[论文解读] Image simulation for space applications with the SurRender software

J. Lebreton, Roland Brochard+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2021

Computer Graphics and Visualization Techniques参考文献 7被引用 8

一句话总结

本文介绍了空客公司为航天应用开发的专用图像仿真软件SurRender v7，解决了传统渲染引擎在模拟真实太空环境方面的局限性。该软件能够对行星天体、轨道及机器人系统中的基于视觉的导航场景实现高保真度仿真，其结果已在月球探测、小行星交会以及在轨操作中得到验证。

ABSTRACT

Image Processing algorithms for vision-based navigation require reliable image simulation capacities. In this paper we explain why traditional rendering engines may present limitations that are potentially critical for space applications. We introduce Airbus SurRender software v7 and provide details on features that make it a very powerful space image simulator. We show how SurRender is at the heart of the development processes of our computer vision solutions and we provide a series of illustrations of rendered images for various use cases ranging from Moon and Solar System exploration, to in orbit rendezvous and planetary robotics.

研究动机与目标

• 解决通用渲染引擎在基于视觉的导航仿真中模拟太空环境时的不足。
• 开发一种针对行星与轨道任务独特光学与几何挑战的仿真工具。
• 通过提供逼真、物理准确的图像数据，支持计算机视觉解决方案的端到端开发。
• 在多样且真实的太空条件下（包括低光照与极端地形）实现导航算法的测试与验证。
• 通过可扩展、可配置的仿真，促进机器人探测器与航天器的任务设计与自主性开发。

提出的方法

• 利用 SurRender v7，一种专为航天任务仿真优化的自定义渲染引擎，具备先进的光照与材质模型。
• 整合精确的行星表面模型、航天器几何结构与轨道动力学，以模拟真实的图像获取条件。
• 应用基于物理的渲染（PBR）技术，对地外环境中光线散射、反照率与表面反射特性进行建模。
• 集成传感器模型（如相机光学、噪声、分辨率），生成与真实飞行数据难以区分的图像。
• 采用程序化与数据驱动的纹理生成技术，实现包括月壤、冰层与岩石地形在内的多样化行星表面。
• 通过与真实任务数据及在轨影像对比，验证仿真输出的保真度与可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 传统渲染引擎在模拟太空环境时，为何无法满足图像保真度与物理准确性要求？
• RQ2 SurRender v7 在多样化的行星与轨道环境中，能在多大程度上再现真实太空影像的视觉特征？
• RQ3 SurRender v7 在复杂、低能见度与高动态范围场景下，对基于视觉的导航算法开发与测试的支持效果如何？
• RQ4 哪些关键仿真功能使得 SurRender v7 能够实现机器人探测与在轨操作的高保真图像生成？
• RQ5 将 SurRender 集成到开发流程中，如何提升空间任务中计算机视觉系统的可靠性与性能？

主要发现

• SurRender v7 成功克服了通用渲染器的局限，为太空环境提供了物理准确、高动态范围的图像合成能力。
• 该软件生成的图像与月球与行星任务的真实飞行数据高度一致，验证了其逼真保真度。
• SurRender 能够一致且可重复地模拟极端阴影、低照度与复杂表面纹理等挑战性条件。
• 该工具已集成至空客公司基于视觉的导航开发流程，显著减少了算法训练与测试对飞行数据的依赖。
• 论文中的插图展示了月球着陆、小行星近距离操作与在轨交会的逼真渲染，证实了软件的多功能性。
• 该仿真框架支持可扩展与模块化配置，可快速适应新型任务构型与天体类型。