基于全链路的红外伪装效果仿真系统及评估方法

摘要

本发明公开了一种基于全链路的红外伪装效果仿真系统及评估方法，系统包括目标仿真模块、背景仿真模块、环境仿真模块、传感器仿真模块和伪装效果合成仿真五个模块。本发明的方法包括如下步骤：（1）目标仿真；（2）背景仿真；（3）大气效应仿真；（4）传感器效应仿真；（5）伪装效果仿真；（6）伪装效果评估。本发明的仿真系统是全链路仿真，避免了现有仿真技术不真实不完整的缺点，具有仿真更真实更完整的优点。本发明的评估方法是基于全链路仿真结果进行伪装效果评估的，避免了现有技术中需要外场试验的缺点，具有方便快捷地的评估伪装效果的优点。

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，更进一步涉及光电系统仿真与评估技术领域中的一种 基于全链路的红外伪装效果仿真系统及评估方法。本发明的系统可用于对伪装目标的 红外伪装效果进行更完整更真实的仿真，本发明的方法可用于方便准确地评估伪装目 标的伪装效果。

背景技术

红外成像传感器已被广泛应用于现代武器装备中，如何针对不同的红外成像传感 器进行工程伪装是现代伪装技术所要解决的问题。要解决该问题必须从现场战术性能 方面对伪装装备进行论证与实验，获得红外成像传感器感知伪装目标和背景的图像， 并进行客观准确的评估。

目前，现有的针对伪装论证和试验评估的方法有伪装目标的辐射特性、几何特性 和光谱特性评价方法，伪装目标与背景图像的相似度评价方法，基于图像特征的伪装 效果评估方法等，这些方法都是依据外场试验所采集的数据和图像来进行伪装效果评 估的，主要停留在伪装图像的可视化和效果评价阶段，较少与面向人眼视觉的成像侦 察系统性能和面向机器视觉的成像制导系统性能进行有效的联系，无法准确定量评估 伪装器材、军事装备及阵地在特定环境下能否有效对付敌方侦察和精确制导武器的攻 击性能。

通常进行外场试验要消耗大量的人力物力，稳定性和可重复性差，受天气影响较 大，而利用计算机搭建仿真平台可以仿真目标在不同的环境和不同的传感器作用下的 伪装效果，可以在实验室条件下实现，方便快捷，节省人力和物力。

北京航空航天大学所拥有的专利技术“一种针对红外成像系统的全数字仿真系统 及其仿真方法”（专利申请号201110115863.X，授权公告号CN102184288B）公开了一 种针对红外成像系统的全数字仿真系统及其仿真方法。该仿真系统由仿真平台、仿真 成员库、仿真信息表、多个仿真成员和仿真客户端构成，仿真方法具体是构建并注册 仿真成员，然后配置仿真过程，再由仿真平台根据仿真过程对仿真成员进行仿真推进， 并在仿真完成后对所仿真的系统进行性能评估。该发明能通过已开发的仿真成员完成 对红外成像系统虚拟样机的快速搭建，可实现单个分系统独立仿真、多个分系统联合 仿真以及整个虚拟样机的分布式协同仿真。该仿真系统能够兼容多类红外成像系统， 是一种通用的仿真模型，具有灵活开放的仿真架构。该专利技术存在的不足是：只针 对红外成像系统进行完整的建模仿真的系统，将其作用于目标伪装效果评价时，没有 包含对红外成像系统作用的目标对象和周围环境进行建模仿真的分系统，仿真链路不 完整。

中国科学院光电技术研究所拥有的专利技术“用于光电经纬仪的目标仿真方法” （专利申请号200310115502.0，授权公告号CN100443859C）公开了一种能同时对目 标特性和背景特性进行仿真以生成复合图像的方法。该方法能同时对目标轨迹、目标 特性和背景进行仿真，将仿真结果送至目标图像合成模块完成整幅图像的生成，将最 终生成的图像送至光电经纬仪的电视图像处理系统，综合驱动光电经纬仪的电视图像 系统、计算机数据处理系统和跟踪控制系统，使仪器对仿真目标进行跟踪。该方法可 以快速完备地完成光电经纬仪的室内联调、外场校飞和训练工作，适合于仿真各种不 同运动特征和成像特征的目标。该专利技术存在的不足是：目标特性仿真模块只对目 标在最终图像中的成像大小、形状和灰度分布进行仿真，不能对目标的纹理信息进行 仿真，仿真结果还是不够真实。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于全链路的红外伪装效 果仿真系统及评估方法。该系统可以实现全链路仿真，更加真实地仿真伪装效果。该 方法基于全链路仿真结果实现效果评估，将目标的伪装效果同周围环境和红外成像传 感器的性能联系起来，可以更加方便准确地评估目标的伪装效果。

为了实现上述目的，本发明的仿真系统包括五个模块：目标仿真模块、背景仿真 模块、环境仿真模块、传感器仿真模块和伪装效果合成仿真模块；所述的目标仿真模 块、背景仿真模块、环境仿真模块、传感器仿真模块、伪装效果合成仿真模块通过总 线相连接。

目标仿真模块包括几何模型仿真模块和目标纹理仿真模块；所述的几何模型仿真 模块用于建立目标的几何模型，目标纹理仿真模块用于根据所采集的目标图像进行纹 理生成和纹理映射，输出目标仿真图。

背景仿真模块包括几何模型仿真模块和背景纹理仿真模块；所述的几何模型仿真 模块用于建立背景的几何模型，背景纹理仿真模块用于根据所采集的背景图像进行纹 理生成和纹理映射，输出背景仿真图。

环境仿真模块，用于根据所采集的大气环境参数仿真大气环境，输出大气纹理数 据。

传感器仿真模块包括信号响应仿真模块、采样效应仿真模块、空间滤波效应仿真 模块和噪声效应仿真模块；所述的信号响应仿真模块用于根据所采集的传感器参数仿 真传感器的信号响应，采样效应仿真模块用于根据所采集的传感器参数仿真传感器的 采样效应，空间滤波效应仿真模块用于根据所采集的传感器参数仿真传感器的空间滤 波效应，噪声效应仿真模块用于根据所采集的传感器参数仿真传感器的噪声效应，输 出传感器纹理数据。

伪装效果合成仿真模块，用于根据目标仿真模块、背景仿真模块、环境仿真模块 和传感器仿真模块的结果，合成仿真伪装效果，输出伪装效果仿真图。

为了实现上述目的，本发明的评估方法包括如下步骤：

（1）目标仿真：

1a）使用相机采集伪装目标的可见光图像；

1b）使用红外成像仪采集伪装目标的红外图像；

1c）使用红外测温仪采集伪装目标的温度数据；

1d）目标仿真模块中的几何模型仿真模块，从三维模型数据库中选择与待仿真的 目标几何形状相符合的模型，利用三维建模工具建立目标的几何模型；

1e）目标仿真模块中的目标纹理仿真模块，利用红外纹理生成技术对所采集伪装 目标的可见光图像进行红外纹理生成，利用图像反演技术对所采集伪装目标的红外图 像进行图像反演，得到目标的红外纹理数据；

1f）目标纹理仿真模块利用纹理映射技术，将目标的红外纹理数据映射到目标几 何模型上，生成完整的目标仿真图。

（2）背景仿真：

2a）使用相机采集背景的可见光图像；

2b）使用红外热像仪采集背景的红外图像；

2c）使用红外测温仪采集背景的温度数据；

2d）背景仿真模块中的几何模型仿真模块，从背景模型数据库中选择与待仿真的 背景相符合的模型，利用三维建模工具建立背景模型；

2e）背景仿真模块中的背景纹理仿真模块，利用红外纹理生成技术对所采集背景 的可见光图像进行红外纹理生成，利用图像反演技术对所采集背景的红外图像进行图 像反演，得到背景的红外纹理数据；

2f）背景纹理仿真模块利用纹理映射技术，将背景的红外纹理数据映射到背景模 型上，生成完整的背景仿真图。

（3）大气效应仿真：

3a）由气象局公布的气象数据获得待仿真的大气数据；

3b）环境仿真模块利用大气辐射传输计算工具，对所采集的大气数据进行计算， 得到大气的纹理数据。

（4）传感器效应仿真：

4a）由待仿真的红外成像传感器的性能参数表得到红外成像传感器的参数；

4b）传感器仿真模块利用传感器效应模型，对所采集的红外成像传感器的参数进 行计算，得到传感器纹理数据。

（5）伪装效果仿真：

5a）伪装合成模块在步骤2f）所生成的背景仿真图像上叠加步骤1f）生成的目 标仿真图像，生成合成场景图像；

5b）伪装合成模块将所生成的大气纹理数据和传感器纹理数据，利用纹理映射技 术映射到合成场景图像上，得到伪装效果图。

（6）伪装效果评估：

组织经过视觉训练的人员，对所生成的伪装效果图，依据基于人眼视觉的目标评 估方法进行伪装效果评估。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明的仿真系统是全链路仿真系统，实现了目标、背景、环境和成 像传感器的全链路仿真，从而避免了现有技术中仿真效果不完整，真实度低的缺点。 使得本发明具有仿真更完整、更真实伪装效果的优点。

第二，由于本发明的评估方法是基于全链路仿真下的伪装效果评估方法，是基于 仿真结果进行的伪装效果评估的，从而避免了现有技术中需要进行外场试验，人力物 力耗费多，稳定性和可重复性差的缺点。使得本发明具有方便、准确地的评估伪装效 果的优点。

附图说明

附图1是本发明系统的方框图；

附图2是本发明方法的流程图；

附图3是本发明的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

下面结合附图1对本发明的系统做进一步的描述。

本发明的系统包括五个模块：目标仿真模块、背景仿真模块、环境仿真模块、传 感器仿真模块和伪装效果合成仿真模块；所述的目标仿真模块、背景仿真模块、环境 仿真模块、传感器仿真模块、伪装效果合成仿真模块通过总线相连接。其中，

目标仿真模块包括几何模型仿真模块和目标纹理仿真模块；所述的几何模型仿真 模块用于建立目标的几何模型，目标纹理仿真模块用于根据所采集的目标图像进行纹 理生成和纹理映射，输出目标仿真图。

背景仿真模块包括几何模型仿真模块和背景纹理仿真模块；所述的几何模型仿真 模块用于建立背景的几何模型，背景纹理仿真模块用于根据所采集的背景图像进行纹 理生成和纹理映射，输出背景仿真图。

环境仿真模块，用于根据所采集的大气环境参数仿真大气环境，输出大气纹理数 据。

传感器仿真模块包括信号响应仿真模块、采样效应仿真模块、空间滤波效应仿真 模块和噪声效应仿真模块；所述的信号响应仿真模块用于根据所采集的传感器参数仿 真传感器的信号响应，采样效应仿真模块用于根据所采集的传感器参数仿真传感器的 采样效应，空间滤波效应仿真模块用于根据所采集的传感器参数仿真传感器的空间滤 波效应，噪声效应仿真模块用于根据所采集的传感器参数仿真传感器的噪声效应，输 出传感器纹理数据。

伪装效果合成仿真模块，用于根据目标仿真模块、背景仿真模块、环境仿真模块 和传感器仿真模块的结果，合成仿真伪装效果，输出伪装效果仿真图。

下面结合附图2对本发明方法的步骤做进一步的描述。

步骤1，目标仿真。

使用相机采集伪装目标的可见光图像。

使用红外成像仪采集伪装目标的红外图像。

使用红外测温仪采集伪装目标的温度数据。

目标仿真模块中的几何模型仿真模块从三维模型数据库中选择与待仿真的目标 几何形状相符合的模型，利用三维建模工具建立目标的几何模型。

在本发明的实施例中，三维建模工具采用3DMAX工具。

目标仿真模块中的目标纹理仿真模块，利用红外纹理生成技术对所采集伪装目标 的可见光图像进行红外纹理生成，利用图像反演技术对所采集伪装目标的红外图像进 行图像反演，得到目标的红外纹理数据。

采集伪装目标的可见光图像进行红外纹理生成的步骤是：

第一步，依据待仿真目标所使用的材质和所采集目标的温度数据，利用普朗克公 式计算生成目标的宏观纹理数据。

第二步，利用灰度分布分析方法对所采集目标的可见光图像进行计算得到灰度分 布数据，作为目标的微观纹理数据。

第三步，将所得到的目标的宏观纹理数据和微观纹理数据叠加得到目标的红外纹 理数据。

在本发明的实施例中对所采集伪装目标的红外图像进行图像反演的方法是：

第一步，对所采集目标的红外图像进行图像逆运算，得到目标的辐射数据。

第二步，将所得到的目标辐射数据减去大气纹理数据和传感器纹理数据，得到目 标的红外纹理数据。

目标纹理仿真模块将目标的红外纹理数据利用纹理映射技术映射到目标几何模 型上，得到完整的目标仿真图。

步骤2，背景仿真.

使用相机采集背景的可见光图像。

使用红外热像仪采集背景的红外图像。

使用红外测温仪采集背景的温度数据。

背景仿真模块中的几何模型仿真模块从背景模型数据库中选择与待仿真的背景 相符合的模型利用三维建模工具建立背景模型。

在本发明的实施例中，三维建模工具采用3DMAX工具。

背景仿真模块中的背景纹理仿真模块，利用红外纹理生成技术对所采集背景的可 见光图像进行红外纹理生成，利用图像反演技术对所采集背景的红外图像进行图像反 演，得到背景的红外纹理数据。

采集背景的可见光图像进行红外纹理生成的步骤是：

第一步，依据待仿真背景所使用的材质和所采集的背景的温度数据，利用普朗克 公式计算生成背景的宏观纹理数据。

第二步，利用灰度分布分析方法对所采集背景的可见光图像进行计算得到灰度分 布数据，作为背景的微观纹理数据。

第三步，将所得到的背景的宏观纹理数据和微观纹理数据叠加得到背景的红外纹 理数据。

对所采集伪装背景的红外图像进行图像反演的方法是：

第一步，对所采集背景的红外图像进行图像逆运算，得到目标的辐射数据。

第二步，将所得到的背景辐射数据减去大气纹理数据和传感器纹理数据，得到背 景的红外纹理数据。

背景纹理仿真模块将背景的红外纹理数据利用纹理映射技术映射到背景模型上， 生成完整的背景仿真图。

步骤3，大气效应仿真.

由气象局公布的气象数据获得待仿真的大气数据。

环境仿真模块利用大气辐射传输计算工具，对所采集的大气数据进行计算，得到 大气的纹理数据。

在本发明的实施例中，大气辐射传输计算工具是采用MODTRAN工具。

步骤4，传感器效应仿真。

由待仿真的红外成像传感器的性能参数表得到红外成像传感器的参数。

传感器仿真模块利用传感器效应模型，对所采集的红外成像传感器的参数进行计 算，得到传感器纹理数据。

所述的传感器效应模型包括信号响应模型、采样效应模型、空间滤波效应模型和 噪声效应模型四种模型。这四种模型描述了信号经过光学系统、探测器和电路处理系 统的响应过程。其中，光学系统的效应包括能量衰减、像面照度分布、空间效应和杂 光。探测器响应过程包括信号响应、时间滤波、采样效应、抖动和滤波。电路处理系 统的响应过程包括放大器增益、低通滤波、高通滤波、高频提举、CCD转移损失、A/D 转换和灰度量化等过程。

步骤5，伪装效果仿真。

伪装合成模块在所生成的背景仿真图像上叠加所生成的目标仿真图像，生成合成 场景图像。

伪装合成模块将所生成的大气纹理数据和传感器纹理数据，利用纹理映射技术映 射到合成场景图像上，得到伪装效果图。

步骤6，伪装效果评估。

组织经过视觉训练的人员，对所生成的伪装效果图，依据基于人眼视觉的目标评 估方法进行伪装效果评估。

基于人眼视觉的目标评估方法的步骤是：

第一步，由经过视觉训练的人员，根据约翰逊准则，判断伪装效果图上的伪装目 标是否可见。

第二步，由经过视觉训练的人员，根据约翰逊准则，判断伪装效果图上的伪装目 标是否可识别。

第三步，由经过视觉训练的人员，根据约翰逊准则，判断伪装效果图上的伪装目 标是否可辨认。

第四步，将上述三步的判断结果作为伪装效果的评估结果。

所述的约翰逊准则是指在不考虑目标本质和图像缺陷的情况下，用目标等效条纹 的分辨力来确定红外热像仪成像系统对目标的识别能力的准则。

本发明的实施例中，约翰逊准则的具体描述是：在概率为50%，目标与背景的对 比度为1的条件下分别统计目标在可见、可识别、可探测情况下，目标在探测器上所 成的像在临界尺寸方向上所占据的像素个数至少为1.5、6、12。

本发明实施例中还依据伪装目标在人眼视觉可见、可识别、可辨认情况下分别对 应的红外成像系统的作用距离得到了红外成像系统的探测距离、识别距离和辨认距 离。依据该仿真系统和评估方法还可进行在伪装条件下搜索型、跟踪型和制导型红外 成像系统的动态性能和攻防性能的评估。

下面结合仿真图3对本发明的效果做进一步的描述。

1.仿真条件：

本发明仿真实验的运行系统为Intel(R)Core(TM)i5CPU6503.20GHz，32位 Windows操作系统，仿真软件采用Microsoft Visual Studio2008和OGRE软件。

2.仿真结果：

参照仿真图3，其中，图3（a）是伪装目标和背景的合成仿真图，图3（b）是伪 装效果仿真图。图3（a）包含目标和背景的几何模型和表面纹理贴图，图3（b）在 图3（a）上添加了大气效应仿真结果和传感器效应仿真结果，仿真的是经过大气衰减、 大气散射和红外成像传感器作用后的伪装目标和背景。定性对比两图可见，目标的伪 装效果在大气和传感器的作用下发生了变化，伪装目标和背景的对比度下降，说明在 此种条件下目标的伪装效果较好。