基于GPU的复杂场景实时SAR仿真

论文摘要

合成孔径雷达(SAR)作为一种利用微波成像的遥测手段,具有全天时、全天候的优点,在军事、民用方面有着广泛的应用前景。但和光学图像相比,SAR图像有三个典型特征:散射特性、几何畸变和斑点噪声,因此给图像解译、几何定位、目标识别等方面带来了困难。仿真特定目标在给定条件下的图像,为收集目标样本、预测目标特性及最终实现目标识别拓展了一条重要的途径。传统的SAR图像仿真都是在基于CPU的平台下进行的,存在耗时、不直观和缺乏交互性的弊端,特别是对于复杂场景的仿真,缺点尤为明显。近年来,伴随着图形处理器(GPU)性能的大幅度提高以及可编程特性的发展,GPU在计算机图形学方面的应用开始成为研究的热点。特别是在电影、游戏等娱乐产业,获得了广泛的应用,带来了巨大的经济效益,反过来也进一步促进了GPU的发展。现在越来越多的研究人员开始把各种基于CPU的密集运算引入到GPU上,从而利用GPU的流水化和并行化的两大加速手段实现算法的加速。本文提出了一种新型的复杂场景的实时SAR仿真方法,将计算机图形学的相关技术引入到SAR仿真中,充分利用图形显卡提供的3D硬件加速功能和可编程处理器GPU,实现实时、有效的SAR仿真。本文的主要工作和创新点如下:①建立复杂的大规模地形场景,这是SAR仿真的基础。地形场景一般由几百万甚至更多的多边形构成,数量非常庞大,远远超出一般图形硬件的实时处理能力。为了满足实时、交互绘制的要求,将尽可能多的几何数据送入GPU的图形流水线,从而减少算法对CPU的负担,并充分发挥GPU的性能。②利用Phong光照模型来模拟SAR成像中的面散射特性,3D地形模型中每个三角形的反射系数,对应于SAR成像中小面元的后向散射系数。通过设置不同的参数,可以得到漫反射特性更强的或者是镜面反射特性更强的效果。③计算SAR成像中的实时阴影。传统的SAR成像几何畸变仿真中,通过逐点比较来判断阴影区,会耗费较多的时间。本文采用计算机图形学中的阴影映射方法,把耗时的目标遮挡工作交给显卡硬件来完成,实现了阴影区的快速计算。本文利用NVIDIA Quadra FX 3700图形显卡,使用OpenGL三维编程接口和Cg高级着色语言进行编程。OpenGL是SGI公司开发的3D图形软件接口,具有很好的移植性;Cg是NVIDIA公司和微软公司联合开发的专用于GPU编程的语言,与OpenGL一起工作。实验结果表明,该仿真方法充分利用了GPU的可编程流水线,发挥了GPU的性能,有效减少了CPU负担,是一种实时、有效的SAR仿真方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 SAR 图像仿真研究现状
• 1.3 GPU 的研究现状
• 1.4 论文研究的意义与章节结构
• 第二章 合成孔径雷达基础理论
• 2.1 合成孔径雷达发展概况
• 2.2 合成孔径雷达的特点及分类
• 2.3 合成孔径雷达正侧视成像几何关系
• 2.4 合成孔径雷达成像算法
• 2.4.1 距离-多普勒算法
• 2.4.2 Chirp-Scaling 算法
• 2.5 SAR 成像的几何特性
• 2.5.1 斜距图像的几何失真
• 2.5.2 迎坡缩短和错位
• 2.5.3 雷达阴影
• 2.6 本章小结
• 第三章 GPU 简介
• 3.1 图形处理器发展概况
• 3.2 GPU 的工作机制
• 3.2.1 GPU 的体系结构
• 3.2.2 GPU 的流水线
• 3.3 图形编程语言简介
• 3.3.1 OpenGL 简介
• 3.3.2 Cg 简介
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于GPU 的复杂场景实时SAR 仿真
• 4.1 基于分形的三维复杂场景的建立
• 4.1.1 分形布朗曲面
• 4.1.2 基于Diamond-Square 分形算法的山脉地形生成
• 4.2 SAR 图像仿真的散射特性
• 4.2.1 面散射特性
• 4.2.2 散射模型概述
• 4.2.3 基于Phong 光照模型的SAR 图像散射特性
• 4.3 SAR 图像仿真中阴影的生成
• 4.3.1 阴影的产生及其分类
• 4.3.2 实时阴影的基本算法
• 4.3.3 基于GPU 的阴影映射算法的实现
• 4.4 SAR 图像仿真中斜距图像的获取
• 4.5 SAR 图像仿真中斑点噪声的仿真
• 4.6 仿真及实验结果分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文