一种月表虚拟场景构建方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种月球表面虚拟场景的构建方法，其包括：利用嫦娥三号全景左右相机在月球表面的探测点水平环拍和不同俯仰角获取多对影像，并利用所获取的多对影像进行全景镶嵌，得到月球表面的全景图像；构建月表虚拟场景模型；将构建的月表星空模型和月表地形地貌模型重投影到视平面；将重投影到视平面的月表星空模型和月表地形地貌模型进行三维实时渲染而产生视频信号，并将视频信号在柱幕投影屏幕上进行水平立体显示；通过图形工作站，对嫦娥三号降落相机图像数据进行数据预处理得到视频信号，并将得到的视频信号传输进投影显示系统，在地幕投影屏幕上进行垂直投影显示。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及虚拟现实技术及应用领域，特别是在三维显示环境下真实、快速模拟月球表面场景的方法及装置。
技术介绍
利用月球车在复杂月球表面开展巡视探测，实现38万公里之外的月球车与地面上月球科学家、工程技术人员之间的信息交互，安全、准确地完成嫦娥三号月面巡视探测任务，必须建立月表场景虚拟现实人机交互系统，构建一个真实感强、沉浸感好、实时性高，集月表地形地貌、星空环境、时间信息为一体的三维可视化平台，辅助月球科学家全面了解月球车周围的探测环境。但由于月球表面工作环境具有无法完全预知、不确定因素多、高度依赖视觉图像、任务时间紧等特点，再现月球车位置、月表地形地貌、太阳光照及星空环境，建立一个具有身临其境的、可进行交互操作的月表虚拟场景，快速获取月面探测的环境信息，一直是月面遥科学探测研究的一个难点问题。目前的月面环境模拟，通常采用实物模拟的方式，在地面构建真空系统、热循环系统、月尘模拟系统、辐射环境模拟系统等，具备月表高低温循环、月尘、真空紫外、电子辐射等多个环境因素模拟能力。这些月球环境模拟系统大多服务于月球探测器的地面试验，由于采用实物模拟方式，普遍存在投资大，灵活性差，无法适应月球复杂多变的场景变化，也难以满足月球车月面巡视探测过程真实月表场景的模拟。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种月表虚拟场景构建方法及装置，基于嫦娥三号全景相机双目立体图像数据、星表数据库和降落相机图像数据，结合图像数据实时处理、图像渲染和三维立体显示技术，创建交互的月表三维虚拟场景，实现快速、灵活地月面场景高精度模拟。月表虚拟场景在投影显示系统的支持下，结合星空数据及时空信息，实现月球、地球、太阳及虚拟星空的实时显示；将全景相机左右两台相机月面360°环拍的镶嵌影像，通过柱幕投影系统进行水平立体显示，实现实时立体量测功能，获取月面科学探测点的位置和方位信息；同时利用降落过程中获取的降落相机图像，通过地幕投影系统进行垂直投影显示，模拟月面科学探测过程。本专利技术可以方便地实时了解月球车周围地形地貌环境，大大增强月表虚拟场景的真实度，使月球科学家能更真实的掌握月球车的探测位置和探测过程。根据本专利技术一方面，其提供了一种月球表面虚拟场景的构建方法，其包括：步骤1、利用嫦娥三号全景左右相机在月球表面的探测点水平环拍和不同俯仰角获取多对影像，并利用所获取的多对影像进行全景镶嵌，得到月球表面的全景图像；步骤2、构建月表虚拟场景模型，包括根据星空数据构建随时间实时更新的月表星空模型；根据嫦娥三号全景图像确定全景图像映射到球面的纬度坐标和经度坐标，并将全景图像建立成金字塔结构，以构建月表地形地貌模型；步骤3、将构建的月表星空模型和月表地形地貌模型重投影到视平面；步骤4、将重投影到视平面的月表星空模型和月表地形地貌模型进行三维实时渲染而产生视频信号，并将视频信号在柱幕投影屏幕上进行水平立体显示；步骤5、通过图形工作站，对嫦娥三号降落相机图像数据进行数据预处理得到视频信号，并将得到的视频信号传输进投影显示系统，在地幕投影屏幕上进行垂直投影显示。根据本专利技术另一方面，其提供了一种月球表面虚拟场景的构建装置，其包括：全景图像获取模块，利用嫦娥三号全景左右相机在月球表面的探测点水平环拍和不同俯仰角获取多对影像，并利用所获取的多对影像进行全景镶嵌，得到月球表面的全景图像；月表虚拟场景模型构建模块，构建月表虚拟场景模型，包括根据星空数据构建随时间实时更新的月表星空模型；根据嫦娥三号全景图像确定全景图像映射到球面的纬度坐标和经度坐标，并将全景图像建立成金字塔结构，以构建月表地形地貌模型；投影模块，将构建的月表星空模型和月表地形地貌模型重投影到视平面；三维实时渲染模块，将重投影到视平面的月表星空模型和月表地形地貌模型进行三维实时渲染而产生视频信号，并将视频信号在柱幕投影屏幕上进行水平立体显示；月表虚拟场景构建模块，通过图形工作站，对嫦娥三号降落相机图像数据进行数据预处理得到视频信号，并将得到的视频信号传输进投影显示系统，在地幕投影屏幕上进行垂直投影显示。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)利用星空数据库，太阳、地球和月球星历，月面经纬度和高程，精确解算出月球车、太阳和各天体的空间位置，实现了太阳高度角、方位角和月球车周围地物的月面位置与方位的实时解算，快速、灵活地构建月球表面光照、星空等虚拟场景；(2)利用嫦娥三号全景相机左右相机360°环拍镶嵌影像数据和降落相机图像数据，构建月球表面地形虚拟场景，克服了现有技术忽略部分因素和简化地形信息提取带来的模拟误差，提高了模拟精度和真实性，具备地形量测等交互功能。(3)利用四通道立体投影显示系统和地幕投影系统，建立了沉浸式月表虚拟环境。本专利技术相对于现有技术，解决了月表虚拟场景构建方法的问题，能够快速、灵活地构建月球表面地形、光照、星空等虚拟场景，利用立体投影显示系统，可以为科学家和公众提供交互式、沉浸式月表虚拟环境。附图说明图1本专利技术中月表虚拟场景构建方法的流程图；图2是本专利技术中月表虚拟场景构建装置的硬件环境组成图；图3是本专利技术中月表虚拟场景效果示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术提出了一种月球表面虚拟场景的构建方法。以嫦娥三号月面软着陆区场景模拟过程为例，如图1所示，本专利技术的具体实施方法如下：步骤1、全景图镶嵌；嫦娥三号全景左右相机在月球表面的每个探测点水平360°环拍和不同俯仰角获取了58对影像，即左右相机分别拍摄的58幅影像，针对全景相机序列图像光照不均、月表影像的特殊性等问题，采用基于SURF算法进行嫦娥三号全景相机图像全景镶嵌，得到月球表面的全景图像。首先采用SURF算法提取每对影像的特征点，用SURF描述子的欧氏距离作为判定度量对每对影像进行特征匹配，得到每对影像的特征匹配点集合。其次利用所得到的特征匹配点集合求取每对相邻影像间的变换矩阵，并利用Levenberg-Marquardt(列文伯格-马夸尔特法)非线性优化算法对所述变换矩阵进行优化，以提高变换矩阵的精度。变换矩阵的求取可采用论文《“吴凡路，刘建军，任鑫，李春来.嫦娥三号全景相机图像全景镶嵌方法的研究[J].光学学报，2014，34(9)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种月球表面虚拟场景的构建方法，其包括：步骤1、利用嫦娥三号全景左右相机在月球表面的探测点水平环拍和不同俯仰角获取多对影像，并利用所获取的多对影像进行全景镶嵌，得到月球表面的全景图像；步骤2、构建月表虚拟场景模型，包括根据星空数据构建随时间实时更新的月表星空模型；根据嫦娥三号全景图像确定全景图像映射到球面的纬度坐标和经度坐标，并将全景图像建立成金字塔结构，以构建月表地形地貌模型；步骤3、将构建的月表星空模型和月表地形地貌模型重投影到视平面；步骤4、将重投影到视平面的月表星空模型和月表地形地貌模型进行三维实时渲染而产生视频信号，并将视频信号在柱幕投影屏幕上进行水平立体显示；步骤5、通过图形工作站，对嫦娥三号降落相机图像数据进行数据预处理得到视频信号，并将得到的视频信号传输进投影显示系统，在地幕投影屏幕上进行垂直投影显示。

【技术特征摘要】
1.一种月球表面虚拟场景的构建方法，其包括：
步骤1、利用嫦娥三号全景左右相机在月球表面的探测点水平环拍和
不同俯仰角获取多对影像，并利用所获取的多对影像进行全景镶嵌，得到
月球表面的全景图像；
步骤2、构建月表虚拟场景模型，包括根据星空数据构建随时间实时
更新的月表星空模型；根据嫦娥三号全景图像确定全景图像映射到球面的
纬度坐标和经度坐标，并将全景图像建立成金字塔结构，以构建月表地形
地貌模型；
步骤3、将构建的月表星空模型和月表地形地貌模型重投影到视平面；
步骤4、将重投影到视平面的月表星空模型和月表地形地貌模型进行
三维实时渲染而产生视频信号，并将视频信号在柱幕投影屏幕上进行水平
立体显示；
步骤5、通过图形工作站，对嫦娥三号降落相机图像数据进行数据预
处理得到视频信号，并将得到的视频信号传输进投影显示系统，在地幕投
影屏幕上进行垂直投影显示。
2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤1中利用所获取的多对影
像进行全景镶嵌具体包括：
采用SURF算法提取每对影像的特征点，用SURF描述子的欧氏距离作
为判定度量对每对影像进行特征匹配，得到每对影像的特征匹配点集合；
求取相邻两幅图像间的变换矩阵，并利用非线性优化算法进行优化；
利用优化后的变换矩阵进行相邻图像位置配准，采用基于线性差值的
渐入渐出方法对图像重叠区域进行融合、得到月球表面的全景图像。
3.如权利要求1所述的方法，其中，步骤2中月表星空模型如下构
建：
实时地将2000年1月1日的星表位置数据转换到当前指定时刻的
瞬时月心赤道坐标系位置数据；
将瞬时月心赤道坐标系转换为基于嫦娥三号着陆点为原点的月表地
平坐标系；
将星空背景层映射至基于月表地平坐标系的天球面，完成随时间实时
更新的月表星空模型构建。
4.如权利要求1所述的方法，其中，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建军，高兴烨，任鑫，牟伶俐，李春来，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台，
类型：发明
国别省市：北京;11