codes/simulator/include/simsp.py

import numpy as np
import cv2
import os
from scipy.sparse import csc_matrix
from include.singlephoton import SinglePhotonImaging


# import os
def fcn_PoissonRV(lambda_, ni=None, nj=None):
    """

    生成泊松分布随机数矩阵 (向量化实现)



    参数:

        lambda_ (float/array): 泊松分布参数λ（标量或二维数组）

        ni (int): 输出矩阵的行数（当lambda为标量时必填）

        nj (int): 输出矩阵的列数（当lambda为标量时必填）



    返回:

        np.ndarray: 生成的泊松随机数矩阵[ni, nj]



    异常:

        ValueError: 输入参数不符合要求时抛出

    """
    # ========================= 参数验证 =========================
    # 情况1：未指定ni/nj时，lambda必须是二维数组
    if ni is None and nj is None:
        if not isinstance(lambda_, np.ndarray) or lambda_.ndim != 2:
            raise ValueError("当未指定ni/nj时，lambda必须是二维数组!")
        ni, nj = lambda_.shape

    # 情况2：指定了ni/nj
    elif ni is not None and nj is not None:
        # 如果lambda是标量，扩展为指定大小的矩阵
        if np.isscalar(lambda_):
            lambda_ = np.full((ni, nj), lambda_)
        # 如果lambda是数组，验证形状是否匹配
        elif isinstance(lambda_, np.ndarray) and lambda_.shape != (ni, nj):
            raise ValueError(f"lambda形状{lambda_.shape}与({ni},{nj})不匹配!")

    # 情况3：参数不完整
    else:
        raise ValueError("必须同时指定ni和nj，或都不指定!")

    # ========================= 初始化 =========================
    ks1 = np.zeros((ni, nj), dtype=int)  # 结果矩阵
    ks2 = np.ones((ni, nj), dtype=int)  # 比较矩阵
    produ = np.ones((ni, nj))  # 乘积累加器

    # ========================= 主循环 =========================
    while np.any(ks1 != ks2):
        # 更新乘积（向量化操作）
        produ *= np.random.rand(ni, nj)

        # 保存当前状态
        ks2 = ks1.copy()

        # 找出需要增加计数的位置（向量化掩码操作）
        mask = produ >= np.exp(-lambda_)
        ks1[mask] += 1

    return ks1


def tof2spad(tof, binnum):
    h, w = tof.shape

    # 将 data_processed 重塑为列向量
    tof = tof.T
    data = tof.reshape(h * w)

    # 创建一个大小为 h * w 行，10000 列的零矩阵
    spad = np.zeros((h * w, int(binnum)), dtype=float)

    # 遍历 data
    for i in range(h * w):
        d = data[i]
        for j in range(len(d)):
            if int(d[j] - 1) < binnum:
                spad[i, int(d[j] - 1)] += 1

    spad = csc_matrix(spad)
    return spad


def generate_simdata(

    Z_true,

    Alpha_true,

    SBR=0.2,

    meanSigDetect=2,

    save_path=None,

    zMax=15,

    binDuration=8e-12,

):
    """

    生成单光子数据集仿真数据（Python版本）



    参数:

        Z_true (array): 深度真值

        Alpha_true (array): 反射率真值

        SBR (float): 信号背景比 (默认0.2)

        meanSigDetect (int): 每像素平均信号光子数 (推荐值2/3/4)

        save_path (str): 数据保存路径 (.mat文件)



    返回:

        tuple: (tBinMax, binDuration, sigDetect, totDetect)

            tBinMax (int): 最大时间bin数

            binDuration (float): 单个时间bin持续时间 (秒)

            sigDetect (np.ndarray): 信号光子

            totDetect (np.ndarray): 检测事件对象数组 [H,W] (每个元素包含时间bin序列)

    """
    # 第一阶段: 物理参数配置
    # 场景参数
    # zMax = 15.0  # 最大探测距离(米)
    # binDuration = 8e-12  # 单个时间bin持续时间(秒)
    pulseRMS = 270 / 8  # 脉冲RMS宽度(时间bin数)

    # 计算衍生参数
    ttd = 3e8 * binDuration / 2  # 时间到距离转换因子 (米/bin)
    tBinMax = int(round(zMax / ttd))  # 最大时间bin数
    pulseSTD = pulseRMS / 2  # 高斯脉冲标准差

    # print("tBinMax:",tBinMax)

    # 第二阶段: 信号光子生成
    # 计算时间维度真实值
    T_true = np.floor(Z_true / ttd).astype(int)

    # 计算总帧数
    numFrames = int(meanSigDetect * 500)

    # 标准化反射率参数
    Lr, Lc = Alpha_true.shape
    Alpha_true = meanSigDetect * Alpha_true / np.mean(Alpha_true) / numFrames

    # 生成信号光子数（泊松分布）
    numSigDetect = fcn_PoissonRV(numFrames * Alpha_true)
    actual_mean = np.mean(numSigDetect)
    sigDetect = np.empty((Lr, Lc), dtype=object)
    sampMean = np.zeros((Lr, Lc))

    # 遍历每个像素生成时间分布
    for i in range(Lr):
        for j in range(Lc):
            mu = T_true[i, j]
            n = numSigDetect[i, j]
            # 生成高斯分布时间偏移
            tempVect = np.round(mu + pulseSTD * np.random.randn(n)).astype(int)
            sampMean[i, j] = np.mean(tempVect) if n > 0 else 0
            sigDetect[i, j] = tempVect

    # 第三阶段: 背景噪声生成
    # 计算背景光子率
    bgndRate = actual_mean / numFrames / SBR

    # 生成背景光子数
    numBgndDetect = fcn_PoissonRV(numFrames * bgndRate, Lr, Lc)
    bgndDetect = np.empty((Lr, Lc), dtype=object)

    # 生成均匀分布时间
    for i in range(Lr):
        for j in range(Lc):
            n = numBgndDetect[i, j]
            bgndDetect[i, j] = np.random.randint(0, tBinMax, n)

    # 第四阶段: 数据合并与后处理
    totDetect = np.empty((Lr, Lc), dtype=object)
    for i in range(Lr):
        for j in range(Lc):
            combined = np.concatenate((sigDetect[i, j], bgndDetect[i, j]))
            combined = np.sort(combined)
            combined = combined[combined > 0]  # 移除非法时间bin
            totDetect[i, j] = combined

    spad = tof2spad(totDetect, tBinMax)
    sigDetect = tof2spad(sigDetect, tBinMax)

    return tBinMax, sigDetect, spad

# 补充泊松生成函数（原型实现）
def fcn_PoissonRV(lamda, *shape):
    if not shape:
        return np.random.poisson(lamda)
    else:
        return np.random.poisson(lamda, shape)


import cv2
import numpy as np
import os
from scipy.io import savemat
from pathlib import Path



def generate_sim_imageNet(

    depth_path, rgb_path, SBR=0.2, meanSigDetect=4, save_path=None

):
    """

    生成cityscapes数据集仿真数据（Python版本）



    参数:

        depth_path (str): 深度图文件路径 (npz)

        rgb_path (str): RGB图像文件路径

        SBR (float): 信号背景比 (默认0.2)

        meanSigDetect (int): 每像素平均信号光子数 (推荐值2/3/4)

        save_path (str): 数据保存路径 (.npz文件)



    返回:

        tuple: (Z_true, totDetect, tBinMax, binDuration)

            Z_true (np.ndarray): 真实深度图矩阵 [H,W] (单位:米)

            totDetect (np.ndarray): 检测事件对象数组 [H,W] (每个元素包含时间bin序列)

            tBinMax (int): 最大时间bin数

            binDuration (float): 单个时间bin持续时间 (秒)



    PS:

        由于使用DepthAnything数据生成的深度图,是三通道的,所以在处理前需要先将其转换为单通道的

        为了保证数据兼容性，所以统一提取第一个通道作为深度数据

    """
    # 第一阶段: 基础数据加载与参数初始化
    # 读取深度图并转换为米单位
    # 读取深度图的最大深度
    
    # binDuration = 4e-10
    # zMax = 15
    # binDuration = zMax/1.5e11

    # 读取深度数据
    Z_true = np.load(depth_path, allow_pickle=True).astype(np.float64)
    if Z_true.ndim == 3:
        Z_true = Z_true[:, :, 0]

    # 1. 避免除零和过小值
    threshold = 1e-10
    Z_affine_safe = np.clip(Z_true, threshold, None)

    # 2. 取倒数得到缩放深度
    Z_scaled = 1 / Z_affine_safe
    max_value = np.max(Z_scaled)
    min_value = np.min(Z_scaled)

    # # 3. 截断离群值（可选）
    # lower, upper = np.percentile(Z_scaled, [1, 99])
    # Z_clipped = np.clip(Z_scaled, lower, upper)

    # 4. 归一化到[0,1]
    Z_normalized = (Z_scaled - min_value) / (max_value - min_value)

    # 5. 反转方向：近处亮，远处暗
    Z_depth = (1 - Z_normalized)*max_value

    # zMax = np.max(Z_true)
    zMax = int(np.max(Z_true)*1.5)
    binDuration = zMax / 2e11
    
    # 验证时间箱数量
    ttd = 3e8 * binDuration / 2  # 时间到距离转换因子 (米/bin)
    tBinMax = int(round(zMax / ttd))  # 最大时间bin数
    print(f"tBinMax: {tBinMax}")

    # 计算深度范围 (必须在缩放前获取原始深度最大值)
    # zMax = int(np.max(Z_true) + 1)
    # zMax = 15
    # binDuration = 10e-11


    # 计算目标尺寸（保持长宽比）
    target_size = 64
    height, width = Z_true.shape
    scale = target_size / min(height, width)
    new_width = int(width * scale)
    new_height = int(height * scale)

    # 缩放深度图（使用INTER_AREA保持精度）
    Z_true = cv2.resize(
        Z_true, 
        (new_width, new_height),
        interpolation=cv2.INTER_AREA
    )

    # 读取并处理RGB图像
    rgb_img = cv2.imread(rgb_path)
    Alpha_true = cv2.cvtColor(rgb_img, cv2.COLOR_BGR2GRAY).astype(np.float64)

    # 以相同比例缩放灰度图
    Alpha_true = cv2.resize(
        Alpha_true,
        (new_width, new_height),
        interpolation=cv2.INTER_AREA
    )

    # # 输出最终尺寸信息
    # print(f"深度图最终尺寸: {Z_true.shape}")
    # print(f"反射率图最终尺寸: {Alpha_true.shape}")
    #     # 动态计算zMax（忽略深度为0的无效点）
    # valid_depths = Z_true[Z_true > 0]  # 筛选有效深度点（>0）
    # if valid_depths.size > 0:
    #     zMax = np.max(valid_depths) * 2  # 取最大值并增加10%余量
    # else:
    #     zMax = 15  # 默认值（无有效点时使用）

    tBinMax, sigDetect, spad = generate_simdata(
        Z_true, Alpha_true, SBR, meanSigDetect, save_path, zMax, binDuration
    )

    lr, lc = Z_true.shape

    sp = SinglePhotonImaging(lr, lc, binDuration)
    depth = sp.ssp(spad)

    if save_path:
        # 创建保存目录（如果不存在）
        os.makedirs(os.path.dirname(save_path), exist_ok=True)
        dic_data = {}
        dic_data["depth_ssp"] = depth
        dic_data["Z_true"] = Z_true
        dic_data["tBinMax"] = tBinMax
        dic_data["binDuration"] = binDuration
        dic_data["spad_data"] = spad.data
        dic_data["spad_indices"] = spad.indices
        dic_data["spad_indptr"] = spad.indptr
        dic_data["spad_shape"] = spad.shape
        dic_data["sigDetect_data"] = sigDetect
        # scipy.io.savemat(save_path, dic_data)
        np.savez_compressed(save_path, **dic_data)