[發(fā)明專利]一種非朗伯面目標(biāo)紅外散射特性的并行計(jì)算方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610004438.6
• 申請(qǐng)日: 2016-01-06
• 公開（公告）號(hào): CN105654554A
• 公開（公告）日: 2016-06-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭興;吳振森;曹運(yùn)華;張耿
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T17/30
• 分類號(hào): G06T17/30
• 代理公司: 北京一格知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11316
• 代理人: 趙永偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種非朗伯面目標(biāo)紅外散射特性的并行計(jì)算方法，屬于目標(biāo)的識(shí)別、探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

非朗伯面目標(biāo)對(duì)天地背景紅外輻射的散射特性在遙感、目標(biāo)識(shí)別跟蹤、精確制導(dǎo)等領(lǐng)域都起著重要作用。計(jì)算中首先要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行幾何建模,在此基礎(chǔ)上對(duì)目標(biāo)表面進(jìn)行三角形面元剖分；使用雙向反射分布函數(shù)(BidirectionalReflectionDistributionFunction,BRDF)表征非朗伯面的散射特征；天地背景輻射與大氣模型、氣溶膠分布模型、觀測(cè)的地理位置、高度，時(shí)間等都有關(guān)，非常復(fù)雜，計(jì)算中使用MODTRAN(MODerateresolutionatmosphericTRANsmission)軟件進(jìn)行計(jì)算；計(jì)算中在入射、探測(cè)方向分別進(jìn)行遮擋消隱，分別計(jì)算出每個(gè)可見小面元的散射亮度后進(jìn)行疊加得到目標(biāo)的散射亮度。

復(fù)雜目標(biāo)對(duì)天地背景紅外輻射的計(jì)算中由于目標(biāo)面元多，背景輻射涉及全空間，且分布在很寬的波段內(nèi)，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。因此，加速計(jì)算過程就顯得很有必要。近年來，隨著多核CPU(CentralProcessingUnit)及GPU(GraphicsProcessingUnit)的高速發(fā)展，通用高性能并行計(jì)算技術(shù)在多個(gè)學(xué)科中得到了廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)的基于多核CPU的加速，由于核的個(gè)數(shù)有限，加速也很有限。基于GPU的CUDA(ComputeUnifiedDeviceArchitecture)及OpenCL(OpenComputingLanguage)等底層編程語(yǔ)言對(duì)編程人員要求較高，編程中涉及到設(shè)備端存儲(chǔ)單元的分配、釋放，線程的組織及必要的線程間同步操作，編程較復(fù)雜，需要在原來串行程序的基礎(chǔ)上進(jìn)行較大的改動(dòng)，影響了效率。Intel公司于2011年推出了XeonPhi眾核處理器，最多可擁有61個(gè)核，每個(gè)核最多支持4個(gè)線程，它擁有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，支持熟悉的基于編譯指令的OpenMP編程模型。編程時(shí)只需在原始的串行代碼中加入一些編譯導(dǎo)語(yǔ)，如果之前已經(jīng)有基于多核OpenMP的實(shí)現(xiàn)版本，只需重新編譯即可在Phi上運(yùn)行。不難發(fā)現(xiàn)，基于Phi平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，編程簡(jiǎn)單，很大程度上提高了程序員的工作效率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種非朗伯面目標(biāo)紅外散射特性的并行計(jì)算方法，解決了目前非朗伯面目標(biāo)紅外散射特性計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)的問題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案按照以下步驟：

步驟1：使用3DMAX軟件完成目標(biāo)的幾何建模，建模時(shí)選定目標(biāo)坐標(biāo)系；建模完成后對(duì)模型表面進(jìn)行三角形面元的剖分，使模型表面由若干個(gè)三角形構(gòu)成

步驟2：選擇BRDF模型對(duì)目標(biāo)表面材料進(jìn)行光譜BRDF建模

步驟3：由于BRDF是針對(duì)小面元定義的，故需要根據(jù)目標(biāo)坐標(biāo)系建立面元坐標(biāo)系：面元的法線方向定為面元坐標(biāo)系的z軸，z軸與背景輻射亮度入射向量叉乘獲得y軸，y軸與z軸叉乘獲得x軸。這樣定義，背景輻射亮度入射向量、散射向量與z軸的夾角為面元坐標(biāo)系中入射天頂角、散射天頂角，入射方位角恒為0°，散射方位角即為相對(duì)方位角，將散射向量投影到xoy平面繞x軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度即為相對(duì)方位角；

步驟4：將入射、散射向量從目標(biāo)坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)換到面元坐標(biāo)系中，獲得某個(gè)面元對(duì)所有方向入射的背景輻亮度的散射

式中，是小面元的BRDF，θ′_s，θ′_i，分別為面元坐標(biāo)系內(nèi)的散射天頂角、入射天頂角、相對(duì)方位角，是方向入射的波長(zhǎng)為λ的背景輻亮度,立體角

通過對(duì)波長(zhǎng)積分，可獲得該面元在λ₁～λ₂波段內(nèi)的散射亮度

對(duì)所有的可見面元進(jìn)行疊加，即可獲得目標(biāo)在方向的總的散射亮度

式中，(S_kcosθ′_s)為某面元在方向的投影面積；

進(jìn)一步，考慮到目標(biāo)對(duì)不同方向入射的背景輻射的計(jì)算具有并行性，使用一個(gè)線程計(jì)算目標(biāo)對(duì)一個(gè)方向入射的背景輻射的散射，然后進(jìn)行疊加完成并行計(jì)算。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：在有限地編程復(fù)雜度下極大地提高了計(jì)算速度，減少了計(jì)算時(shí)間，增強(qiáng)了在工程應(yīng)用中的實(shí)用性。

附圖說明

圖1是目標(biāo)對(duì)天地背景輻射的散射示意圖；