CN109446553A - 一种基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及红外成像及计算机仿真领域，公开了一种基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，包括：红外特性仿真系统、大气衰减仿真系统、天空环境仿真系统、探测器接收成像系统；所述天空环境仿真系统，包含天空模块、云朵模块、时间模块；所述探测器接收成像系统，包含辐射强度转化模块、噪声处理模块、综合成像模块；仿真系统实现方法如下：1、创建三维模型并计算红外辐射特性；2、创建大气透射率数据库；3、创建动态天空环境；4、模拟探测器接收单元及仿真系统可视化。本发明精确计算了高速飞行的导弹的红外特性，结合新一代图形引擎Unity3D，融合复杂天空模型，仿真生成的红外视频更加接近于实拍，为后续红外目标检测与跟踪生成大量测试视频。
Description
技术领域
本发明涉及红外成像及计算机仿真领域，特别涉及一种导弹目标与红外场景的仿真系统，该方法适用于复杂环境下红外目标检测与跟踪。
背景技术
在机载红外探测、对陆海红外监测、红外导引头制导等相关系统研发时，需要大量的红外仿真数据用于开发测试。但是，红外图像生成困难，成本高昂，尤其是获取大量高速移动的导弹、飞机的红外图像较为困难，因此该类图像主要依赖于仿真生成。
在红外目标与场景仿真任务中，国内起步较晚因此性能有限，传统红外仿真系统存在以下问题：
第一，传统红外仿真系统并不是真正意义上的红外仿真，而是在可见光仿真的基础上叠加红外纹理图像信息，与红外波段的纹理有一定差异。
第二，现有软件主要用于单帧红外图像进行仿真，实时性不足，不适用于动态场景。
第三，现有软件针对空战中红外场景的仿真较少，特别是缺乏复杂环境特征。
第四，现有软件未考虑大气中气体分子、气溶胶、雨雪等气象粒子对电磁波的吸收，以及未考虑接收端探测器光学元件噪声的影响。
发明内容
针对现有红外仿真软件存在上述问题，本发明对典型空中目标进行精确红外建模，考虑温度辐射、复杂天气场景、大气衰减、探测器特性等因素，结合新一代Unity3D图形引擎，完成空中动态红外场景仿真系统。该方法提升了空战中红外目标的准确度，所生成红外视频将用于后续导引头红外目标检测与跟踪。
一种基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，所述系统包括如下子系统：红外特性仿真系统、大气衰减仿真系统、天空环境仿真系统、探测器接收成像系统；所述红外特性仿真系统，用于模拟空中导弹目标在不同飞行状态下的红外辐射特性；所述大气衰减仿真系统，用于模拟不同地区、季节、天气等因素条件下大气对红外电磁波的透射特性；所述天空环境仿真系统，包含天空模块、云朵模块、时间模块，用于模拟复杂多变的天空环境；所述探测器接收成像系统，包含辐射强度转化模块、噪声处理模块、综合成像模块，用于显示可视化仿真场景。
所述红外特性仿真系统，对典型空中导弹目标三维建模，计算导弹模型在不同飞行速度情况下，不同部位的相对流速、温度，并与流体计算软件所得数据对比；考虑导弹材料辐射率，计算不同部位的导弹红外辐射特性。
所述大气衰减仿真系统，根据MODTRAN(中等光谱分辨率大气透过率及辐射传输算法和计算模型)构建不同地区、维度、季节、天气以及不同气体分子含量条件下的大气透射率数据库。
所述天空环境仿真系统包含天空模块、云朵模块、时间模块；所述天空模块包含基于物理模型的天空阴影以及采用了瑞利和三重散射；所述云朵模块采用了基于物理模型的云遮蔽技术以及可以通过风速、风向等参数设定来调整云朵的移动；所述时间模块包含一天24小时的时间轴线、一年不同季节的时间轴线，同时可以通过设置纬度、气候类型来模拟真实的天空场景。
所述探测器接收成像系统，包含辐射强度转化模块、噪声处理模块、综合成像模块；所述辐射强度转化模块，将探测器单元接收到的辐射强度转化为屏幕显示亮度；所述噪声处理模块，通过编写噪声处理脚本Noise Effect、景深特效处理脚本Depth of field、光晕效果处理脚本Sun Shaft来实现噪声、光晕、模糊处理；所述综合成像模块，基于图形引擎Unity3D中的Shader(着色器)，采用CG/HLSL语言编写，将所述屏幕显示亮度转化为灰度信息，再与网格、贴图、颜色等信息相互结合计算，传给所述导弹模型，显示可视化仿真场景。
基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，实现步骤如下：
步骤1、创建三维模型并计算红外辐射特性：
步骤1-1：根据典型空中导弹目标的三维尺寸数据，在3DMAX建模软件中按照1:1的尺寸创建导弹三维模型，根据导弹材料数据渲染模型，并导入图形引擎Unity3D中；
步骤1-2：在Unity3D中新建C#程序，计算导弹目标不同飞行速度下不同部位的蒙皮驻点温度，并根据斯特藩-玻尔兹曼定律计算红外辐射出射度，计算红外辐射功率；
步骤2、创建大气透射率数据库：
在Unity3D中新建C#程序，根据MODTRAN(中等光谱分辨率大气透过率及辐射传输算法和计算模型)计算不同地区、维度、季节、天气以及不同气体分子含量条件下的大气透射率，构建数据库；
步骤3、创建动态天空环境：
在Unity3D中，导入动态插件TOD sky dome，插件包含天空模块、云朵模块、时间模块，新建C#程序实时调用、修改插件的模型参数，模拟真实的天空场景；
步骤4、模拟探测器接收单元及仿真系统可视化：
步骤4-1：在Unity3D中新建C#程序，计算导弹目标经过大气衰减到达探测器的辐射强度，将探测器单元接收到的辐射强度转化为屏幕显示亮度，完成辐射强度转化模块；
步骤4-2：在Unity3D中新建C#程序，编写噪声处理脚本Noise Effect、景深特效处理脚本Depth of field、光晕效果处理脚本Sun Shaft来实现噪声、光晕、模糊处理，完成噪声处理模块；
步骤4-3：在Unity3D中新建Shader(着色器)脚本，采用CG/HLSL语言编写，将所述屏幕显示亮度转化为灰度信息，再与Mesh(网格)、贴图、颜色等信息相互结合计算，传给导弹模型；在Unity3D中新建C#程序，控制导弹飞行参数以及场景可视化，完成综合成像模块。
本发明的优点在于：
(1)建模时计算红外波段内导弹的辐射波长与功率，相对传统可见光基础上叠加红外纹理提升了仿真准确度。
(2)可连续生成导弹在不同情景下红外视频，相对于传统单帧红外图像仿真系统提高了实时性。
(3)建立动态天空模型，模拟一年四季，一天24小时，不同天气、风速、云朵移动天空场景，仿真图像更加接近实拍。
(4)考虑大气散射、地面反射以及探测器接受单元的噪声影响，生成的仿真图像更加真实。
附图说明
图1：空中动态红外场景仿真方法的流程图；
图2：复杂动态天空模型图；
图3：实拍天空红外图像与仿真天空红外图像对比图；
图4：仿真远处红外小目标图像；
图5：仿真近距离导弹红外图像。
具体实施方式
下文将结合具体附图和实例详细描述本发明具体实施例。
一种基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，如图1所示，所述系统包括如下子系统：红外特性仿真系统、大气衰减仿真系统、天空环境仿真系统、探测器接收成像系统；所述红外特性仿真系统，用于模拟空中导弹目标在不同飞行状态下的红外辐射特性；所述大气衰减仿真系统，用于模拟不同地区、季节、天气等因素条件下大气对红外电磁波的透射特性；所述天空环境仿真系统，包含天空模块、云朵模块、时间模块，用于模拟复杂多变的天空环境；所述探测器接收成像系统，包含辐射强度转化模块、噪声处理模块、综合成像模块，用于显示可视化仿真场景。
所述红外特性仿真系统，对典型空中导弹目标三维建模，计算导弹模型在不同飞行速度情况下，不同部位的相对流速、温度，并与流体计算软件所得数据对比；考虑导弹材料辐射率，计算不同部位的导弹红外辐射特性。
所述大气衰减仿真系统，根据MODTRAN(中等光谱分辨率大气透过率及辐射传输算法和计算模型)构建不同地区、维度、季节、天气以及不同气体分子含量条件下的大气透射率数据库。
所述天空环境仿真系统包含天空模块、云朵模块、时间模块；所述天空模块包含基于物理模型的天空阴影以及采用了瑞利和三重散射；所述云朵模块采用了基于物理模型的云遮蔽技术以及可以通过风速、风向等参数设定来调整云朵的移动；所述时间模块包含一天24小时的时间轴线、一年不同季节的时间轴线，同时可以通过设置纬度、气候类型来模拟真实的天空场景。
所述探测器接收成像系统，包含辐射强度转化模块、噪声处理模块、综合成像模块；所述辐射强度转化模块，将探测器单元接收到的辐射强度转化为屏幕显示亮度；所述噪声处理模块，通过编写噪声处理脚本Noise Effect、景深特效处理脚本Depth of field、光晕效果处理脚本Sun Shaft来实现噪声、光晕、模糊处理；所述综合成像模块，基于图形引擎Unity3D中的Shader(着色器)，采用CG/HLSL语言编写，将所述屏幕显示亮度转化为灰度信息，再与网格、贴图、颜色等信息相互结合计算，传给所述导弹模型，显示可视化仿真场景。
基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，实现步骤如下：
步骤1、创建三维模型并计算红外辐射特性：
步骤1-1：根据典型空中导弹目标的三维尺寸数据，在3DMAX建模软件中按照1:1的尺寸创建导弹三维模型，根据导弹材料数据渲染模型，并导入图形引擎Unity3D中；
步骤1-2：在Unity3D中新建C#程序，计算导弹目标不同飞行速度下不同部位的蒙皮驻点温度，并根据斯特藩-玻尔兹曼定律计算红外辐射出射度，计算红外辐射功率；
上述公式中，其中Ts为导弹蒙皮的驻点温度，Ta为环境温度，Ma为导弹飞行的局部马赫数，α为大气绝热系数，β为边界的热传递恢复系数。
j＝εσT4
上述公式为斯特藩-玻尔兹曼定律，其中，j为辐射度，单位为W·m-2；ε为黑体的辐射系数，绝对黑体ε＝1；σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，数值约为：5.670373*10-8Wm-2K-4；T为热力学温度，单位为K。
超音速导弹弹身通常会选用高强度且较为廉价的铝合金，在2-2.6um波段辐射率约为0.4，在8-14um波段辐射率约为0.4。弹头添加的烧蚀材料通常为二氧化硅，在2-2.6um波段辐射率约为0.55，在8-14um波段辐射率约为0.8。
通常红外探测器会选择8-14um波段，因为8-14um波段是三个“大气窗口”中波段范围最长的，探测器能接收到的电磁波能量也高。根据如上所述可以计算不同飞行状态下导弹不同位置的光谱辐射特性：
以1.5Ma速度飞行时弹身平均温度约为344K，弹头平均温度约为355K，而以2.5Ma速度飞行时弹身平均温度约为500K，弹头平均温度约为550K，导弹弹径0.127米，对于迎面袭来的导弹，其截面积约为0.01267平方米，再由发射功率公式
P＝S*j
可得不同速度下的弹头的发射功率为：
P1.5Ma＝S*εσT1.5Ma 4＝0.01267*0.8*5.67*10-8*3554W≈9.13W
P2.5Ma＝S*εσT2.5Ma 4＝0.01267*0.8*5.67*10-8*5504W≈52.59W
步骤2、创建大气透射率数据库：
在Unity3D中新建C#程序，根据MODTRAN(中等光谱分辨率大气透过率及辐射传输算法和计算模型)计算不同地区、维度、季节、天气以及不同气体分子含量条件下的大气透射率，构建数据库；
MODTRAN(中等光谱分辨率大气透过率及辐射传输算法和计算模型)，是LOWTRAN(低光谱分辨率大气传输模型)模型的升级版，不仅将光谱分辨率从20cm-1提升至2cm-1，还囊括了多次散射辐射传输精确算法。
步骤3、创建动态天空环境：
在Unity3D中，导入动态插件TOD sky dome，插件包含天空模块、云朵模块、时间模块，新建C#程序实时调用、修改插件的模型参数，模拟真实的天空场景；
其天空模块包含基于物理模型的天空阴影以及采用了瑞利和三重散射；云朵模块采用了基于物理模型的云遮蔽技术以及可以通过风速、风向等参数设定来调整云朵的移动；时间模块包含一天24小时的时间轴线、一年不同季节的时间轴线，同时可以通过设置纬度、气候类型来模拟真实的天空场景。
如图2所示为6点，12点，18点，24点，晴天，多云，浓雾，风暴的天空模型。如图3所示为少云条件下的天空红外仿真图像与天空红外实拍图像对比图。
步骤4、模拟探测器接收单元及仿真系统可视化：
步骤4-1：在Unity3D中新建C#程序，计算导弹目标经过大气衰减到达探测器的辐射强度，将探测器单元接收到的辐射强度转化为屏幕显示亮度，完成辐射强度转化模块；可根据如下公式将辐射强度转化为屏幕显示亮度：
其中，I为显示屏上的显示强度，取值范围[0,1]；r是基准信号，用于描述不同设备的基准信号强度；E即为探测器单元接收到的辐射强度，Emax、Emin分别为辐射强度的最大值、最小值，辐射强度也与目标的发射功率正正比，δe为误差量，控制噪声，光晕等因素。
步骤4-2：在Unity3D中新建C#程序，编写噪声处理脚本Noise Effect、景深特效处理脚本Depth of field、光晕效果处理脚本Sun Shaft来实现噪声、光晕、模糊处理，完成噪声处理模块；
步骤4-3：在Unity3D中新建Shader(着色器)脚本，采用CG/HLSL语言编写，将所述屏幕显示亮度转化为灰度信息，再与Mesh(网格)、贴图、颜色等信息相互结合计算，传给导弹模型；在Unity3D中新建C#程序，控制导弹飞行参数以及场景可视化，完成综合成像模块。
仿真步长0.02秒，导弹飞行高度为4km，从距离探测器10km处发射，分别以1.5Ma和2.5Ma的速度飞行，探测器模拟导弹由远及近的过程，再模拟追及导弹的过程。如图4、图5所示即为经过噪声、光晕、模糊处理之后的红外小目标图像以及追及角度的近距离仿真图像。
Claims (6)
1.一种基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，其特征在于，所述系统包括如下子系统：红外特性仿真系统、大气衰减仿真系统、天空环境仿真系统、探测器接收成像系统；
所述红外特性仿真系统，用于模拟空中导弹目标在不同飞行状态下的红外辐射特性；
所述大气衰减仿真系统，用于模拟不同地区、季节、天气等因素条件下大气对红外电磁波的透射特性；
所述天空环境仿真系统，包含天空模块、云朵模块、时间模块，用于模拟复杂多变的天空环境；
所述探测器接收成像系统，包含辐射强度转化模块、噪声处理模块、综合成像模块，用于显示可视化仿真场景。
2.根据权利要求1所述的基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，其特征在于，所述红外特性仿真系统，对典型空中导弹目标三维建模，计算导弹模型在不同飞行速度情况下，不同部位的相对流速、温度，并与流体计算软件所得数据对比；考虑导弹材料辐射率，计算不同部位的导弹红外辐射特性。
3.根据权利要求1所述的基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，其特征在于，所述大气衰减仿真系统，根据MODTRAN(中等光谱分辨率大气透过率及辐射传输算法和计算模型)构建不同地区、维度、季节、天气以及不同气体分子含量条件下的大气透射率数据库。
4.根据权利要求1所述的基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，其特征在于，所述天空环境仿真系统包含天空模块、云朵模块、时间模块；所述天空模块包含基于物理模型的天空阴影以及采用了瑞利和三重散射；所述云朵模块采用了基于物理模型的云遮蔽技术以及可以通过风速、风向等参数设定来调整云朵的移动；所述时间模块包含一天24小时的时间轴线、一年不同季节的时间轴线，同时可以通过设置纬度、气候类型来模拟真实的天空场景。
5.根据权利要求1所述的基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，其特征在于，所述探测器接收成像系统，包含辐射强度转化模块、噪声处理模块、综合成像模块；所述辐射强度转化模块，将探测器单元接收到的辐射强度转化为屏幕显示亮度；所述噪声处理模块，通过编写噪声处理脚本Noise Effect、景深特效处理脚本Depth of field、光晕效果处理脚本Sun Shaft来实现噪声、光晕、模糊处理；所述综合成像模块，基于图形引擎Unity3D中的Shader(着色器)，采用CG/HLSL语言编写，将所述屏幕显示亮度转化为灰度信息，再与网格、贴图、颜色等信息相互结合计算，传给所述导弹模型，显示可视化仿真场景。
6.根据权利要求1所述的基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，其特征在于，实现步骤如下：
步骤1、创建三维模型并计算红外辐射特性：
步骤1-1：根据典型空中导弹目标的三维尺寸数据，在3DMAX建模软件中按照1:1的尺寸创建导弹三维模型，根据导弹材料数据渲染模型，并导入图形引擎Unity3D中；
步骤1-2：在Unity3D中新建C#程序，计算导弹目标不同飞行速度下不同部位的蒙皮驻点温度，并根据斯特藩-玻尔兹曼定律计算红外辐射出射度，计算红外辐射功率；
步骤2、创建大气透射率数据库：
在Unity3D中新建C#程序，根据MODTRAN(中等光谱分辨率大气透过率及辐射传输算法和计算模型)计算不同地区、维度、季节、天气以及不同气体分子含量条件下的大气透射率，构建数据库；
步骤3、创建动态天空环境：
在Unity3D中，导入动态插件TOD sky dome，插件包含天空模块、云朵模块、时间模块，新建C#程序实时调用、修改插件的模型参数，模拟真实的天空场景；
步骤4、模拟探测器接收单元及仿真系统可视化：
步骤4-1：在Unity3D中新建C#程序，计算导弹目标经过大气衰减到达探测器的辐射强度，将探测器单元接收到的辐射强度转化为屏幕显示亮度，完成辐射强度转化模块；
步骤4-2：在Unity3D中新建C#程序，编写噪声处理脚本Noise Effect、景深特效处理脚本Depth of field、光晕效果处理脚本Sun Shaft来实现噪声、光晕、模糊处理，完成噪声处理模块；
步骤4-3：在Unity3D中新建Shader(着色器)脚本，采用CG/HLSL语言编写，将所述屏幕显示亮度转化为灰度信息，再与Mesh(网格)、贴图、颜色等信息相互结合计算，传给导弹模型；在Unity3D中新建C#程序，控制导弹飞行参数以及场景可视化，完成综合成像模块。
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