基于热模型的实时红外仿真方法

摘要

本发明公开了一种基于热模型的实时红外仿真方法包括：红外材质库建模：测量材料温度、红外成像系统的输出电平值，进行大气辐射反演、成像效应反演，建立本征辐射亮度与红外成像系统的输出电平值的对应关系；并建立该材料的冷却函数，从而建立该材料的红外材质描述模型；通过对一系列材料的试验和分析，建立红外材质库；定义红外热模型存储格式：通过扩展几何模型的存储格式，在几何模型中存储红外特征参数；红外效果渲染：读取几何模型过程中同步读入红外特征参数，并模拟热传递效应、自然冷却的过程、大气传递效应，使用GPU的片段着色器编程实现对几何模型的颜色控制，最终实现逼真的红外仿真效果。

说明书

技术领域

本发明涉及实时红外仿真技术，具体涉及一种基于热模型的实时红外仿真方法。

背景技术

近年来，红外成像系统在军民领域都得到了极大的发展，在民用领域的应用如监控系统、夜间辅助驾驶、线路检查、人员搜救等，在军事上应用更为广泛，如光学遥感、目标探测、夜间导航及精确制导等。采用红外成像技术的武器系统具有精度高、受气候影响小、使用灵活等特点，备受各国的密切关注和大力发展，陆续研制了各种基于红外成像技术的武器系统。这些武器系统在研发过程中，往往需要不断的对系统性能进行评估和测试，虽然野外试验能够得到真实的评估结果，但由于气候等测试条件的不可控制性，野外试验往往会耗费大量的时间和资源，而且有些测试条件可能根本无法满足，而基于仿真的红外图像生成可以克服这些限制，它具有获取简单、高度灵活等特点，可缩短研发周期、降低费用、有效地测试评估各种红外系统，同时实时红外仿真技术在装备模拟训练系统中也有广泛的应用前景。目前红外成像系统有红外热成像和夜视增强2种工作模式，红外热成像模式根据物体发出的热量进行成像，其图像一般为灰度图或伪彩色图，不同的灰度值或伪彩色值代表不同的温度；夜视增强模式通过增强人眼不可见的微弱光线提高物体的可见性，其图像一般为绿色。

自20世纪70年代末开始，发达国家对红外成像技术进行了大量的研究，并获得了显著的成果。目前已有不少相对成熟的红外仿真系统，如Presagis公司的Vega/VegaPrime，Evans & Sutherland公司的EPX, 波希米亚交互工作室集团的VBS2，以及Quantum3D公司的viXsen等，这些软件都提供了红外仿真功能。但受冷战思维的影响，这些软件或其红外模块大多禁止出售给中国，或者对红外材质库、模型等进行了修改，使其仿真结果与真实情况存在较大差异，另外这些软件一般都是针对某一领域的应用而开发，使用起来有各种局限性，底层原理不公开，难于进行二次开发，很难满足军事仿真、红外制导系统试验数据生成等高级仿真需求。

与发达国家相比，国内的红外仿真技术起步较晚，整体水平落后很多。国内目前没有统一的仿真组织管理机构，部分院校和研究所进行了一些零星的、特定目标的红外特性研究，并取得了不少进展。这些研究涉及红外成像仿真的各个环节，但大多注重于仿真热模型和红外特征分析，没有系统的红外仿真框架，更没有较完善的商业化红外仿真软件。

目前国内可得到的国外商业化红外仿真软件主要是Vega，这是Presagis公司早期的视景仿真产品，而且从2001年起就停止了对Vega的更新，Vega的核心基于C语言开发，程序结构落后，没有提供对新的图形硬件特性的支持，其红外仿真模块基于一种红外辐射计算模型，通过这个模型来计算物体的各个面元的辐射量，最终量化输出红外仿真图像，受限于当时GPU技术，计算工作都由CPU承担，大量数据在CPU和GPU之间多次传递，降低了红外图像生成效率；且在实际中发现，该软件的红外模块存在一些技术上的缺陷和数据上的错误，但因为无法得到Vega软件的源代码，很难对其红外仿真技术进行改进，所以使用该软件难于获得满足要求的仿真结果。因此开发一种自主红外场景仿真软件对于突破国外技术封锁、掌握红外仿真核心技术具有特别重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于热模型的实时红外仿真方法，仿真模型较为科学，工程上易于实现，实际仿真效果良好。

为了达到上述的目的，本发明提供一种基于热模型的实时红外仿真方法，包括：1）红外材质库建模，具体为：测量材料温度、红外成像系统的输出电平值；进行红外成像系统辐射标定、大气辐射反演、成像效应反演，完成本征辐射亮度的反演，建立该材料的本征辐射亮度与红外成像系统的输出电平值的对应关系；建立该材料的冷却函数，从而建立该材料的红外材质描述模型；通过对一系列材料的试验和分析，建立红外材质库；2）定义红外热模型存储格式，具体为：通过扩展几何模型的存储格式，在几何模型中存储红外特征参数，所述红外特征参数包括红外材质索引、冷却函数索引、初始温度；3）进行红外仿真，读取几何模型过程中同步读入红外特征参数，并根据索引获得红外材质、冷却函数的具体参数，并模拟热传递效应、自然冷却的过程、大气传递效应，使用GPU的片段着色器编程实现对几何模型的颜色控制，最终实现逼真的红外仿真效果。

上述基于热模型的实时红外仿真方法，其中：所述步骤1）中，红外成像系统辐射标定方法为：

其中，为红外成像系统的输出电平值，为待标定红外成像系统的辐射亮度响应值，为黑体在红外成像系统波段内的辐射亮度，是红外成像系统自身引起的输出电平偏移值。

上述基于热模型的实时红外仿真方法，其中：所述步骤1）中本征辐射亮度的反演方法为：

其中，为材料的本征辐射亮度，、分别为材料与红外成像系统之间的大气透过率和路径辐射，为红外成像系统的输出电平值，为红外成像系统的辐射亮度响应值，是红外成像系统自身引起的输出电平偏移值。

上述基于热模型的实时红外仿真方法，其中：所述步骤2）中提出了一种三维几何模型和红外特征参数相结合的红外热模型存储格式，通过扩展Presagis公司的OpenFlight模型格式，定义IRnode属性节点，IRnode属性节点作为Group、Object类型节点的父节点，在IRnode属性节点中存储红外特征参数供所有子节点共享，实现在Presagis公司的Creator三维建模软件中为三维几何模型存储红外特征参数。

上述基于热模型的实时红外仿真方法，其中：为模拟物体温度随着热辐射不断降低的现象，提出了红外热模型冷却函数的概念，冷却函数的定义如下所示：

其中，为对流换热系数，为固体壁面与周围流体的温差，，常数和由固体表面布置形式决定。

上述基于热模型的实时红外仿真方法，其中：所述步骤3）中，提出了一种基于多层纹理的热传递效应模拟方法，实现对热导率低、比热容大的材料进行热传递效应模拟，通过指定描述温度变化的渐变纹理和调节因子，在GPU的片段着色器中使用调节因子处理贴有渐变纹理的多边形，使最终的红外图像有渐变的颜色。

上述基于热模型的实时红外仿真方法，其中：所述步骤3）中，提出一种基于GPU的片段着色器编程的几何模型颜色控制方法，具体为根据物体的温度、亮度值，根据颜色合成模型，实时调制片段颜色的红、绿、蓝3个分量，控制最终图像为灰度图、伪彩色图或绿色图。

上述基于热模型的实时红外仿真方法，其中：大气辐射反演中提出基于Windows API截获法和时戳监视法的2种LOWTRAN软件实时大气传输参数获取方法，Windows API截获法通过直接HOOK Windows 操作系统的读写API，直接监控读写内容，在LOWTRAN软件向存储器中写入计算结果时直接获取其计算结果；时戳监视法通过不断读取LOWTRAN软件计算结果文件的最后写入时间，判断文件内容是否已经更改，如果更改则读取其中存储的最新计算结果。这2种方法可以解决LOWTRAN软件计算结果难于实时获取的问题。

本发明的基于热模型的实时红外仿真方法，将几何模型和红外特性模型封装在一起，这能极大地简化仿真程序的开发和数据管理工作，便于将红外仿真相关的代码进行模块化设计，使得该仿真方法易于工程化实现；从红外成像系统的输出电平值反演目标的本征辐射亮度的方法，可以提高仿真的精度。

附图说明

本发明的基于热模型的实时红外仿真方法由以下的实施例及附图给出。

图1是本发明较佳实施中节点IRnode属性示意图。

图2是本发明较佳实施中坦克炮管初始状态红外仿真图像。

图3是本发明较佳实施中坦克炮管连续发射5发炮弹后红外仿真图像。

图4是本发明较佳实施中坦克炮管连续发射20发炮弹后红外仿真图像。

具体实施方式

以下将结合图1～图4对本发明的基于热模型的实时红外仿真方法作进一步的详细描述。

红外仿真是对目标的红外辐射及其在大气中的传播和在探测设备里能量转换过程的一种模拟，为了生成与红外探测系统基本一致的红外图像，主要考虑如下几个方面：（1）建立场景的几何模型；（2）建立目标的热模型；（3）计算目标表面的本征辐射亮度；（4）利用大气传输软件，计算大气路径辐射和目标红外辐射的大气衰减；（5）考虑光学系统的成像效应，模拟红外辐射在光学系统中的传输特性；（6）模拟红外成像系统的特性，计算红外成像系统成像面元对应像素的辐射度。本发明重在（2）、（3）和（6）三个方面的研究。

本发明较佳实施例的基于热模型的实时红外仿真方法包括：

1）红外材质库建模

测量目标（对应一种材料）温度、红外成像系统的输出电平值；进行红外成像系统辐射标定、大气辐射反演、成像效应反演，完成本征辐射亮度的反演，建立该材料的本征辐射亮度与红外成像系统的输出电平值的对应关系；建立该材料的冷却函数，从而建立该材料的红外材质描述模型；通过对一系列材料的试验和分析，建立红外材质库；

2）定义红外热模型存储格式

通过扩展几何模型的存储格式，在几何模型中存储红外特征参数，所述红外特征参数包括红外材质索引（即步骤1）建立的红外材质库）、冷却函数索引、初始温度；

3）实时红外仿真

在进行实时红外仿真时，读取几何模型过程中同步读入红外特征参数，并根据索引获得红外材质、冷却函数的具体参数，并模拟热传递效应、自然冷却的过程、大气传递效应，使用GPU的片段着色器编程实现对几何模型的颜色控制，最终实现逼真的红外仿真效果。

所述步骤1）中，红外成像系统辐射标定用来确定红外成像系统的辐射响应度，即红外成像系统输入辐射亮度与输出电平值之间的关系；可以用黑体作为标准红外辐射源对红外成像系统进行辐射定标，红外成像系统标定模型如下：

其中，为红外成像系统的输出电平值，为待标定红外成像系统的辐射亮度响应值，为黑体在红外成像系统波段内的辐射亮度，是红外成像系统自身光机结构热辐射、探测器暗电流等引起的输出电平偏移值；黑体的辐射亮度通过普朗克公式计算：

其中，、为红外成像系统的测量波段，为黑体发射率，为黑体工作温度，、分别为第一、第二辐射常数，黑体的发射率、红外成像系统的工作波段等参数已知，计算多组在不同温度下的辐射亮度并测量相应的红外成像系统输出电平值，就可以确定和。

所述步骤1）中，本征辐射亮度反演具体为：设为某材料的本征辐射亮度，、分别为材料与红外成像系统之间的大气透过率和路径辐射，则该材料的本征辐射亮度经大气传输后到达红外成像系统的辐射亮度为，可得如下关系式：

从上式可反演得到该材料的本征辐射亮度：

当测得该材料在红外成像系统中的输出电平值，并用LOWTRAN等软件计算当前的大气透过率及路径辐射，就可以得到当前温度下该材料的本征辐射亮度；

测量该材料温度，可得到当前温度下该材料的本征辐射亮度，测量多个温度下该材料的本征辐射亮度，并进行线性回归分析，从而可以利用回归模型根据该材料温度预测该材料的本征辐射亮度。

举例说明：表1所示为某材料的一组温度与该材料的本征辐射亮度的数据。

30.132.034.136.238.540.042.244.315.018.220.924.127.530.033.636.9

表1 一组温度与本征辐射亮度数据

先画出这组数据的散点图，可知与大致成线性关系，设回归模型为：

用matlab的regress函数进行一元回归分析，显著性水平设定为0.05，得到：

=-31.1420，=1.5311

=0.00

的置信度区间是[-32.8300，-29.4540]

的置信度区间是[1.4860，1.5761]

显然，所以回归模型成立，用rcoplot函数画出残差及其置信区间，可发现所有数据残差的置信区间均包含零点，因此本回归模型适合这组数据，从而可以利用该回归模型预测某温度下的该材料的本征辐射亮度。

本发明采用LOWTRAN软件进行大气传输参数的计算，提出基于Windows API截获法和时戳监视法的2种LOWTRAN软件实时大气传输参数获取方法，解决了LOWTRAN软件计算结果难于实时获取的问题。

a）Windows API截获法

LOWTRAN写结果时会调用一些操作系统API函数，如CreateFileA、WriteFile等，可通过使用钩子技术截获这些操作系统API函数，并用自定义API函数替换这些操作系统API函数，这样仿真系统可以在自定义API函数中直接获取LOWTRAN将要写入计算结果文件TYPE6的内容，并从中获取计算结果；

b）时戳监视法

该方法通过监控结果输出文件TYPE6的修改时间来获取输出结果，当启动LOWTRAN进行计算时，获取结果输出文件当前的修改时间，然后每10ms检测一次该修改时间，当修改时间发生变化时，启动输出结果读取工作；虽然在Windows资源管理器中记录的文件修改时间只精确到秒级，但可以编程得到毫秒级的时间，根据MSDN中相关论述，该时间可精确到10ms，这样就可以避免过长的延时。

为模拟物体温度随着热辐射不断降低的现象，提出了红外热模型冷却函数的概念，冷却函数的定义如下所示：

其中，为对流换热系数，为固体壁面与周围流体的温差。对流换热系数的形式与流体种类、流动状态、固体几何形状等有关，难于获得，Jacobs提出直接以风速的函数描述对流换热系数，并给出了下列表达式：

其中，常数和由固体表面布置形式决定，如水平、垂直、迎风、背风等决定，可以查表得到。

所述步骤2）中，提出了一种三维几何模型和红外特征参数相结合的红外热模型存储格式，具体为：通过扩展OpenFlight模型格式，定义IRnode属性节点，IRnode属性节点作为Group、Object类型节点的父节点，在IRnode属性节点中存储红外特征参数供所有子节点共享，实现在Creator三维建模软件中为三维几何模型存储红外特征参数。

所述步骤2）中利用OpenFlight API扩展OpenFlight模型格式，具体为：利用OpenFlight API开发一个Creator插件，使Creator生成新的节点IRnode，并在该节点属性中存储红外特征参数；所述节点IRnode可以作为Group、Object类型节点的父节点，在节点IRnode属性中存储的红外特征参数供所有子节点共享。

OpenFlight模型格式由Presagis公司开发，是实时视景仿真领域三维模型数据库事实上的工业标准，OpenFlight采用几何层次结构和节点属性来描述三维物体，包括数据库头节点、组节点、对象节点、多边形等，允许用户直接对层次结构及节点进行操作，从而具备对各级节点的精确控制能力；OpenFlight API是一套用于读写OpenFlight模型的应用程序接口，它可以为Creator开发插件，用于增强Creator的功能或扩展OpenFlight模型格式。

本发明较佳实施例使用OpenFlight API V3.5扩展OpenFlight模型格式，具体包括如下步骤：

（1）定义节点ID，用来标识该扩展数据；

（2）在数据字典文件中定义扩展的内容；

（3）使用ddbuild解析（2）中定义的数据字典，生成定义该扩展的头文件；

（4）使用生成的头文件，编写C代码完成该扩展的定义；

（5）编译该扩展模块；

（6）将该扩展模块放到Creator的插件目录，这样Creator启动时就会自动加载该扩展模块。

已有红外仿真技术中，需要分别建立目标的几何模型（例如采用3ds或obj三维格式建立对象的几何模型）和相应的红外特性模型，这种方法开发人员需要维护几何模型和红外特性模型两个目标列表及其相互间的对应关系，而且目标各个部分的红外特性可能各不相同，在目标数目众多或需要在程序中动态增加目标时，将非常难于实现；而本发明将几何模型和红外特性模型封装在一起，通过对OpenFlight模型格式进行扩展，直接在几何模型的属性中存储有关红外参数，使其扩展成为一个红外热模型，由仿真系统自动处理目标温度到目标的本征辐射亮度的转换及物体的冷却，这将极大地简化程序的开发工作，便于将红外仿真相关的代码进行模块化设计。

所述步骤3）中，提出了一种基于多层纹理的热传递效应模拟方法，实现对热导率低、比热容大的材料进行热传递效应模拟，通过指定描述温度变化的渐变纹理和调节因子，在GPU的片段着色器中使用调节因子处理贴有渐变纹理的多边形，使最终的红外图像有渐变的颜色。

所述步骤3）中，提出一种基于GPU的片段着色器编程的几何模型颜色控制方法，具体为根据物体的温度、亮度值等，根据颜色合成模型，实时调制片段颜色的红、绿、蓝3个分量，达到控制最终图像为灰度图、伪彩色图或绿色图的目的，从而完成红外成像系统工作于红外热成像模式或夜视增强模式的仿真。

将本发明的基于热模型的实时红外仿真方法应用于Vega Prime视景渲染引擎中（也可用于OSG、Ogre等常见引擎中），以T72坦克炮管红外仿真为例，验证本发明技术效果：

启动Creator，并加载IRnode扩展模块，新建一个IRnode节点，将坦克炮管的几何体作为子节点全部放入IRnode节点，设置炮管的初始温度为20度，当前温度为24.5度，并填入红外材质索引和冷却函数索引等，其模型层次结构及IRnode属性页面如图1所示。然后用Vega Prime2.2虚拟现实引擎加载该模型，用OpenFlight API读取红外参数，计算大气传输参数。在仿真中根据炮管当前的温度、炮管的材质索引、冷却函数索引，读取相关函数计算出炮管此时的本征辐射亮度，取得当前坦克和红外成像系统位置，检查是否需要重新计算大气传输参数，然后计算目标的本征辐射亮度，经过大气传输模型和红外成像系统的成像模型处理后，在GPU中使用量化函数处理相应片段，得到最后的红外热成像模式的红外仿真视景。

仿真采用中纬度冬季大气模式，炮管的初始状态、连续发射5发炮弹和连续发射20枚炮弹后的红外热图像分别如图2、3、4所示。

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