基于光线跟踪的高真实感红外三维场景仿真方法研究

摘要

红外图像仿真系统是当前光电仿真领域中一个重要的研究方向，在红外制导武器的设计与研制、红外系统的数字或半实物仿真评估、军事仿真训练、遥感数据场景再现等军事和民用领域都有着广泛的应用，随着技术的发展和应用需求的提高，具有高物理真实性和逼真度的高真实感红外仿真系统越来越受到关注。
　　本文对国内外高真实感红外仿真系统进行了分析，结合可见光中的高真实感光照算法—光线跟踪，在原有红外仿真系统基础上，实现了基于光线跟踪算法的高物理真实感红外仿真子系统，该子系统严格考虑了红外成像过程中的各个辐射环节，提出了“自身热辐射—反射与阴影处理—大气传输效应—红外成像系统”的高真实感红外辐射传输仿真模型，并分别对其中的各个子模块进行物理建模，利用OGRE（Object-OrientedGraphicsRenderingEngine）图形渲染引擎以及GPU(GraphicsProcessingUnit)的可编程渲染技术，实现了高真实感红外图像的渲染输出。此外，为了提高红外仿真图像的渲染速度，本文采用了基于空间二值分割、八叉树和包围盒的场景管理技术以提高光线与场景内容的求交检测效率，设计了各种用于纹理采样的辐射数据纹理以提供光线跟踪辐射计算需要的数据。该系统为今后高真实感红外仿真系统的完善和进一步研究打下了基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外发展现状

1．2．1 国外发展状况

1．2．2 国内发展状况

1．3 研究内容和论文结构

1．3．1 研究内容

1．3．2 论文结构

1．3．3 本文特色

第二章 光线跟踪原理分析

2．1 光线跟踪简介

2．2 光线跟踪的基本原理

2．3 光线跟踪算法的基础要素

2．3．1 光线

2．3．2 成像栅格

2．3．3 相交检测

2．3．4 递归算法

2．4 几种光线跟踪的加速优化算法

2．4．1 包围盒技术

2．4．2 BSP加速算法

2．4．3 圆锥跟踪和光束跟踪

2．5 小结

第三章 基于光线跟踪的红外辐射传输模型

3．1 红外热辐射特性

3．2 红外辐射传输模型

3．2．1 物体表面向外发射的辐射

3．2．2 辐射经大气传输过程的大气效应

3．2．3 辐射到达红外成像系统的效应

3．3 光线跟踪红外辐射模型

3．4 重要辐射数据建模

3．4．1 自发辐射

3．4．2 太阳或月亮直射辐射

3．4．3 背景辐射

3．4．4 红外光源

3．4．5 物体表面材质

3．4．6 光谱／宽波段参数预处理

3．5 小结

第四章 基于GPU和OGRE的高真实感红外场景仿真体系

4．1 高真实感红外仿真系统的框架结构

4．2 基于GPU的高真实感红外场景仿真

4．2．1 GPU的并行处理结构

4．2．2 GPU的着色器和纹理采样

4．2．3 GPU的通用计算

4．2．4 GPU在高真实感红外场景仿真中的应用

4．3 基于OGRE的高真实感红外场景仿真

4．3．1 OGRE的仿真框架

4．3．2 OGRE的场景管理

4．3．3 OGRE的硬件缓存

4．3．4 OGRE的图像后处理

4．3．5 OGRE存高真实感红外场景仿真中的应用

4．4 小结

第五章 高真实感红外场景仿真系统的实现、结果与分析

5．1 高真实感红外仿真系统的实现流程

5．1．1 资源的预处理

5．1．2 场景的管理

5．1．3 光线跟踪器

5．1．4 图像后处理

5．2 高真实感红外仿真系统的仿真结果与分析

5．2．1 高真实感场景仿真结果

5．2．2 高真实感场景仿真结果分析

5．3 小结

第六章 总结

6．1 研究总结

6．2 未来展望

致谢

参考文献