本文介紹了一個名為 Chrono 的開源模擬器,該模擬器能夠模擬月球地面作業的物理環境,重點關注生成與實際相機在月球車輛上運行時所產生圖像質量相似的合成圖像。Chrono 模擬器具有以下幾個重要組件:
車輛建模支持 (Chrono::Vehicle): 提供各種輪式和履帶式車輛子系統的模板,並支持車輛在剛性、柔性和粒狀地形上的運行。
感測器模擬支持 (Chrono::Sensor): 提供實時感測器模擬,包括相機、LiDAR、SPAD 和 GPS/IMU,採用光線追踪引擎和物理渲染技術,並模擬鏡頭畸變、景深、曝光、感測器噪聲和感測器延遲等偽影。
地形力學模擬: 支持三種不同的地形模型:
塵埃模擬: 模擬月球塵埃的產生和傳播,使用體積渲染技術來渲染塵埃體積。
Chrono::ROS: 允許將基於 ROS2 的機器人算法集成到 Chrono 模擬中,促進軟件和硬件在環設計和測試。
Chrono::Sensor 中基於物理的相機模型擴展了現有的光線追踪針孔相機模型,通過逐步整合圖像處理算法來模擬各種光學偽影,並提供對 F 值、曝光時間、ISO、焦距和焦距等相機設置的控制。
針孔相機模型和鏡頭畸變: 使用理想的針孔相機模型和光線追踪生成每個像素數據,並根據鏡頭畸變模型偏轉光線。
散焦模糊: 使用高斯薄透鏡模型,通過圖像處理引入散焦模糊來模擬景深。
漸暈: 通過用戶定義的衰減增益增強漸暈,導致圖像從中心到周邊的亮度降低。
聚合器: 隨著時間和像素區域整合輻照度,以計算每個像素的總電子能量。
噪聲添加: 考慮光子散粒噪聲、時間相關噪聲(暗電流和熱像素)和時間無關噪聲(讀出和固定模式噪聲),以實現逼真的照片模擬。
相機響應函數 (CRF): 通過模擬 - 數字轉換器放大和數字化模擬信號,並根據用戶選擇使用不同的函數(伽馬校正、S 形或線性)來定義 CRF。
Hapke 雙向反射模型 (BRDF): 使用 Hapke 模型來準確模擬月球塵埃的反射特性,該模型考慮了多重散射、表面粗糙度、相干反向散射、風化層顆粒大小和孔隙度等因素。
VIPER 和 RASSOR 在 CRM 地形上的案例研究: 展示了 VIPER 漫遊車在崎嶇的月球地形上行駛以及 RASSOR 漫遊車在月球表面進行挖掘作業的模擬,並使用 Hapke BRDF 函數模擬了逼真的月球照明條件。
通過立體相機算法評估模擬與現實的差距: 使用立體相機算法來評估真實照片和合成圖像之間的差距,以評估 Chrono::Sensor 在模擬月球圖像方面的性能。
Chrono 模擬器為月球地面作業提供了一個基於物理的模擬環境,特別關注相機感測,並提供了廣泛的功能來模擬車輛動力學、地形力學、塵埃效應和逼真的光照條件。
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