CN102968521B - 基于gpu编程的红外反射特性仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GPU编程的红外反射特性仿真方法，主要解决现P有技术存在的反射效应仿真的物理真实感不高，实时性差的不足。其实现过程是：获得后缀为DDS的太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L和大气透过率纹理T；获得计算BRDF需要的材质参数M；利用材质参数M，根据简化的Schlick BRDF反射模型，计算不同像素点对太阳直射辐射的反射量E₁和对天空背景辐射的反射量E₂；将DDS纹理写入材质脚本的纹理单元中，生成能仿真红外反射效应的材质脚本，并通过GPU完成对材质脚本的解析和编译并载入显存中；运行这些脚本程序，实时模拟红外反射效应。本发明具有仿真真实感强、实时性高等优点，可应用于红外成像系统的研发、测试与评估。

Description

基于GPU编程的红外反射特性仿真方法

技术领域

本发明属于计算机仿真技术领域，具体涉及红外反射特性仿真方法，可用于红外成像系统的研发、测试与评估。

背景技术

在军事领域，需要大量不同时刻、不同天气条件、不同波段下的红外图像进行实验测试。红外图像的获取主要有两种方法：一种是通过各种热成像仪器对不同地域、不同环境进行实测得到，但这需要大量的人力和物力，且受地理环境、气候条件等因素影响较大，实现起来比较困难；另一种方法是通过红外场景仿真技术，对不同时刻、季节、天气和地域的场景进行仿真，输出模拟的红外图像。红外场景仿真方法能有效克服时间、环境、地域的限制，降低成本，缩短红外武器系统研发周期，提高红外成像系统设计、测试评估和应用的效率，因而具有重要的研究意义。

目前红外场景仿真技术已经建立起了目标、背景、大气以及红外成像系统的综合模型，国内外也开发出不少仿真软件。然而大多数软件只考虑了目标的自身辐射特性，很少将目标对环境的反射效应集成到仿真中。没有反射效应的红外场景，且细节不丰富，与背景环境相脱离，严重地影响了真实感。于是，在仿真系统中添加目标对环境辐射的反射成了一个重要的部分。

在目标对环境背景的反射效应研究与仿真方面，吴英等在哈尔滨理工大学学报上发表的“空间目标的可见光散射特性建模与仿真研究”中，针对空间目标的散射特性进行了建模和仿真，但只停留在可见光波段；梁欢在“地面背景的红外辐射特性计算及红外景象生成”中，在研究地面背景的红外辐射特性时，考虑了其对太阳和天空背景的反射，并生成了红外图像，但其仿真比较粗糙，不具有动态性和实时性；黎建军“基于实测数据的目标红外图像仿真”中，在做基于测量数据的目标红外图像仿真过程中，也考虑到了目标对太阳和天空背景辐射的反射，但只是简单的镜面反射与漫反射的叠加，不具有物理真实性。

可以看出，国内关于目标对环境的反射效应仿真还比较粗糙，没有将精细的反射模型集成到仿真系统中。对目标光散射特性的研究有的停留在可见光波段，有的虽然引用了一些BRDF模型，但并没有建立起适合高速仿真的反射模型。影响了红外场景 的物理真实感，达不到仿真的实时性要求，进而影响红外成像系统设计、测试评估和应用的效率。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于GPU编程的红外反射特性仿真方法，以提高红外场景仿真的真实感，满足仿真的实时性要求，进而提高红外成像系统设计、测试评估和应用的效率。

实现本发明目的的技术原理是：以Schlick BRDF反射模型为基础，计算出目标对背景辐射的反射量，并利用顶点程序和片段程序，将反射模型集成到仿真的场景中，实时模拟红外反射效应。其实现方案包括如下步骤：

(1)用大气辐射传输计算软件Atmosphere获得后缀为压缩纹理图像格式DDS的太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L和大气透过率纹理T；

(2)通过实验或测量仪器测量，获得计算BRDF需要的所有材质参数M；

(3)利用材质参数M，根据简化的SchlickBRDF反射模型，计算不同角度下不同像素点对太阳直射辐射的反射量E₁；

(4)利用材质参数M，根据简化的Schlick BRDF反射模型，计算不同角度下不同像素点对天空背景辐射的反射量E₂；

(5)利用图形编程语言Cg将太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L、大气透过率纹理T写入材质脚本的纹理单元中，在片段程序中利用太阳直射辐射的反射量E₁和天空背景辐射的反射量E₂，生成能仿真红外反射效应的材质脚本；

(6)通过可编程图形处理单元GPU完成材质脚本的解析和编译并载入显存中，形成可编程图形处理单元GPU的执行代码，利用这些代码实时模拟红外反射效应。

本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

1)本发明综合考虑目标对环境辐射的反射特性，用简化的SchlickBRDF反射模型计算目标对环境辐射的反射量，并将这些反射量集成到红外场景仿真中，物理真实性更高；

2)本发明通过将预计算的纹理写入材质脚本，并利用GPU完成材质脚本的解析， 仿真时GPU并行处理这些材质脚本，满足仿真的实时性要求。

附图说明

图1为本发明的总流程图；

图2为本发明生成的太阳直射辐照度纹理R通道量化图；

图3为本发明生成的天空背景辐射亮度纹理R通道量化图；

图4为本发明生成的天空背景辐射亮度积分预计算纹理R通道量化图；

图5为本发明生成的原始地貌场景仿真图；

图6为本发明生成的添加反射效应的地貌场景仿真图。

具体实施方式

参照图1，本发明的具体实施过程如下：

步骤1，获得后缀为DDS的太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L和大气透过率纹理T：

1a)在天顶角0～90度范围内，海拔0～5km范围内用大气辐射传输计算软件Atmosphere计算每个点的太阳直射辐照度，获得太阳直射辐射纹理D，如图2所示；

1b)在天顶角0～90度范围内，海拔0～5km范围内用大气辐射传输计算软件Atmosphere计算每个点的天空背景辐照度，获得天空背景辐射纹理S，如图3所示；

1c)在物体海拔0～500m范围内，场景与物体之间的距离0～25km范围内，场景对物体的天顶角0～180度范围内，用大气辐射传输计算软件Atmosphere计算大气路径辐射亮度，获得大气路径辐射纹理L；

1d)在物体海拔0～500m范围内，场景与物体之间的距离0～25km范围内，场景对物体的天顶角0～180度范围内，用大气辐射传输计算软件Atmosphere计算大气透过率，获得大气透过率纹理T。

步骤2，获得计算BRDF需要的所有材质参数M：

2a)通过实验或测量仪器测量，确定材质的波段反射率 粗糙因子r和各向同性因子p这些不同类型材质的参数；

2b)将用到的材质类型按编号定义，如表1所示：

表1材质编号定义

2c)将各参数类型按编号定义，如表2所示：

表2参数类型编号定义

1	2	3
			正入射反射率	粗糙因子	各向同性因子

2d)将这些不同类型材质的参数列成一个表格，如表3所示：

表3材质参数信息纹理数据表

2e)将表3存储成一张DDS格式的二维纹理；

2f)根据物体的材质类型，对二维纹理进行采样，得到计算BRDF需要的所有材质参数M。

步骤3，计算不同角度下不同像素点对太阳直射辐射的反射量E₁：

$E_1(t,v,v^{\′},w)={\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}D(t,v,v^{\′},w)E_{s}v,$

其中， 为波段λ₁～λ₂内的波段反射率，E_s为材质表面处迎着太阳方向上太阳直射辐射的辐照度，v＝cos(θ)，v′＝cos(θ′)，t＝cos(α)， θ为太阳入射光线与材质表面法线的夹角，θ′为视点方向与材质表面法线的夹角，α为材质表面法线与半角向量的夹角， 为材质表面的切向量与半角向量在平面内的投影向量的夹角，

D(t，v，v′，w)为方向特征因子，其公式如下，

$D(t,v,v^{\′},w)=\frac{1-G\left(v\right)G\left(v^{\′}\right)}{\mathrm{\π}}A\left(w\right)+\frac{G\left(v\right)G\left(v^{\′}\right)}{4\mathrm{\πv}{v}^{\′}}Z\left(t\right)A\left(w\right),$

其中，

$Z\left(t\right)=\frac{r}{{(1+{\mathrm{rt}}^2-t^2)}^2},$

$A\left(w\right)=\sqrt{\frac{p}{p^2-p^2{w}^2+w^2}},$

$G\left(v\right)=\frac{v}{r-\mathrm{rv}+v},$

$G\left(v^{\′}\right)=\frac{v^{\′}}{r-{\mathrm{rv}}^{\′}+v^{\′}},$

r∈[0，1]为材质的粗糙因子，p∈[0，1]为材质的各向同性因子。

步骤4，计算不同角度下不同像素点对天空背景辐射的反射量E₂：

4a)计算每个像素点对天空背景辐射的反射量E₂：

$E_2({\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r)={\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}D({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i,{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r)L_s({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i)\cos {\mathrm{\θ}}_{i^{\′}}\sin {\mathrm{\θ}}_{i}d{\mathrm{\θ}}_{i}d{\mathrm{\φ}}_i,$

其中，θ_i为天顶角， 为方位角，L_s(θ_i，φ_i)为以天顶角θ_i、方位角 方向观察到的天空背景辐亮度，θ_i′为天空背景小面元辐射入射光与表面法线的夹角，θ_r为被观察面法线的天顶角， 为被观察面法线的方位角；

4b)以被观察面法线的天顶角和方位角为采样坐标，将步骤4a)中预先计算出的对天空背景辐射的反射量E₂，存储成后缀为DDS的纹理，如图4所示。

步骤5，生成能仿真红外反射效应的材质脚本：

5a)利用图形编程语言Cg将太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L、大气透过率纹理T写入材质脚本的纹理单元中；

5b)在片段程序中利用太阳直射辐射的反射量E1和天空背景辐射的反射量E₂，根据红外辐射传输过程，合成最后的辐射值，生成能仿真红外反射效应的材质脚本。

步骤6，通过可编程图形处理单元GPU完成材质脚本的解析和编译并载入显存中，形成可编程图形处理单元GPU的执行代码，利用这些代码实时模拟红外反射效应，依据量化范围，将辐射值进行量化并显示到屏幕上。

本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：

仿真内容，首先选取一个带有建筑物目标的地貌场景，如图5所示；用大气辐射传输计算软件Atmosphere获得后缀为压缩纹理图像格式DDS的太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L和大气透过率纹理T；利用图形编程语言Cg将太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L、大气透过率纹理T写入材质脚本的纹理单元中；在片段程序中利用太阳直射辐射的反射量E1和 天空背景辐射的反射量E₂，生成能仿真红外反射效应的材质脚本；加载场景，运行材质脚本，输出仿真结果，如图6所示。

在仿真图中分别取A、B、C、D、E、F六个点，如图6所示，其中，A、B、C三点都是同种混凝土材质，D、E、F三点，其材质分别为草地、柏油路和水，比较加入反射效果前后的灰度变化，括号内为相对于原图辐射灰度值的增量，如表4所示：

表4仿真图中不同点添加反射效果前后的灰度变化

	A	B	C	D	E	F
							图5	44	38	38	35	82	53
图6	149(105)	61(23)	125(87)	117(82)	191(109)	163(110)

从表4中对比A、B、C三点，可见加入反射效果后，由于各点的朝向不同，灰度值的增量有很大的差异：面朝太阳的点灰度值增加较大，背朝太阳的点灰度值增加较小，可见相同材质的表面，由于其方向不同，对背景辐射的反射量不同，与实际情况相符；对比D、E、F三点，加入反射效果后，灰度值的增加不同：反射能力强的材质灰度值增加较大，反射能力弱的材质灰度值增加较小，说明对背景辐射的反射量与材质类型有关，与实际情况相符。

对比图5和图6，原图对比度较差，细节不明显，添加反射效果后，提高了对比度，细节更明显，物理真实性更高。

Claims (2)

1.一种基于GPU编程的红外反射特性仿真方法，包括如下步骤：

(1)用大气辐射传输计算软件Atmosphere获得后缀为压缩纹理图像格式DDS的太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L和大气透过率纹理T；

(2)通过实验或测量仪器测量，获得计算BRDF需要的所有材质参数M；

(3)利用材质参数M，根据简化的Schlick BRDF反射模型，计算不同角度下不同像素点对太阳直射辐射的反射量E₁：

$E_1(t,v,v^{\′},w)={\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}D(t,v,v^{\′},w)E_{s}v,$

其中，为波段λ₁～λ₂内的波段反射率，E_s为材质表面处迎着太阳方向上太阳直射辐射的辐照度，v＝cos(θ)，v′＝cos(θ′)，t＝cos(α)，θ为太阳入射光线与材质表面法线的夹角，θ′为视点方向与材质表面法线的夹角，α为材质表面法线与半角向量的夹角，为材质表面的切向量与半角向量在平面内的投影向量的夹角，D(t,v,v′,w)为方向特征因子，其公式如下，

$D(t,v,v^{\′},w)=\frac{1-G\left(v\right)G\left(v^{\′}\right)}{\mathrm{\π}}A\left(w\right)+\frac{G\left(v\right)G\left(v^{\′}\right)}{4\mathrm{\πv}{v}^{\′}}Z\left(t\right)A\left(w\right),$

其中，

$Z\left(t\right)=\frac{r}{{(1+{\mathrm{rt}}^2-t^2)}^2},$

$A\left(w\right)=\sqrt{\frac{p}{p^2-p^2{w}^2+w^2}},$

$G\left(v\right)=\frac{v}{r-\mathrm{rv}+v},$

$G\left(v^{\′}\right)=\frac{v^{\′}}{r-{\mathrm{rv}}^{\′}+v^{\′}},$

r∈[0,1]为材质的粗糙因子，p∈[0,1]为材质的各向同性因子；

(4)利用材质参数M，根据简化的Schlick BRDF反射模型，计算不同角度下不同像素点对天空背景辐射的反射量E₂：

$E_2({\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r)={\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}D({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i,{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r)L_s({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i)\cos {\mathrm{\θ}}_{i^{\′}}\sin {\mathrm{\θ}}_{i}d{\mathrm{\θ}}_{i}d{\mathrm{\φ}}_i,$

其中，θ_i为天顶角，为方位角，L_s(θ_i,φ_i)为以天顶角θ_i、方位角φ_i方向观察到的天空背景辐亮度，θ_i'为天空背景小面元辐射入射光与表面法线的夹角，θ_r为被观察面法线的天顶角，φ_r为被观察面法线的方位角；

(5)利用图形编程语言Cg将太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L、大气透过率纹理T写入材质脚本的纹理单元中，在片段程序中利用太阳直射辐射的反射量E₁和天空背景辐射的反射量E₂，生成能仿真红外反射效应的材质脚本；

(6)通过可编程图形处理单元GPU完成材质脚本的解析和编译并载入显存中，形成可编程图形处理单元GPU的执行代码，利用这些代码实时模拟红外反射效应。

2.根据权利要求1所述的红外反射特性仿真方法，其中步骤(2)所述的通过实验或测量仪器测量，获得计算BRDF需要的所有材质参数M，按照如下步骤进行：

2a)通过实验或测量仪器测量，确定材质的波段反射率粗糙因子r和各向同性因子p这些不同类型材质的参数，并将这些不同类型材质的参数存储成一张DDS格式的二维纹理；

2b)根据物体的材质类型，对二维纹理进行采样，得到计算BRDF需要的所有材质参数M。