[發(fā)明專利]基于紋理的紅外粗糙海面動態(tài)仿真方法

無效

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• 申請日: 2013-03-03
• 公開（公告）號: CN103123670A
• 公開（公告）日: 2013-05-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃曦;吳鑫;張儉;郭晨光;劉冬冬;張建奇
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計算機(jī)仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于紋理的紅外海面動態(tài)仿真，可用于海面背景的全景仿真，為海面目標(biāo)的紅外特征識別提供紅外輻射主背景。

背景技術(shù)

隨著紅外技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外成像系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，采用紅外成像技術(shù)的武器系統(tǒng)具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、使用靈活等特點(diǎn)，因此備受各國重視并得到大力發(fā)展。新的成像系統(tǒng)的研制，往往需要不斷對系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測試和評估。簡單的實(shí)驗(yàn)室測試無法真實(shí)地反映實(shí)際情況，若通過野外靶場試驗(yàn)的方法則消耗大量的人力、物力和時間，并且只能獲得數(shù)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(tǒng)在不同天氣條件、不同觀測距離的實(shí)戰(zhàn)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(tài)的紅外圖像的技術(shù)，成為一個迫切的需求。

紅外成像場景仿真技術(shù)正是在這種背景下提出和發(fā)展起來的。利用計算機(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以紅外物理學(xué)及傳熱學(xué)為理論基礎(chǔ)的紅外場景仿真技術(shù)可有效縮短軍方紅外武器系統(tǒng)研制周期、降低研發(fā)成本，克服時間、環(huán)境、地域變化方面的限制，大大提高紅外成像系統(tǒng)設(shè)計、測試、評估和應(yīng)用的效率。紅外成像場景仿真技術(shù)通過預(yù)先建立目標(biāo)和背景幾何模型、紅外材質(zhì)庫，模擬大氣傳輸、紅外探測器效應(yīng)，完整再現(xiàn)成像鏈的每個環(huán)節(jié)。仿真系統(tǒng)具有高度的靈活性，允許用戶輸入季節(jié)、時刻、氣象條件、周圍環(huán)境和成像系統(tǒng)效應(yīng)等各種仿真參數(shù)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(tǒng)的性能評價和改進(jìn)提供了分析依據(jù)。

紅外海面仿真在軍事上具有重大意義，建立海面背景的全景仿真對海面目標(biāo)，如艦船、武裝平臺、船塢、石油平臺等的紅外特征識別提供紅外輻射主背景。目前獲得海面背景紅外圖像主要有兩種途徑：1)在真實(shí)環(huán)境條件下采用紅外熱像儀實(shí)際拍攝；2)利用計算機(jī)仿真技術(shù)模擬生成。前者獲得的紅外圖像數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，但由于氣象條件的復(fù)雜性，以及戰(zhàn)場目標(biāo)的多樣性和非合作性，要獲得特定條件下特定目標(biāo)的紅外圖像數(shù)據(jù)是不可能的。因此，運(yùn)用現(xiàn)代計算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行紅外圖像模擬具有極其重要的軍事價值。近幾年國內(nèi)在這方面也進(jìn)行了大量的科研投入，取得了許多研究進(jìn)展，但沒有形成系統(tǒng)。之前人們做的很多海面仿真方面的工作都是使用紋理貼圖對模型進(jìn)行映射，所獲得海面物理真實(shí)性和仿真實(shí)時性較差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于紋理的紅外粗糙海面動態(tài)仿真方法，以提高對動態(tài)海面仿真的真實(shí)性和實(shí)時性。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一．技術(shù)原理是：本發(fā)明采用Torrance-Sparrow光照模型，利用雙向反射率分布函數(shù)BRDF和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚖ilson公式，建立海面的紅外輻射模型；用大氣輻射傳輸計算軟件Atmosphere計算海面發(fā)射率、微面元分布概率、太陽輻射、天空輻射、大氣路徑以及大氣透過率，并將計算結(jié)果存儲為DDS紋理圖；利用Cg語言，將DDS紋理圖寫入材質(zhì)腳本中；通過GPU完成材質(zhì)腳本的解析和編譯，載入顯存，形成GPU的執(zhí)行代碼，利用執(zhí)行代碼完成對紅外粗糙海面的實(shí)時仿真

二．技術(shù)方案

本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下步驟：

(1)采用Torrance-Sparrow光照模型，并利用雙向反射率分布函數(shù)BRDF和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚖ilson公式，建立海面的紅外輻射模型：

L＝τε(ω)L₁(T)+τ(ρ₁L₂+ρ₂L₃)+L₄，

其中，τ為海面到傳感器之間的大氣透過率，ε(ω)為海面發(fā)射率，ω為輻射方向與水面法線間的夾角，L₁為黑體輻射亮度，T為海水溫度，ρ₁為天空輻射在海面上的反射率，L₂和L₃分別為天空背景在海面上的輻射值和太陽輻射入射前在海面上的輻射值，ρ₂為太陽輻射在海面反射的雙向反射率，L₄為傳感器到海面的大氣路徑輻射值；

（2）設(shè)置大氣輻射傳輸計算軟件Atmosphere中輻射方向與水面法線間的夾角ω，ω的取值為0～90度，計算海面發(fā)射率ε(ω)，并將該計算結(jié)果存儲為海面發(fā)射率紋理E；

（3）設(shè)置大氣輻射傳輸計算軟件Atmosphere中微面元法線H與水平面法線N的夾角α，α的取值為0～90度，計算海面模型微面元分布概率P(α)，并將該結(jié)果存儲為微面元分布概率紋理P；