CN111881610A - 一种用于有限元模型的辐射渲染方法及装置 - Google Patents

一种用于有限元模型的辐射渲染方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于有限元模型的辐射渲染方法及装置，所述方法包括：构建目标几何网格模型，并根据面元物理参数和热边界条件，计算得到目标表面面元温度分布数据；根据相邻面元的法线方向对所述几何网格模型修正，得到修正几何模型；根据所述修正几何模型、所述面元温度分布数据及所述面元物理参数，得到目标顶点法线、顶点温度数据和顶点物理参数，再计算顶点自身辐射值和顶点反射辐射值；最后根据所述顶点自身辐射值、顶点反射辐射值和修正几何模型，生成目标红外纹理，得到辐射渲染结果。本发明方法避免了目标边缘棱边处相邻面元的过度平滑处理，有效提高了有限元模型辐射渲染结果的仿真真实性。

Description

一种用于有限元模型的辐射渲染方法及装置
技术领域
本发明涉及目标红外辐射仿真技术领域，尤其涉及一种用于有限元模型的辐射渲染方法及装置。
背景技术
目标辐射特性的理论建模是一种综合考虑各种效应的较为理论化的研究方法，根据有关目标的结构、材料的各种热物性参数，以及所处环境的各种环境参数，将目标按一定要求划分成微元，考虑各种物理过程，建立物理模型，通过数学方法和计算机进行数值求解，得到目标的辐射特性。目标辐射特性的理论模型对预测目标的辐射特征、目标红外系统的研制、仿真设计等可以提供快速、经济有效的手段，具有重要的使用价值。
现有基于Unity3D渲染引擎的目标红外辐射仿真算法中，目标边缘棱边处共用顶点法线方向存在误判，与真实面元的法线方向偏差很大，致使目标边缘棱边处的辐射渲染出现异常，渲染成像结果中目标边缘棱边处变得模糊。
因此，针对以上不足，需要提供一种对目标有限元模型平滑修正的辐射渲染方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，现有方法中目标边缘棱边处共用顶点法线方向与真实面元的法线方向偏差很大，导致渲染成像结果中目标边缘棱边处变得模糊，针对现有技术中的缺陷，提供了一种对目标有限元模型平滑修正的辐射渲染方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于有限元模型的辐射渲染方法，所述方法包括：
构建目标几何网格模型，并根据面元物理参数和热边界条件，计算得到目标表面面元温度分布数据；
根据相邻面元的法线方向对所述几何网格模型修正，得到修正几何模型；
根据所述修正几何模型、所述面元温度分布数据及所述面元物理参数，得到目标顶点法线、顶点温度数据和顶点物理参数；
根据所述顶点法线、顶点温度数据和顶点物理参数，计算顶点自身辐射值和顶点反射辐射值；
根据所述顶点自身辐射值、顶点反射辐射值和修正几何模型，生成目标红外纹理，得到辐射渲染结果。
优选地，所述根据面元物理参数和热边界条件，计算得到目标表面面元温度分布数据，具体包括：
根据面元物理参数和热边界条件，得到各面元的能量平衡方程：
(G1kε1k-J1k)+(G2kε2k-J2k)+conduction+convection1+convection2＝0其中，J为面元表面辐射出射的全部能量，G为入射到表面的全部辐射能量，ε为表面发射率，1k和2k分别为面元k的外表面和内表面，conduction为面元k和周围相邻面元的热传导，convection1和convection2分别为面元外表面和内表面与空气的对流换热；
求解所述能量平衡方程，得到目标表面各面元的温度值。
优选地，所述根据相邻面元的法线方向对所述几何网格模型修正，得到修正几何模型，具体包括：
遍历所述几何网络模型的共用顶点，判断所述共用顶点的相邻面元的法线方向是否相同，是则不做修正，否则将所述共用顶点拆分为n个具有相同坐标的同位置点，n为所述共用顶点的相邻面元的个数。
优选地，所述根据所述修正几何模型和所述面元温度分布数据，计算得到目标顶点法线、顶点温度数据和顶点物理参数，具体包括：
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的温度值赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的平均温度值赋值给该顶点；
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的法线方向赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的法线方向赋值给该顶点；
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的物理参数赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的物理参数赋值给该顶点。
优选地，所述计算顶点自身辐射值，具体包括：
根据所述顶点温度数据和顶点物理参数，所述物理参数包括发射率和双向反射率光谱分布函数BRDF系数，通过以下公式计算顶点自身辐射值：
Figure BDA0002613248650000031
上式中：
Figure BDA0002613248650000033
为顶点k在红外波段λ1-λ2的自身辐射亮度，单位为W/(Sr·m2)，T为绝对温度，ε为顶点的发射率，c1为第一辐射常数，c2为第二辐射常数，c1＝3.741832×108W·μm4/m2，c2＝1.4388×104μm·K。
优选地，计算所述顶点反射辐射值，具体包括：
根据辐射源位置信息和观察位置信息，计算辐射源在面元表面的入射角和反射角；
利用BRDF模型函数，根据以下公式计算所述顶点反射辐射值：
Figure BDA0002613248650000032
其中，
Figure BDA0002613248650000034
为观察方向(θr，φr)反射的辐射亮度，fr，λ(x，θi，φi，θr，φr)是x点的目标表面双向反射率光谱分布函数BRDF，LΔΩ，λ(x，θi，φi)是入射方向为(θi，φi)、照射到x点的入射光源光谱辐射亮度。
优选地，所述BRDF模型为参数化的Schlick BRDF模型，表达式如下：
fr，λ(θr，φi，θr，φr)＝Sλ(q)D(g，u，v，w)
Figure BDA0002613248650000041
Figure BDA0002613248650000042
Figure BDA0002613248650000043
Figure BDA0002613248650000044
Figure BDA0002613248650000045
其中，Sλ(q)为菲涅尔光谱因子，D(g，u，v，w)为方向因子，β为光源向量与反射向量间的半角；δ为法向量与半角向量间夹角；θi，θr为光源与反射向量的天顶角；φh为半角向量的方位角；
Figure BDA0002613248650000046
为目标局部顶点的法向量；
Figure BDA0002613248650000048
为光源向量与反射向量间的半角向量；
Figure BDA0002613248650000049
为从坐标原点分别指向光源、观察者的光源向量与反射向量；
Figure BDA00026132486500000413
为物体局部顶点的切线向量，且取
Figure BDA00026132486500000410
为光源向量
Figure BDA00026132486500000411
在顶点上的投影向量；
Figure BDA00026132486500000412
为半角向量在顶点上的投影向量。
本发明还提供了一种用于有限元模型的辐射渲染装置，该装置包括：
模型构建单元，用于构建目标几何网格模型，并根据面元物理参数和热边界条件，计算得到目标表面面元温度分布数据；
模型修正单元，用于根据相邻面元的法线方向对所述几何网格模型修正，得到修正几何模型；
顶点映射单元，用于根据所述修正几何模型、所述面元温度分布数据和所述面元物理参数，得到目标顶点法线、顶点温度数据和顶点物理参数；
辐射计算单元，用于根据所述顶点法线、顶点温度数据和顶点物理参数，计算顶点自身辐射值和顶点反射辐射值；
渲染显示单元，用于根据所述顶点自身辐射值、顶点反射辐射值和修正几何模型，生成目标红外纹理，得到辐射渲染结果。
优选地，所述模型修正单元用于执行以下操作：
遍历所述几何网络模型的共用顶点，判断所述共用顶点的相邻面元的法线方向是否相同，是则不做修正，否则将所述共用顶点拆分为n个具有相同坐标的同位置点，n为所述共用顶点的相邻面元的个数。
优选地，所述顶点映射单元用于执行以下操作：
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的温度值赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的平均温度值赋值给该顶点；
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的法线方向赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的法线方向赋值给该顶点；
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的物理参数赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的物理参数赋值给该顶点。
实施本发明的用于有限元模型的辐射渲染方法及结果，具有以下有益效果：本发明针对目标的有限元模型在辐射渲染过程中由于过度平滑处理导致辐射特性计算错误，提出了对有限元几何模型平滑修正的改进，本发明的辐射渲染方法避免了目标边缘棱边处相邻面元的过度平滑处理，有效提高了有限元模型辐射渲染结果的仿真真实性。此外，采用Unity3D shader进行渲染在计算流程实现上提高了渲染效率，可以在较少的资源消耗情况，实现对固体目标的红外辐射特性的实时渲染计算。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的用于有限元模型的辐射渲染方法的流程图；
图2是现有红外辐射仿真方法的流程示意图；
图3是现有方法得到目标辐射渲染结果示意图；
图4是现有方法中使用共同顶点的有限元模型样例示意图；
图5是本方法中使用独立顶点的有限元样例示意图；
图6是本发明实施例一的原理图；
图7是本方法得到的目标辐射渲染结果示意图；
图8是本发明实施例二提供的用于有限元模型的辐射渲染装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供的用于有限元模型的辐射渲染方法，包括以下步骤：
步骤S101、构建目标几何网格模型，并根据面元物理参数和热边界条件，计算得到目标表面面元温度分布数据。
本发明在构建目标有限元几何网格模型时，考虑多次反射及空间几何位置的影响，依据探测分辨率等要求，将目标剖分成一定数量的网格单元。然后建立目标的物理模型，即在目标网格剖分的基础上，赋予面元物理参数和热边界条件，面元辐射热交换应考虑面元的自身辐射和外部环境对面元的辐射两个部分，其中环境主要考虑太阳、天空和海面或地面的影响，而且还要考虑目标内部对面元的作用。
在一些优选的实施例中，所述根据面元物理参数和热边界条件，计算得到目标表面面元温度分布数据，具体包括：
根据面元物理参数和热边界条件，得到各面元的能量平衡方程：
(G1kε1k-J1k)+(G2kε2k-J2k)+conduction+convection1+convection2＝0其中，J为面元表面辐射出射的全部能量，G为入射到表面的全部辐射能量，ε为表面发射率，1k和2k分别为面元k的外表面和内表面；conduction为面元k和周围相邻面元的热传导，convection1和convection2分别为面元外表面和内表面与空气的对流换热；
通过求解上述能量平衡方程，得到目标表面各面元的温度值。
具体使用时，面元温度文件格式设置为(面元编号，面元温度)。
步骤S2、根据相邻面元的法线方向对所述几何网格模型修正，得到修正几何模型。
在此先对现有基于Unity3D渲染引擎的目标红外辐射仿真方法流程进行分析。参照图2所示，现有基于Unity3D渲染引擎的红外辐射仿真方法的流程包括：加载目标几何网格模型的面元的温度数据和物理参数，进行平滑处理，得到顶点的法线、温度及物理参数，通过加载编写好的辐射渲染计算脚本，依据每个顶点的法线和观测角度，计算出所有顶点的红外辐射亮度值。图3为现有方法得到典型时刻某探测角度下目标辐射特性渲染结果。
对图3所示结果分析，其中目标边缘棱边处的辐射渲染结果明显偏离真实情况，经过对目标有限元几何网格模型的解析和对辐射渲染机理的研究，发现位于目标边缘棱边处的相邻面元使用量相同的顶点，如图4所示。其中，每个顶点的法线计算是依据顶点所在面元的法线计算得到的，这种方式下，如果共用顶点的相邻面元的法线方向不同，例如相邻面元分别位于目标两个相互垂直的表面上，此时根据Unity内部渲染算法机制的定义，会将使用相同顶点的面元定义为同一个面元，对相邻面元进行平滑处理(图4中的面元1、面元2、面元3、面元4会自动平滑处理)。共用顶点的法线方向出现误判，与真实面元的法线方向偏差很大，致使目标边缘棱边处的辐射渲染结果出现异常。
假设图4中面元1、面元2处于目标边缘处两个相互垂直的表面上，由于面元1和面元2法线方向不同，两个面元的共用顶点的法线方向无法做出正确判断，导致共用顶点法线方向和面元1、面元2的法线方向均不同。因此，通过现有红外仿真方法得到的顶点A的辐射特性与其相邻的面元1、面元2的辐射特性值不同，导致处于目标边缘棱边处的辐射值与该处的实际辐射值出现较大偏差。此外，由于共用顶点的相邻面元进行了平滑处理，成像结果中目标的边缘棱边也会变得模糊。
为了避免目标边缘棱边处顶点法线因为平滑处理导致计算错误，本发明采用将相邻面元的共用顶点拆分的方式进行改进。
在一些优选的实施例中，所述根据相邻面元的法线方向对所述几何网格模型修正，得到修正几何模型，具体包括：
遍历所述几何网络模型的共用顶点，判断所述共用顶点的相邻面元的法线方向是否相同，是则不做修正，否则将所述共用顶点拆分为n个具有相同坐标的同位置点，n为所述共用顶点的相邻面元的个数。
本实施例通过对几何网格模型中共用顶点遍历查询，判断共用顶点的相邻面元的法线方向是否相同，若该共用顶点的相邻面元的法线方向均相同，认为这些相邻面元位于目标表面同一平面，则不需进行修正；若该共用顶点的相邻面元的法线方向不同，认为该共用顶点位于目标边缘棱边处，则对其进行修正，具体地，将原来的一个共用顶点拆分成n个具有相同坐标的彼此独立的顶点，拆分后的n个独立顶点称为同位置点，n为与该共用顶点相连的相邻面元的个数。
如图5所示，若共用顶点A的相邻面元的法线方向不同，将原来的共用顶点A拆分成四个独立的顶点A1、A2、A3、A4，拆分后相邻面元1、面元2、面元3和面元4彼此独立。其中，同坐标的顶点A1、A2、A3、A4称为同位置点。同时，拆分顶点A时顶点B、C、D和E自动同时被拆分，即B1和B2、C2和C3、D3和D4、E1和E4也都是同位置点。
步骤S3、根据所述修正几何模型、所述面元温度分布数据及所述面元物理参数，计算得到目标顶点法线、顶点温度数据和顶点物理参数。
通过上述对现有方法的分析，本发明将顶点与温度分布进行拆分，改进了目标有限元几何网格模型。随后在步骤S3中，将面元法线、温度、物理参数赋值给顶点，用作后面辐射计算使用。
在一些优选的实施例中，步骤S3具体包括：
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的温度值赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的平均温度值赋值给该顶点；
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的法线方向赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的法线方向赋值给该顶点；
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的物理参数赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的物理参数赋值给该顶点。
在得到修正几何模型后，此时对该修正几何模型进行平滑处理，以图5为例，对同位置点的法线、温度和物理参数赋值规则如下：
①将面元1、面元2、面元3和面元4的法线分别赋予给顶点A1、A2、A3和A4，即同位置点的法线方向分别与该处新顶点构成的面元法线方向一致；
②将面元1、面元2、面元3和面元4的温度分别赋予给顶点A1、A2、A3和A4，即同位置点的温度分别与该处新顶点构成的面元温度一致；
③将面元1、面元2、面元3和面元4的物理参数(发射率、BRDF系数信息)分别赋予给顶点A1、A2、A3和A4，即同位置点的物理参数分别与该处新顶点构成的面元物理参数一致。
而对于非同位置点的顶点，即未进行修正拆分的顶点，顶点法线、温度和物理参数赋值规则如下：将顶点的相邻面元的法线方向(对未拆分的顶点而言，其相连的相邻面元的法线方向一致)赋值给该顶点；将顶点的相邻面元的平均温度值赋值给该顶点；将顶点的相邻面元的物理参数赋值给该顶点。
通过以上平滑处理后，每个顶点都只属于一个面元，其法线与所在面元法线相同，保证在最终的辐射特性计算结果中同一平面内相邻面元的红外辐射特性是连续变化的。
步骤S4、根据所述顶点法线、顶点温度数据和顶点物理参数，计算顶点自身辐射值和顶点反射辐射值。
具体应用时，可基于Unity3D实现。通过Unity3D应用程序的渲染状态设置，基于C#编写的程序接口，加载修正几何模型文件、顶点温度文件、顶点材质文件到内存中，将数据传入目标红外辐射特征渲染程序，完成资源加载到GPU中。其中顶点温度文件格式为(顶点编号，顶点温度)，物理参数包括发射率和双向反射率光谱分布函数BRDF系数，顶点材质文件格式为(顶点编号，顶点发射率，BRDF系数)。
Unity3D渲染引擎通过向GPU发送渲染计算指令，运用Unity渲染引擎和计算机采样技术，得到修正几何模型中每个顶点处的温度和发射率信息。根据普朗克辐射公式，将获取的顶点温度和发射率等信息进行渲染计算，得到在指定红外波段λ1-λ2的顶点自身辐射值：
Figure BDA0002613248650000101
上式中：
Figure BDA0002613248650000102
为顶点k在红外波段λ1-λ2的自身辐射亮度(单位为W/(Sr·m2))；T为绝对温度(单位为K)；ε为顶点的发射率，c1为第一辐射常数；c2为第二辐射常数，c1＝3.741832×108W·μm4/m2；c2＝1.4388×104μm·K。
在辐射渲染计算过程中，利用计算机采样技术，实时获取目标表面的材质种类及相应的BRDF信息；结合辐射源位置(如太阳等)信息、观测位置信息，计算辐射源在面元表面的入射角和反射角；结合辐射源位置、成像系统位置，依据BRDF模型函数，计算出目标表面在特定光源位置和观测方向的反射特性。具体地，通过以下公式进行计算顶点反射辐射值：
Figure BDA0002613248650000111
其中，
Figure BDA00026132486500001115
为观察方向(θr，φr)反射的辐射亮度，fr，λ(x，θi，φi，θr，φr)是x点目标表面双向反射率光谱分布函数(BRDF)；LΔΩ，λ(x，θi，φi)是入射方向为(θi，φi)、照射到x点的入射光源光谱辐射亮度。
可选地，本方法中采用参数化的Schlick BRDF模型，该模型将目标表面双向反射率光谱分布函数fr，λ(θi，φi，θr，φr)分解为菲涅尔光谱因子Sλ(q)和方向因子D(g，u，v，w)的乘积，即：
fr，λ(θi，φi，θr，φr)＝Sλ(q)D(g，u，v，w)
Figure BDA0002613248650000112
Figure BDA0002613248650000113
Figure BDA0002613248650000114
Figure BDA0002613248650000115
Figure BDA0002613248650000116
其中，β为光源向量与反射向量间的半角；δ为法向量与半角向量间夹角；θi，θr为光源与反射向量的天顶角；φh为半角向量的方位角；
Figure BDA0002613248650000117
为物体局部顶点的法向量；
Figure BDA0002613248650000118
为光源向量与反射向量间的半角向量；
Figure BDA0002613248650000119
Figure BDA00026132486500001110
为从坐标原点分别指向光源、观察者的光源向量与反射向量；
Figure BDA00026132486500001111
为物体局部顶点的切线向量，且取
Figure BDA00026132486500001112
为光源向量
Figure BDA00026132486500001113
在顶点上的投影向量；
Figure BDA00026132486500001114
为半角向量在顶点上的投影向量。
步骤S5、根据所述顶点自身辐射值、顶点反射辐射值和修正几何模型，生成目标红外纹理，得到辐射渲染结果。
在目标红外特性计算中，对反射特性的仿真可以大大提高场景的逼真度。应用中，该步骤可基于Unity3D和纹理采样实现，具体地，将步骤S4得到的目标顶点自身辐射值及顶点反射辐射值叠加后，得到目标红外辐射数据，将目标红外辐射数据和修正几何模型以纹理数据形式被送入到显存当中，通过GPU渲染管线完成渲染：修正几何模型数据由显存直接送入顶点处理器，纹理数据以采样的方式送入渲染管线参与计算。渲染完成后，将辐射渲染结果数据显示在计算机屏幕上。
本发明实施例一辐射渲染方法的原理如图6所示。由图6可明显看出与现有方法的区别。由于避免了边缘棱边处相邻面元的平滑处理，目标棱边也变得清晰可见。基于本实施例辐射渲染方法的渲染结果见图7，目标辐射渲染结果中边缘棱边处明显与理论值相符。
实施例二
如图8所示本实施例二提供的用于有限元模型的辐射渲染装置，包括模型构建单元100、模型修正单元200、顶点映射单元300、辐射计算单元400和渲染显示单元500。
其中，模型构建单元100，用于构建目标几何网格模型，并根据面元物理参数和热边界条件，计算得到目标表面面元温度分布数据。
在一些优选的实施例中，所述根据面元物理参数和热边界条件，计算得到目标表面面元温度分布数据，具体包括：
根据面元物理参数和热边界条件，得到各面元的能量平衡方程：
(G1kε1k-J1k)+(G2kε2k-J2k)+conduction+convection1+convection2＝0其中，J为面元表面辐射出射的全部能量，G为入射到表面的全部辐射能量，ε为表面发射率，1k和2k分别为面元k的外表面和内表面；conduction为面元k和周围相邻面元的热传导，convection1和convection2分别为面元外表面和内表面与空气的对流换热；
求解所述能量平衡方程，得到目标表面各面元的温度值。
模型修正单元200，用于根据相邻面元的法线方向对所述几何网格模型修正，得到修正几何模型。
在一些优选的实施例中，所述模型修正单元用于执行以下操作：
遍历所述几何网络模型的共用顶点，判断所述共用顶点的相邻面元的法线方向是否相同，是则不做修正，否则将所述共用顶点拆分为n个具有相同坐标的同位置点，n为所述共用顶点的相邻面元的个数。
顶点映射单元300，用于根据所述修正几何模型、所述面元温度分布数据及所述面元物理参数，得到目标顶点法线、顶点温度数据和顶点物理参数。
在一些优选的实施例中，所述顶点映射单元用于执行以下操作：
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的温度值赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的平均温度值赋值给该顶点；
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的法线方向赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的法线方向赋值给该顶点；
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的物理参数赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的物理参数赋值给该顶点。
辐射计算单元400，用于根据所述顶点法线、顶点温度数据和顶点物理参数，计算顶点自身辐射值和顶点反射辐射值。
在一些优选的实施例中，所述辐射计算单元400用于执行以下操作：
根据所述顶点温度数据和顶点物理参数，所述物理参数包括发射率和双向反射率光谱分布函数BRDF系数，通过以下公式计算顶点自身辐射值：
Figure BDA0002613248650000131
上式中：
Figure BDA00026132486500001411
为顶点k在红外波段λ1-λ2的自身辐射亮度，单位为W/(Sr·m2)；T为绝对温度；ε为顶点的发射率，c1为第一辐射常数；c2为第二辐射常数，c1＝3.741832×108W·μm4/m2；c2＝1.4388×104μm·K。
在一些优选的实施例中，所述辐射计算单元400还用于执行以下操作：
根据辐射源位置信息和观察位置信息，计算辐射源在面元表面的入射角和反射角；
利用BRDF模型函数，根据以下公式计算所述顶点反射辐射值：
Figure BDA0002613248650000141
其中，
Figure BDA00026132486500001412
为观察方向(θr，φr)反射的辐射亮度，fr，λ(x，θi，φi，θr，φr)是x点的目标表面双向反射率光谱分布函数BRDF；LΔΩ，λ(x，θi，φi)是入射方向为(θi，φi)、照射到x点的入射光源光谱辐射亮度。
在一些更优选的实施例中，所述BRDF模型为参数化的Schlick BRDF模型，表达式如下：
fr，λ(θi，φi，θr，φr)＝Sλ(q)D(g，u，v，w)
Figure BDA0002613248650000142
Figure BDA0002613248650000143
Figure BDA0002613248650000144
Figure BDA0002613248650000145
Figure BDA0002613248650000146
其中，Sλ(q)为菲涅尔光谱因子，D(g，u，v，w)为方向因子，β为光源向量与反射向量间的半角；δ为法向量与半角向量间夹角；θi，θr为光源与反射向量的天顶角；φh为半角向量的方位角；
Figure BDA0002613248650000147
为目标局部顶点的法向量；
Figure BDA0002613248650000148
为光源向量与反射向量间的半角向量；
Figure BDA0002613248650000149
为从坐标原点分别指向光源、观察者的光源向量与反射向量；
Figure BDA00026132486500001410
为物体局部顶点的切线向量，且取
Figure BDA0002613248650000151
为光源向量
Figure BDA0002613248650000152
在顶点上的投影向量；
Figure BDA0002613248650000153
为半角向量在顶点上的投影向量。
渲染显示单元500，用于根据所述顶点自身辐射值、顶点反射辐射值和修正几何模型，生成目标红外纹理，得到辐射渲染结果。
应该理解的是，本发明中用于有限元模型的辐射渲染装置与前述用于有限元模型的辐射渲染方法的原理相同，前述方法的阐述也适用于该装置。
综上所述，本发明针对目标的有限元模型在辐射渲染过程中由于过度平滑处理导致辐射特性计算错误，提出了对有限元几何模型平滑修正的改进，本发明的辐射渲染方法避免了目标边缘棱边处相邻面元的过度平滑处理，有效提高了有限元模型辐射渲染结果的仿真真实性。此外，采用Unity3D shader进行渲染，在计算流程实现上提高了渲染效率，可以在较少的资源消耗情况，实现对固体目标的红外辐射特性的实时渲染计算。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于有限元模型的辐射渲染方法，其特征在于：
构建目标几何网格模型，并根据面元物理参数和热边界条件，计算得到目标表面面元温度分布数据；
根据相邻面元的法线方向对所述几何网格模型修正，得到修正几何模型；
根据所述修正几何模型、所述面元温度分布数据及所述面元物理参数，得到目标顶点法线、顶点温度数据和顶点物理参数；
根据所述顶点法线、顶点温度数据和顶点物理参数，计算顶点自身辐射值和顶点反射辐射值；
根据所述顶点自身辐射值、顶点反射辐射值和修正几何模型，生成目标红外纹理，得到辐射渲染结果。
2.根据权利要求1所述的用于有限元模型的辐射渲染方法，其特征在于，所述根据面元物理参数和热边界条件，计算得到目标表面面元温度分布数据，具体包括：
根据面元物理参数和热边界条件，得到各面元的能量平衡方程：
(G1kε1k-J1k)+(G2kε2k-J2k)+conduction+convection1+convection2＝0
其中，J为面元表面辐射出射的全部能量，G为入射到表面的全部辐射能量，ε为表面发射率，1k和2k分别为面元k的外表面和内表面，conduction为面元k和周围相邻面元的热传导，convection1和convection2分别为面元外表面和内表面与空气的对流换热；
求解所述能量平衡方程，得到目标表面各面元的温度值。
3.根据权利要求1所述的用于有限元模型的辐射渲染方法，其特征在于，所述根据相邻面元的法线方向对所述几何网格模型修正，得到修正几何模型，具体包括：
遍历所述几何网络模型的共用顶点，判断所述共用顶点的相邻面元的法线方向是否相同，是则不做修正，否则将所述共用顶点拆分为n个具有相同坐标的同位置点，n为所述共用顶点的相邻面元的个数。
4.根据权利要求3所述的用于有限元模型的辐射渲染方法，其特征在于，所述根据所述修正几何模型、所述面元温度分布数据及所述面元物理参数，得到目标顶点法线、顶点温度数据和顶点物理参数，具体包括：
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的温度值赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的平均温度值赋值给该顶点；
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的法线方向赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的法线方向赋值给该顶点；
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的物理参数赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的物理参数赋值给该顶点。
5.根据权利要求1所述的用于有限元模型的辐射渲染方法，其特征在于，所述计算顶点自身辐射值，具体包括：
根据所述顶点温度数据和顶点物理参数，所述物理参数包括发射率和双向反射率光谱分布函数BRDF系数，通过以下公式计算顶点自身辐射值：
Figure FDA0002613248640000021
上式中：
Figure FDA0002613248640000022
为顶点k在红外波段λ1-λ2的自身辐射亮度，单位为W/(Sr·m2)，T为绝对温度，ε为顶点的发射率，c1为第一辐射常数，c2为第二辐射常数，c1＝3.741832×108W·μm4/m2，c2＝1.4388×104μm·K。
6.根据权利要求5所述的用于有限元模型的辐射渲染方法，其特征在于，计算所述顶点反射辐射值，具体包括：
根据辐射源位置信息和观察位置信息，计算辐射源在面元表面的入射角和反射角；
利用BRDF模型函数，根据以下公式计算所述顶点反射辐射值：
Figure FDA0002613248640000031
其中，
Figure FDA0002613248640000032
为观察方向(θr，φr)反射的辐射亮度，fr，λ(x，θi，φi，θr，φr)是x点的目标表面双向反射率光谱分布函数BRDF，LΔΩ，λ(x，θi，φi)是入射方向为(θi，φi)、照射到x点的入射光源光谱辐射亮度。
7.根据权利要求5所述的用于有限元模型的辐射渲染方法，其特征在于，所述BRDF模型为参数化的Schlick BRDF模型，表达式如下：
fr，λ(θi，φi，θr，φr)＝Sλ(q)D(g，u，v，w)
Figure FDA0002613248640000033
Figure FDA0002613248640000034
Figure FDA0002613248640000035
Figure FDA0002613248640000036
Figure FDA0002613248640000037
其中，Sλ(q)为菲涅尔光谱因子，D(g，u，v，w)为方向因子，β为光源向量与反射向量间的半角；δ为法向量与半角向量间夹角；θi，θr为光源与反射向量的天顶角；φh为半角向量的方位角；
Figure FDA0002613248640000038
为目标局部顶点的法向量；
Figure FDA0002613248640000039
为光源向量与反射向量间的半角向量；
Figure FDA00026132486400000310
为从坐标原点分别指向光源、观察者的光源向量与反射向量；
Figure FDA00026132486400000311
为物体局部顶点的切线向量，且取
Figure FDA00026132486400000312
Figure FDA00026132486400000313
为光源向量
Figure FDA00026132486400000314
在顶点上的投影向量；
Figure FDA00026132486400000315
为半角向量在顶点上的投影向量。
8.一种用于有限元模型的辐射渲染装置，其特征在于，包括：
模型构建单元，用于构建目标几何网格模型，并根据面元物理参数和热边界条件，计算得到目标表面面元温度分布数据；
模型修正单元，用于根据相邻面元的法线方向对所述几何网格模型修正，得到修正几何模型；
顶点映射单元，用于根据所述修正几何模型、所述面元温度分布数据及所述面元物理参数，得到目标顶点法线、顶点温度数据和顶点物理参数；
辐射计算单元，用于根据所述顶点法线、顶点温度数据和顶点物理参数，计算顶点自身辐射值和顶点反射辐射值；
渲染显示单元，用于根据所述顶点自身辐射值、顶点反射辐射值和修正几何模型，生成目标红外纹理，得到辐射渲染结果。
9.根据权利要求8所述的用于有限元模型的辐射渲染装置，其特征在于，所述模型修正单元用于执行以下操作：
遍历所述几何网络模型的共用顶点，判断所述共用顶点的相邻面元的法线方向是否相同，是则不做修正，否则将所述共用顶点拆分为n个具有相同坐标的同位置点，n为所述共用顶点的相邻面元的个数。
10.根据权利要求9所述的用于有限元模型的辐射渲染装置，其特征在于，所述顶点映射单元用于执行以下操作：
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的温度值赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的平均温度值赋值给该顶点；
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的法线方向赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的法线方向赋值给该顶点；
遍历所述修正几何模型的顶点，判断所述顶点是否为同位置点，是则将顶点所在面元的物理参数赋值给该顶点，否则将顶点的相邻面元的物理参数赋值给该顶点。
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