en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2025-92-06-66-76
УДК: 535.36
Высокопроизводительный метод моделирования дальностного портрета с применением механизма растеризации графического процессора
Полный текст на elibrary.ru
Альес М.Ю., Шелковников Е.Ю., Шляхтин К.А. Высокопроизводительный метод моделирования дальностного портрета с применением механизма растеризации графического процессора // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 6. С. 66–76. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-06-66-76
Alies M.Yu., Shelkovnikov E.Yu., Shlyahtin K.A. High-performance method for the simulation of laser range profile with the use of the mechanism of the graphics processing unit rasterization [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 6. P. 66–76. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-06-66-76
Предмет исследования. Лазерный дальностный портрет, формируемый при отражении импульса лазерного излучения от объекта в лазерной локационной системе. Цель работы. Разработка метода моделирования дальностных портретов объектов в лазерных локационных системах с применением механизма растеризации графического процессора. Метод. Для определения дальностного портрета трёхмерной сцены предложено разбиение поверхностей объектов сцены на элементарные площадки, проецируемые в пикселы экрана, с применением стандартного механизма растеризации графического процессора. Для каждой элементарной площадки пиксельным шейдером выполняется расчёт отражательной импульсной характеристики. Путём построения взвешенной гистограммы определяется отражательная импульсная характеристика сцены. Вычисление дальностного портрета сцены выполняется путём свёртки отражательной импульсной характеристики c импульсной характеристикой лазерной локационной системы. Основные результаты. Разработана математическая модель дальностного портрета, получаемого с помощью лазерной локационной системы. Представлен метод расчёта дальностного портрета сцены, состоящей из 3D-объектов, с применением механизма растеризации графического процессора. Описан алгоритм работы программы, осуществляющий данный расчёт. Выполнена проверка адекватности модели путём сравнения результатов расчётов различных объектов с данными, полученными другими авторами. Практическая значимость. Применение данного метода открывает широкие возможности моделирования дальностных портретов сложных сцен, позволяет исследовать работу лазерной локационной системы в различных условиях, разрабатывать алгоритмы обработки результатов сканирования и создавать базы данных для применения методов машинного обучения для распознавания объектов по дальностным портретам.
дальностный портрет, математическая модель, лазерная локационная система, моделирование, отражение, растеризация
Коды OCIS: 100.2960, 140.3538, 280.3640, 290.1350
Список источников:1. Козинцев В.И., Белов М.Л., Орлов В.М. и др. Основы импульсной лазерной локации: учебное пособие / Под ред. Рождествина В.Н. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. 573 с.
Kozintsev V.I., Belov M.L., Orlov V.M. et al. Basics of pulsed laser location: textbook [in Russian] / Ed. Rozhdestvin V.N. Moscow: BMSTU, 2010. 573 p.
2. Баулин Ф.Б., Бурый Е.В. Проблемы формирования систем, обеспечивающих автоматическое распознавание объектов по дальностным портретам // Компьютерная оптика. 2019. Т. 43. № 1. С. 5–13. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-1-5-13
Baulin F.B., Buryi E.V. Issues of recognition system synthesis based on laser range profiles [in Russian] // Computer Optics. 2019. V. 43. № 1. P. 5–13. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-1-5-13
3. Van den Heuvel J.C., Bekman H.H.P.Th., van Putten F.J.M. et al. Search-lidar demonstrator for detection of small sea-surface targets // Proceedings of SPIE. 2008. V. 6950. P. 69500W-1–69500W-11. https://doi.org/10.1117/12.777947
4. Van den Heuvel J.C., Pace P., Bekman H.H.P.Th. et al. Experimental validation of ship identification with a laser range profiler // Proceedings of SPIE. 2008. V. 6950. P. 69500V-1–69500V-12. https://doi.org/10.1117/12.777944
5. Kunz G.J., Bek¬man H.H.P.Th., Benoist K.W. et al. Detection of small targets in a marine environment using laser radar // Proceedings of SPIE. 2005. V. 5885. P. 58850F-1–58850F-12. https://doi.org/10.1117/12.614914
6. Schoemaker R.M., Benoist K. Characterisation of small targets in a maritime environment by means of laser range profiling // Proceedings of SPIE. 2011. V. 8037. P. 803705-1–803705-12. https://doi.org/10.1117/12.884575
7. Steinvall O., Tulldahl M. Laser range profiling for small target recognition // Optical Engineering. 2016. V. 56. № 3. P. 031206-1–031206-16. https://doi.org/10.1117/1.OE.56.3.031206
8. Van den Heuvel J.C., Schoemaker R.M., Schleijpen R.H.M.A. Identification of air and sea-surface targets with a laser range profiler // Proceedings of SPIE. 2009. V. 7323. P. 73230Y-1 – 73230Y-12. https://doi.org/10.1117/12.818426
9. Лабунец Л.В., Борзов А.Б., Ахметов И.М. Модели реального времени импульсных отражательных характеристик 3D объектов в однопозиционной системе лазерной локации // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 9. С. 12–23. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-09-12-23
Labunets L.V., Borzov A.B., Akhmetov I.M. Real-time models of pulsed reflectance profiles of 3D objects in a monostatic laser location system // Journal of Optical Technology. 2020. V. 87. № 9. P. 513–520. https://doi.org/10.1364/JOT.87.000513
10. Лабунец Л.В., Борзов А.Б., Ахметов И.М. Распознавание 3D объектов в однопозиционной системе лазерной локации методами интеллектуального анализа импульсных отражательных характеристик // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 4. С. 40–51. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-04-40-51
Labunets L.V., Borzov A.B, Akhmetov I.M. Recognition of 3d objects in a monostatic laser location system via intelligent analysis of pulsed reflectance profiles // Journal of Optical Technology. 2022. V. 89. № 4. P. 217–224. https://doi.org/10.1364/JOT.89.000217
11. Jenn D.C. Radar and laser cross section engineering. Washington: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2005. 503 p.
12. Боресков А.В. Программирование компьютерной графики. Современный OpenGL / М.: ДМК Пресс, 2019. 372 c.
Boreskov A.V. Computer graphics programming. Modern OpenGL [in Russian] / Moscow: DMK Press, 2019. 372 p.
13. Лабунец Л.В. Цифровые модели изображений целей и реализаций сигналов в оптических локационных системах: Учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 216 c.
Labunets L.V. Digital models of target images and signal realizations in optical localization systems: Textbook. Moscow: BMSTU, 2007. 216 p.
14. Hao, Q., Cheng Y., Cao J. et al. Analytical and numerical approaches to study echo laser pulse profile affected by target and atmospheric turbulence // Optics Express. 2016. V. 24. № 22. P. 25026–25042. http://doi.org/10.1364/OE.24.025026
15. Torrance K.E., Sparrow E.M. Theory for off-specular reflection from roughened surfaces // Journal of the Optical Society of America. 1967. V. 57. № 9. P. 1105–1114. http://doi.org/10.1364/JOSA.57.001105
16. Chevalier T. A ray tracing based model for 3D ladar systems // Proceedings of the International Conference on Computer Graphics Theory and Applications. 2011. P. 39–48. http://doi.org/10.5220/0003322700390048
17. Steinvall O. Effects of target shape and reflection on laser radar cross sections // Applied Optics. 2000. V. 39. № 24. P. 4381–4391. http://doi.org/10.1364/AO.39.004381
18. Steinvall O., Carlsson T. Three-dimensional laser radar modelling // Proceedings of SPIE. 2001. V. 4377. P. 23–34. http://doi.org/10.1117/12.440110
19. Лебедько Е.Г. Системы импульсной оптической локации: Учебное пособие. СПб.: Изд-во «Лань», 2014. 368 с.
Lebedko E.G. Pulsed optical location systems: Textbook. St. Petersburg: Lan, 2014. 368 p.
20. Liao H., Li Y., Han C. et al. Laser range profile base on convolution of time domain // The 12th International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory. 2018. P. 1–4. http://doi.org/10.1109/ISAPE.2018.8634112
21. Steinvall O., Sjöqvist L., Henriksson M. et al. High resolution ladar using time-correlated single-photon counting // Proceedings of SPIE. 2008. V. 6950. P. 695002-1–695002-13. http://doi.org/10.1117/12.778323
22. Qt 3D Overview | Qt 3D 5.15.3 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://doc.qt.io/qt-5/qt3d-overview.html, свободный (дата обращения 17.06.2024).
Qt 3D Overview | Qt 3D 5.15.3 [Electronic resource]. Access mode: https://doc.qt.io/qt-5/qt3d-overview.html, free (accessed 06/17/2024).
23. Format — OpenGL Wiki. Source [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.khronos.org/opengl/wiki/Image_Format, свободный (дата обращения 17.06.2024).
Format — OpenGL Wiki. Source [Electronic resource]. Access mode: https://www.khronos.org/opengl/wiki/Image_Format, free (accessed 06/17/2024).
24. Gong Y., Wang M., Gong L. Laser range profile of spheres // Proceedings of SPIE. 2016. V. 9684. P. 96843S-1–96843S-5. http://doi.org/10.1117/12.2244569
25. Zhang H., Wang B. Three-dimensional laser radar range imagery of complex target with rough surfaces // Progress In Electromagnetics Research M. 2018. V. 73. P. 17–24. http://doi.org/10.2528/PIERM18050902
26. 3D модель Zeven Provincien — TurboSquid 590464 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.turbosquid.com/ru/3d-models/hnlms-zeven-max/590464, свободный (дата обращения 17.06.2024).
Hnlms Zeven Max — TurboSquid 590464 [Electronic resource]. Access mode: https://www.turbosquid.com/3d-models/zeven-provincien-590464, free (accessed 06/17/2024).