[發明專利]基于紋理的實時模擬紅外探測系統效應的方法

無效

• 申請號: 201210414685.5
• 申請日: 2012-10-25
• 公開（公告）號: CN102930151A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 黃曦;張建奇;艾敏;王曉蕊;何國經;劉德連
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發明屬于計算機仿真技術領域，具體涉及紅外探測系統效應紋理的生成，可用于紅外成像系統的性能評估、研發與測試方面。

背景技術

隨著紅外技術的不斷發展，紅外成像系統被廣泛應用于軍事領域，采用紅外成像技術的武器系統具有精度高、抗干擾能力強、使用靈活等特點，因此備受各國重視并得到大力發展。新的成像系統的研制，往往需要不斷對系統的各項性能指標進行測試和評估。簡單的實驗室測試無法真實地反映實際情況，若通過野外靶場試驗的方法則消耗大量的人力、物力和時間，并且只能獲得數量有限的特定時間特定氣象條件下的圖像場景，無法保證紅外成像系統在不同天氣條件、不同觀測距離的實戰性能。因此，找到能降低成本、縮短周期，同時生成大量不同狀態的紅外圖像的技術，成為一個迫切的需求。

紅外成像場景仿真技術正是在這種背景下提出和發展起來的。利用計算機圖形學和虛擬現實技術，以紅外物理學及傳熱學為理論基礎的紅外場景仿真技術可有效縮短軍方紅外武器系統研制周期、降低研發成本，克服時間、環境、地域變化方面的限制，大大提高紅外成像系統設計、測試、評估和應用的效率。紅外成像場景仿真技術通過預先建立目標和背景幾何模型、紅外材質庫，模擬大氣傳輸、紅外探測器效應，完整再現成像鏈的每個環節。仿真系統具有高度的靈活性，允許用戶輸入季節、時刻、氣象條件、周圍環境和成像系統效應等各種仿真參數來逼真地生成各種條件下的紅外場景圖像。仿真生成的圖像為紅外成像系統的性能評價和改進提供了分析依據。

紅外探測系統一般包括三個部分，分別為：光學系統、探測器和電路。模擬紅外探測系統效應是紅外場景仿真中的一個重要環節，對于紅外場景仿真的真實感起了很大作用，它考慮了實時仿真中的干擾因數。紅外探測系統效應主要包括光學系統中的漸暈、調制傳遞函數MTF效應，探測器中的非均勻性、噪聲、像元缺陷、調制傳遞函數MTF效應，以及電路中的調制傳遞函數MTF效應。以往實現紅外探測系統效應是基于CPU編程的，在程序中輸入紅外場景仿真圖像，分別進行光學系統效應、探測器效應、電路效應的計算，將效應疊加到圖像中，輸出一副信噪比低、對比度低且帶有噪聲的圖像，以模擬出紅外探測器效應對成像質量的影響。這種方法在計算調制傳遞函數MTF效應時需要通過CPU串行進行傅里葉變換和反傅里葉變換，但是由于CPU固有的硬件特性使得其在處理這種運算時速度比較慢，無法滿足仿真的實時性要求。

發明內容

本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種基于紋理的實時模擬紅外探測系統效應的方法，以提高運行速度，滿足實時仿真需求。

實現本發明目的的技術原理是：以紅外探測器的成像原理及組成結構為基礎，計算出紅外探測器各環節的效應矩陣，利用紋理導出工具導出DDS圖像，并合成到仿真的場景中，實時模擬紅外探測器效應。其實現方案包括如下步驟：

（1）設定紅外探測系統中的光學系統參數，利用漸暈效應理論模型計算出光學系統的漸暈效應系數矩陣V；

（2）設定紅外探測系統中的探測器參數，利用噪聲效應理論模型、非均勻性效應的理論模型、缺陷像元效應理論模型，分別計算出探測器的噪聲效應系數矩陣N、非均勻性效應系數矩陣J和缺陷像元效應系數矩陣F；

（3）設定紅外探測系統中的電路參數，并利用光學系統參數和探測器參數，通過調制傳遞函數MTF效應理論模型計算出光學系統、探測器和電路這三者總的調制傳遞函數MTF效應系數矩陣C；

（4）利用Direct3d庫中的應用程序編程接口API函數，將光學系統的漸暈效應系數矩陣V，探測器的噪聲效應系數矩陣N、非均勻性效應系數矩陣J和缺陷像元效應系數矩陣F，總的調制傳遞函數MTF效應系數矩陣C分別存儲到后綴為壓縮文理圖像格式DDS的圖像中，并分別生成這些效應系數矩陣圖像；

（5）利用高級圖形繪制語言Cg將這些后綴為DDS的圖像寫入合成器的材質腳本的紋理單元中，在資源加載階段，通過圖形處理器GPU完成合成器的材質腳本的解析和編譯并載入顯存中，形成圖形處理器GPU可執行的代碼；

（6）實時場景仿真時，開啟合成器，圖形處理器GPU運行這些腳本程序，實時模擬紅外探測系統效應。。

本發明與現有技術相比，有如下顯著優點：

（1）本發明實時仿真時不需要進行傅里葉變換和反傅里葉變換，減少了運算量；

（2）本發明是將后綴為DDS圖像寫入合成器的材質腳本的紋理單元中，這些材質腳本以資源的形式被加載，并被GPU解析和編譯并載入顯存中，成為GPU可執行的代碼，仿真時GPU并行處理這些腳本程序，運行速度快，能滿足仿真的實時性要求。