CN103123670A - 基于纹理的红外粗糙海面动态仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纹理的红外粗糙海面动态仿真的方法，主要解决现有技术红外粗糙海面仿真真实性和实时性低的问题。其实现过程是：利用Torrance-Sparrow光照模型，建立海面红外辐射亮度公式；用大气计算软件Atmosphere计算海面发射率、微面元分布概率、太阳辐射亮度、天空辐射亮度、大气路径辐射亮度和大气透过率；将计算结果存储为DDS纹理图，并利用Cg语言，将DDS纹理图写入材质脚本；通过GPU完成材质脚本的解析和编译，载入显存，形成执行代码；利用执行代码完成对红外粗糙海面的实时仿真。本发明具有物理真实性和实时性高等优点，可应用于海面背景的全景仿真，为海面目标的红外特征识别提供红外辐射主背景。

Description

基于纹理的红外粗糙海面动态仿真方法

技术领域

本发明属于计算机仿真技术领域，具体涉及基于纹理的红外海面动态仿真，可用于海面背景的全景仿真，为海面目标的红外特征识别提供红外辐射主背景。

背景技术

随着红外技术的不断发展，红外成像系统被广泛应用于军事领域，采用红外成像技术的武器系统具有精度高、抗干扰能力强、使用灵活等特点，因此备受各国重视并得到大力发展。新的成像系统的研制，往往需要不断对系统的各项性能指标进行测试和评估。简单的实验室测试无法真实地反映实际情况，若通过野外靶场试验的方法则消耗大量的人力、物力和时间，并且只能获得数量有限的特定时间特定气象条件下的图像场景，无法保证红外成像系统在不同天气条件、不同观测距离的实战性能。因此，找到能降低成本、缩短周期，同时生成大量不同状态的红外图像的技术，成为一个迫切的需求。

红外成像场景仿真技术正是在这种背景下提出和发展起来的。利用计算机图形学和虚拟现实技术，以红外物理学及传热学为理论基础的红外场景仿真技术可有效缩短军方红外武器系统研制周期、降低研发成本，克服时间、环境、地域变化方面的限制，大大提高红外成像系统设计、测试、评估和应用的效率。红外成像场景仿真技术通过预先建立目标和背景几何模型、红外材质库，模拟大气传输、红外探测器效应，完整再现成像链的每个环节。仿真系统具有高度的灵活性，允许用户输入季节、时刻、气象条件、周围环境和成像系统效应等各种仿真参数来逼真地生成各种条件下的红外场景图像。仿真生成的图像为红外成像系统的性能评价和改进提供了分析依据。

红外海面仿真在军事上具有重大意义，建立海面背景的全景仿真对海面目标，如舰船、武装平台、船坞、石油平台等的红外特征识别提供红外辐射主背景。目前获得海面背景红外图像主要有两种途径：1)在真实环境条件下采用红外热像仪实际拍摄；2)利用计算机仿真技术模拟生成。前者获得的红外图像数据真实可靠，但由于气象条件的复杂性，以及战场目标的多样性和非合作性，要获得特定条件下特定目标的红外图像数据是不可能的。因此，运用现代计算机仿真技术进行红外图像模拟具有极其重要的军事价值。近几年国内在这方面也进行了大量的科研投入，取得了许多研究进展，但没有形成系统。之前人们做的很多海面仿真方面的工作都是使用纹理贴图对模型进行映射，所获得海面物理真实性和仿真实时性较差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于纹理的红外粗糙海面动态仿真方法，以提高对动态海面仿真的真实性和实时性。

本发明的目的是这样实现的：

一．技术原理是：本发明采用Torrance-Sparrow光照模型，利用双向反射率分布函数BRDF和经验模型Wilson公式，建立海面的红外辐射模型；用大气辐射传输计算软件Atmosphere计算海面发射率、微面元分布概率、太阳辐射、天空辐射、大气路径以及大气透过率，并将计算结果存储为DDS纹理图；利用Cg语言，将DDS纹理图写入材质脚本中；通过GPU完成材质脚本的解析和编译，载入显存，形成GPU的执行代码，利用执行代码完成对红外粗糙海面的实时仿真

二．技术方案

本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)采用Torrance-Sparrow光照模型，并利用双向反射率分布函数BRDF和经验模型Wilson公式，建立海面的红外辐射模型：

L＝τε(ω)L₁(T)+τ(ρ₁L₂+ρ₂L₃)+L₄，

其中，τ为海面到传感器之间的大气透过率，ε(ω)为海面发射率，ω为辐射方向与水面法线间的夹角，L₁为黑体辐射亮度，T为海水温度，ρ₁为天空辐射在海面上的反射率，L₂和L₃分别为天空背景在海面上的辐射值和太阳辐射入射前在海面上的辐射值，ρ₂为太阳辐射在海面反射的双向反射率，L₄为传感器到海面的大气路径辐射值；

（2）设置大气辐射传输计算软件Atmosphere中辐射方向与水面法线间的夹角ω，ω的取值为0～90度，计算海面发射率ε(ω)，并将该计算结果存储为海面发射率纹理E；

（3）设置大气辐射传输计算软件Atmosphere中微面元法线H与水平面法线N的夹角α，α的取值为0～90度，计算海面模型微面元分布概率P(α)，并将该结果存储为微面元分布概率纹理P；

（4）设置大气辐射传输计算软件Atmosphere中的波长λ、气象视距V和水平路程x，λ的取值为3～5μm，V的取值为0～10km，x的取值为0～10km，计算天空辐射的大气透过率τ和大气路径辐射L₄,并将该结果存储为大气透过率纹理T和大气路径辐射纹理L；

（5）设置大气辐射传输计算软件Atmosphere中波长λ、天顶角μ，λ的取值为3～5μm、μ的取值为0～90度，计算太阳辐射L₃和天空背景辐射L₂，并将该结果存储为太阳辐射纹理D和天空背景辐射纹理S；

（6）利用图形编程语言Cg，将海面发射率纹理E、微面元分布概率纹理P、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写入后缀为.material的材质脚本；

（7）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，利用执行代码完成对红外粗糙海面的实时仿真。

本发明与现有技术相比，有如下显著优点：

1）本发明通过采用Torrance-Sparrow光照模型对每一个海面模型网格的微面元分布概率P(α)进行计算，建立的海面模型更真实，能满足仿真的真实性要求。

2）本发明通过将预计算生成的的纹理写入材质脚本，仿真时GPU可以并行处理这些材质脚本，运行速度快，能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为本发明生成的海面发射率纹理图；

图3为本发明生成的微面元分布概率纹理图；

图4为本发明生成的大气透过率纹理图；

图5为本发明生成的大气路径辐射纹理图；

图6为本发明生成的大气辐射纹理图；

图7为本发明生成的天空背景辐射纹理图。

图8为本发明生成的红外粗糙海面仿真的效果图。

具体实施方式

参照图1，本发明基于纹理的红外粗糙海面动态仿真方法的详细实施步骤如下：

步骤1：建立海面的红外辐射模型：

1a）计算海面的发射率

对海面发射率的研究国内有很多成果，主要有三种海面发射率模型：灰体模型、经验模型和理论模型，本发明采用经验模型对海面的发射率进行计算，并存储为单通道R单行纹理，经验模型根据Wilson方程可近似为：

ε(ω)＝0.98[1-(1-cosω)⁵]

其中，ω为辐射方向与水面法线间的夹角；

1b）计算海面的反射率

海面是一个较好的反射体，平静海面可以认为是一个镜面反射体，而粗糙海面则不是简单的镜面反射体，其反射率是双向反射率，即反射率与入射光的方向和反射光的方向都有关，用双向反射率分布函数来描述海面的反射率，公式为：

其中，ρ₂为太阳辐射在海面反射的双向反射率，L_r为反射光的辐射亮度，E_i为入射光的辐射照度，θ_i和

分表表示标准球坐标下入射光的天顶角和方位角，θ_r和

分别表示标准球坐标下反射光的天顶角和方位角，d表示微分运算符号；

1c）建立计算海面的红外辐射公式

海平面的红外辐射由海面本身的红外辐射和对环境辐射的反射两部分组成。红外传感器获得的辐射量包括海面自发红外辐射量、对太阳和天空红外辐射的反射量和大气路径辐射。通过上面对海面发射率ε(ω)和反射率ρ的计算，可以得到海面红外辐射亮度L为：

L＝τε(ω)L₁(T)+τ(ρ₁L₂+ρ₂L₃)+L₄，

其中，τ为海面到传感器之间的大气透过率，ε(ω)为海面发射率，L₁为黑体辐射亮度，T为海水温度，ρ₁为天空辐射在海面上的反射率，L₂和L₃分别为天空背景在海面上的辐射值和太阳辐射入射前在海面上的辐射值，ρ₂为太阳辐射在海面反射的双向反射率，L₄为传感器到海面的大气路径辐射值。

步骤2：生成并存储海面发射率纹理E：

2a）设置大气辐射传输计算软件Atmosphere中的发射角ω参数，如表1所示：

表1  发射角的参数

角度上限（度）	0
		角度下限（度）	90
角度分辨率（度）	0.1

2b）通过大气辐射传输计算软件Atmosphere软件中的Wilson方程式，计算海面发射率：

ε(ω)＝0.98[1-(1-cosω)⁵]

2c）点击计算按键，大气辐射计算软件Atmosphere自动从ω=0开始计算，以0.1度为计算间隔，计算到ω=90，得到ω与ε(ω)的对应数值；

2c）将计算得到的对应数值结果存储为海面发射率纹理E，如图2所示。

步骤3：生成并存储微面元分布概率纹理P：

3a）设置大气辐射传输计算软件Atmosphere中微面元法线H与水平面法线N的夹角α和海面参数，其中：α的值为0～90度，海面参数如表2所示：

表2  海面参数

海水折射率	1.3664
		海面粗糙度	0.09
角度分辨率（度）	0.1

3b)通过大气辐射传输计算软件Atmosphere中的Beckmann分布函数，计算光照模型微面元的概率分布为：

$P\left(\mathrm{\α}\right)\≈\frac{1}{m^2\mathrm{co}{s}^4\mathrm{\α}}{e}^{-\frac{\mathrm{ta}{n}^2\mathrm{\α}}{m^2}},$

其中m为微面元法线方向的均方根值，本发明取m=0.09，α为微面元法线H与水平面法线N的夹角；

3c）点击计算，大气辐射计算软件Atmosphere自动从α=0开始取值计算，以0.1度为计算间隔，计算到α=90，得到α与P(α)的对应数值；

3d）将计算得到的对应数值结果存储为微面元分布概率纹理P，如图3所示。

步骤4：计算大气透过率纹理T和大气路径辐射纹理L：

4a)设置大气辐射传输计算软件Atmosphere中波长λ范围为3～5μm，气象视距V范围为0～10km，水平路程x0～10km；

4b)通过大气辐射传输计算软件Atmosphere中大气透过率公式和大气辐射公式对大气透过率和大气辐射进行计算。

大气透过率公式为： $\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\exp [-\frac{3.91}{V}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\λ}}\right)}^{q}x]$

其中，λ为波长，V为气象视距，λ₀取默认值0.61μm，数学系数q取默认值1.3，x为探测器到海面的水平路程；

大气路径辐射公式为： $L_4=L_5\frac{\mathrm{\ρ}\left({\mathrm{\ψ}}^{\′}\right)P\left(\mathrm{\α}\right)G}{\cos \mathrm{\Θ}}$

其中，衰减系数G＝min{1,2cosαcosΘ/cosψ′,2cosαcosψ/cosψ′}

反射系数ρ(ψ′)＝1-ε(ψ′)＝1-0.98[1-(1-cosψ′)⁵]

L₅是海面阳光反射前的辐射量,Θ是水面法线和传感器之问夹角，ψ是海面法线与微面法线之间的夹角,ψ′为微面法线与入射太阳光线夹角，α为微面元法线H与水平面法线N的夹角；

4d）点击计算，大气辐射计算软件Atmosphere自动计算，得到τ(λ)与波长λ，气象视距V和水平路程x的对应数值，L₄与水面法线和传感器之问夹角Θ，微面法线与入射太阳光线夹角ψ′，微面元法线H与水平面法线N的夹角α的对应数值；

4c）将计算得到的对应数值结果存储为大气透过率纹理T和大气路径辐射纹理L,分别如图4和图5所示。

步骤5：计算并存储太阳辐射纹理D和天空背景辐射纹理S：

5a）设置大气辐射传输计算软件Atmosphere中波长λ的范围为3～5μm、天顶角μ的范围为0～90度，计算天空辐射亮度L₂（μ）为：

L₂（μ）=A-Be^-C(Z-T)

其中，

μ为天空辐射在海面反射方向的天顶角，A为大气温度参数，B为天空温度参数，C为海面温度参数，这些温度参数通过查温度与黑体辐射亮度映射表可得。

5b）点击计算按键，大气辐射传输计算软件Atmosphere自动从μ=0开始取值计算，以0.1度为计算间隔，计算到μ=90，得到μ与L₂（μ）的对应数值；

5c）将计算得到的对应数值结果存储为大气辐射纹理D和天空辐射纹理S，分别如图6和图7所示。

步骤6：利用图形编程语言Cg将生成的6张纹理写入材质脚本：

利用图形编程语言Cg将海面发射率纹理E、微面元分布概率纹理P、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写入后缀为.material的材质脚本中。

步骤7：利用图形处理单元GPU完成对红外粗糙海面的仿真：

7a）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；

7b）利用执行代码完成对红外粗糙海面的实时仿真，效果如图8所示，从图8的三维红外海面的渲染结果可发现，在界面中移动摄像机的位置，海面颜色会随摄像机位置的变化而发生变化。以网格模式显示场景以后，变换摄像机的位置会发现网格模式下的海面依然会改变颜色，能满足海面仿真的实时性要求。

Claims (4)

1.一种基于纹理的红外粗糙海面动态仿真的方法，包括如下步骤：

(1)采用Torrance-Sparrow光照模型，并利用双向反射率分布函数BRDF和经验模型Wilson公式，建立海面的红外辐射模型：

L＝τε(ω)L₁(T)+τ(ρ₁L₂+ρ₂L₃)+L₄，

其中，τ为海面到传感器之间的大气透过率，ε(ω)为海面发射率，ω为辐射方向与水面法线间的夹角，L₁为黑体辐射亮度，T为海水温度，ρ₁为天空辐射在海面上的反射率，L₂和L₃分别为天空背景在海面上的辐射值和太阳辐射入射前在海面上的辐射值，ρ₂为太阳辐射在海面反射的双向反射率，L₄为传感器到海面的大气路径辐射值；

（2）设置大气辐射传输计算软件Atmosphere中辐射方向与水面法线间的夹角ω，ω的取值为0～90度，计算海面发射率ε(ω)，并将该计算结果存储为海面发射率纹理E；

（3）设置大气辐射传输计算软件Atmosphere中微面元法线H与水平面法线N的夹角α，α的取值为0～90度，计算海面模型微面元分布概率P(α)，并将该结果存储为微面元分布概率纹理P；

（4）设置大气辐射传输计算软件Atmosphere中的波长λ、气象视距V和水平路程x，λ的取值为3～5μm，V的取值为0～10km，x的取值为0～10km，计算天空辐射的大气透过率τ和大气路径辐射L₄,并将该结果存储为大气透过率纹理T和大气路径辐射纹理L；

（5）设置大气辐射传输计算软件Atmosphere中波长λ、天顶角μ，λ的取值为3～5μm、μ的取值为0～90度，计算太阳辐射L₃和天空背景辐射L₂，并将该结果存储为太阳辐射纹理D和天空背景辐射纹理S；

（6）利用图形编程语言Cg，将海面发射率纹理E、微面元分布概率纹理P、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写入后缀为.material的材质脚本；

（7）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，利用执行代码完成对红外粗糙海面的实时仿真。

2.根据权利要求1所述的基于纹理的红外粗糙海面动态仿真方法，其中步骤(2)所述的海面发射率ε(ω)，是通过Atmosphere软件中的经验模型Wilson方程计算，即

ε(ω)＝0.98[1-(1-cosω)⁵]

其中，ω为辐射方向与水面法线间的夹角。

3.根据权利要求1所述的基于纹理的红外粗糙海面动态仿真方法，其中步骤(3)所述的计算海面模型微面元分布概率P(α)，是通过Atmosphere软件中的Beckmann分布函数计算：

$P\left(\mathrm{\α}\right)\≈\frac{1}{m^2\mathrm{co}{s}^4\mathrm{\α}}{e}^{-\frac{\mathrm{ta}{n}^2\mathrm{\α}}{m^2}}$

其中，m为微面元法线方向的均方根值，取值m=0.09，α为微面元法线H与水平面法线N的夹角。

4.根据权利要求1所述的基于纹理的红外粗糙海面动态仿真方法，其中步骤(4)所述的计算大气透过率τ和大气路径辐射L₄，是通过Atmosphere软件中的大气透过率公式和大气路径辐射公式计算：

大气透过率τ为：

$\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\exp [-\frac{3.91}{V}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\λ}}\right)}^{q}x]$

其中，λ为波长，V为气象视距，λ₀取默认值0.61μm，q为学系数，默认值为1.3，x为探测器到海面的水平路程；

大气路径辐射为：

$L_4=L_5\frac{\mathrm{\ρ}\left({\mathrm{\ψ}}^{\′}\right)P\left(\mathrm{\α}\right)G}{\cos \mathrm{\Θ}}$

其中，衰减系数G＝min{1,2cosαcosΘ/cosψ′,2cosαcosψ/cosψ′}

反射系数ρ(ψ′)＝1-0.98[1-(1-cosψ′)⁵]

L₅是海面阳光反射前的辐射量,Θ是水面法线和传感器之问夹角，ψ是海面法线与微面法线之间的夹角，ψ′为微面法线与入射太阳光线夹角，α为微面元法线H与水平面法线N的夹角。

Images