形的包络圆，再构建能够包络此圆的正方形作为包络框。进一步的，步骤S4中，所述射线检测及计算碰撞点坐标的步骤包括：S401、根据屏幕像素点坐标Pixel(x，y)计算此像素对应的ψ、θ；θ＝(y-0.5)*2*θrange其中，ψrange、θrange分别为激光雷达每次扫描的范围的一半；根据ψ、θ确定射线方向，并进行归一化，获得入射光的单位向量Dir；y＝sin(θ)S402、利用在几何着色器中输出的ABC坐标进行计算；令坐标为(x，y，z，w)，则根据下面公式重新获得三角面ABC坐标；S403、获得三角面ABC坐标及射线方向Dir后，进行射线与三角面碰撞检测；如射线与三角面有交点，返回交点的摄像机空间坐标Pc及长度t；S404、由ABC算出三角面的法线Nrm；Nrm＝(B-A)×(C-A)由Pc求得碰撞点的世界坐标P；P＝Pc+Pcam其中Pcam为摄像机的世界坐标。进一步的，步骤S4中，所述计算碰撞点的贴图是否为透明的方法包括：使用从几何着色器获得的uv坐标对贴图进行采样，获取该点的颜色Col(R，G，B，A)；如A小于材质的AlphaCullOff值，则认为光线穿透了此点，将此点的depth深度设为极小值以允许光线继续穿透。进一步的，步骤S4中，所述计算激光雷达的输出并映射到(R，G，B，A)空间包括：S411、取得碰撞点的世界坐标P对噪声图TXnoise的采样UV坐标Puv；Puv(u，v)＝Fraction((Px，Py)*Pz*100)其中，Fraction()为获取输入值的小数点后的部分；S412、使用Puv获得一个4阶向量Pnoise，将其从[0，1)区间映射到[-0.5，0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速球坐标激光雷达仿真方法，其特征在于，由CPU与GPU进行协同运算，包括：S1、CPU进行部分初始化工作，包括：定义直角坐标系为左手坐标系；即物体前向为Z轴，右侧为X轴，上方为Y轴；定义球坐标系为：ψ为空间中某点P在XZ平面上的投影与Z轴的夹角；θ为空间中某点P与Y轴的夹角；R为空间中某点P距离原点的距离；定义激光雷达的总线数height；定义激光雷达每次扫描的次数width；定义每次扫描沿Y轴扫描的角度范围的一半ψrange；定义每次扫描沿X轴扫描的角度范围的一半θrange；定义每次扫描的最大感知范围Lmax；绘制一个width*height像素的噪声图，要求RGBA四个通道均为独立噪声；定义每个材质的平滑度smoothness；定义每个材质的反射率reflection；定义每个材质的贴图Tex；在每次扫描前，定义摄像机的Transform Matrix Tcam；S2、GPU在顶点着色器中对三角面的顶点坐标进行坐标转换；转换后的顶点输出为{Psphere，Pworld,uv}，其中Psphere为球坐标，Pworld为摄像机坐标系坐标，uv为该顶点的UV坐标；S3、GPU在几何着色器中，将每个三角面变成两个三角形组成的长方形，令两个三角形的每个顶点依次挂载原三角面的三个顶点ABC的坐标并输出，三角形每个顶点的输出为{Psphere,Pworld,A,B,C,uv}；S4、GPU在片元着色器中，由几何着色器的输出获取原三角面三个顶点；同时，由屏幕像素位置获取射线方向，对三角面进行射线检测，并计算碰撞点坐标；然后计算此碰撞点的贴图是否为透明，若光线无法继续穿透，计算激光雷达的输出并映射到(R,G,B,A)空间中。...

【技术特征摘要】
1.一种快速球坐标激光雷达仿真方法，其特征在于，由CPU与GPU进行协同运算，包括：S1、CPU进行部分初始化工作，包括：定义直角坐标系为左手坐标系；即物体前向为Z轴，右侧为X轴，上方为Y轴；定义球坐标系为：ψ为空间中某点P在XZ平面上的投影与Z轴的夹角；θ为空间中某点P与Y轴的夹角；R为空间中某点P距离原点的距离；定义激光雷达的总线数height；定义激光雷达每次扫描的次数width；定义每次扫描沿Y轴扫描的角度范围的一半ψrange；定义每次扫描沿X轴扫描的角度范围的一半θrange；定义每次扫描的最大感知范围Lmax；绘制一个width*height像素的噪声图，要求RGBA四个通道均为独立噪声；定义每个材质的平滑度smoothness；定义每个材质的反射率reflection；定义每个材质的贴图Tex；在每次扫描前，定义摄像机的TransformMatrixTcam；S2、GPU在顶点着色器中对三角面的顶点坐标进行坐标转换；转换后的顶点输出为{Psphere，Pworld,uv}，其中Psphere为球坐标，Pworld为摄像机坐标系坐标，uv为该顶点的UV坐标；S3、GPU在几何着色器中，将每个三角面变成两个三角形组成的长方形，令两个三角形的每个顶点依次挂载原三角面的三个顶点ABC的坐标并输出，三角形每个顶点的输出为{Psphere,Pworld,A,B,C,uv}；S4、GPU在片元着色器中，由几何着色器的输出获取原三角面三个顶点；同时，由屏幕像素位置获取射线方向，对三角面进行射线检测，并计算碰撞点坐标；然后计算此碰撞点的贴图是否为透明，若光线无法继续穿透，计算激光雷达的输出并映射到(R,G,B,A)空间中。2.根据权利要求1所述的一种快速球坐标激光雷达仿真方法，其特征在于，步骤S2中，坐标转换的过程包括：将顶点在ObjectSpace目标空间坐标系的坐标转换为世界坐标系坐标，然后再转换为摄像机坐标系下的坐标；摄像机坐标系的定义为：摄像机位置为原点，摄像机前向为z轴正向，摄像机右侧为X轴正向，摄像机正上方为Y轴正向；顶点(x,y,z)转化为球坐标：其中，ψ为该点在XZ平面上的投影与Z轴的夹角，θ为该点与Y轴的夹角；输出的球坐标Psphere为(ψ，θ，z)；将该顶点的摄像机坐标系坐标Pworld(x,y,z)输出；同时，输出此顶点的UV坐标uv；顶点着色器的输出为{Psphere,Pworld,uv}。3.根据权利要求1所述的一种快速球坐标激光雷达仿真方法，其特征在于，步骤S3中，所述将每个三角面变成两个新三角面组成的长方形的方法包括：S301、获得三角面三个顶点A、B、C的顶点着色器输出信息，根据三个顶点的球坐标Psphere，求出：ψ的最小值ψmin和最大值ψmax，θ的最小值θmin和最大值θmax；S302、构建矩形包络框，其左上角坐标为(ψmin,θmax)，右下坐标为(ψmax,θmin)；S303、对包络框进行三角化，由矩形A1B1C1D1变为两个新三角形A1B1C1和A2B2C2；其中，A1、B1、C1坐标不变；A2坐标等于A1，B2坐标等于C1，C2坐标等于D1；S304、令输出的两个三角形A1B1C1和A2B2C2的每个顶点依次挂载此三角面的三个顶点ABC的坐标；A1点的存储坐标为A(Ax,Ay,Az,1)、B(0,0,0,0)、C(0,0,0,0)；B1点的存储坐标为A(0,0,0,0)、B(Bx,By,Bz,1)、C(0,0,0,0)；。C1点的存储坐标为A(0,0,0,0)、B(0,0,0,0)、C(Cx,Cy,Cz,1)；A2点的存储坐标为A(Ax,Ay,Az,1)、B(0,0,0,0)、C(0,0,0,0)；B2点的存储坐标为A(0,0,0,0)、B(Bx,By,Bz,1)、C(0,0,0,0)；C2点的存储坐标为A(0，0，0，0)、B(0，0，0，0)、C(Cx，Cy，C...

【专利技术属性】
技术研发人员：居阳，
申请(专利权)人：北京奥特贝睿科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11