CN111899324A - 一种动态红外海面生成方法及软件系统和产品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于法线图和动态纹理坐标控制的动态红外海面生成方法，其特殊之处在于，基于海面纹理坐标动态控制的着色器算法实现海面的动态红外视景。本发明提出了一种基于法线图和动态纹理坐标控制的动态红外海面生成算法，通过对双重纹理坐标的动态控制实现了海面红外视景的动态仿真。采用该方法生成的海面红外视景效果比较逼真，帧率可达60Frame/s左右，满足实时仿真工程要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种动态红外海面生成方法及软件系统和产品，属于虚拟现实技术领域。
背景技术
传统的红海建模，是基于三角形的几何建模，这种方式的红海建模存在生成方法系统开销较大的问题。
利用软件系统进行建模，由于海洋的面积广大，影响海水温度的环境因素过于复杂，在工程计算时，一般直接采用经验值设置海水的温度，而不对其温度进行理论求解。另外，虽然海面作为目标背景计算其辐射时，往往可以作为漫射体处理，但以海洋为目标进行仿真时则需要考虑其镜面反射效应，而不能完全将其作为漫射体。由于海面具有波浪起伏的特性，海面红外视景仿真的动态性、逼真度与系统开销间的矛盾是工程中较难解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种基于法线图和动态纹理坐标控制的动态红外海面生成方法及软件系统和产品。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于法线图和动态纹理坐标控制的动态红外海面生成方法，其特征在于，基于海面纹理坐标动态控制的着色器算法实现海面的动态红外视景；
海面纹理坐标动态控制的着色器算法的具体过程是：在顶点着色器的一次访问中，根据一个每帧更新的坐标控制变量，同时更新计算两组不同的纹理坐标(st坐标)，两组不同的纹理坐标的效果是，形成X平面和Y平面随时间的相对运动变化。
根据这两组纹理坐标，将法线图直接作为海面纹理每帧进行渲染，海面将产生向两个方向持续的相对运动效果；将这两组纹理坐标作为易变变量(Varying)传给片元着色器，在片元着色器中，根据这两组纹理坐标分别采样法线图的像素，并进行混叠计算；
经过混叠计算获得的最终结果即为海面像素的法线向量；且得到的像素法线向量将是动态变化的；
最终根据像素的法线向量计算像素的红外辐射特性以及辐亮度，进而得到动态变化的像素灰度值。
在上述技术方案的基础上，本发明为了达到使用的方便以及装备的稳定性，还可以对上述的技术方案作出如下的改进：
进一步，所述的顶点着色器中增加太阳的辐射向量，在空间坐标系下定义太阳的辐射向量(LightPos)，并将其作为一致变量(Uniform)传递给顶点着色器；由于法线图的法线向量是在其切线空间中定义，我们在顶点着色器中将太阳辐射向量转换为切线空间向量后传给片元着色器，并在片元着色器中计算太阳反射；
视点向量同样被转换为切线空间向量后给片元着色器；
在片元着色器中计算太阳反射与视线的夹角，当夹角小于1/2视场角时，认为太阳反射进入视场，进而实现海面“光斑”视景的动态渲染，在海面上模拟光斑效果，该模拟采用通用的海面光斑实现方法就可以实现，即通过海面的面元进行动态渲染实现光斑。
进一步，需要注意的是，由于真实法向量元素的取值范围是[-1,1]，而法线图像素值(RGB方式存储)的范围是[0,1]，因此，在采样时必须进行数值转换，关系为，
norsamplei＝2xi-1,i＝0,1,2，
其中，x是法线图像素的RGB值，norsample为转换后的法线向量元素值。采用基于法线图和动态纹理坐标控制的动态红外海面生成方法，实现大面积海面红外视景中的海面调度策略；
根据视点即探测器位置、场景中心点位置以及视场边界制定海面模块的调度策略，以提高系统的效率；模块的调度包括模块的位移和模块的扩展，具体调度策略如下：
(1)模块位移：当探测器水平运动或探测器视线方向存在水平角度变化时，海面在视场中的面积不变，此时要对模块进行位移，为海面模块添加transform节点，并实时检测视点和场景中心点的位置，根据位置的变化，通过计算转移矩阵更新transform节点，从而实现模块位移；
(2)模块的扩展：当探测器高度发生改变或探测器视野存在俯仰角度变化时，海面在视场中的面积可能发生变化，此时除了需要对模块进行位移变换外，还实时检测视场边界是否超出海面模块边界，一旦视场边界超出模块边界，则以当前模块为中心在其周围添加模块进行模块扩展。
为防止扩展模块在渲染时“突然出现”，在边界检测时，阈值设置应该有提前量，即视场边界快要超出模块边界时就进行模块扩展，扩展后的模块可同样根据视点和场景中心点的位置变化进行位移变换。
同时，根据上述基于法线图和动态纹理坐标控制的动态红外海面生成方法设计相应的软件产品和软件系统。
本发明的优点在于：提出了一种基于法线图和动态纹理坐标控制的动态红外海面生成算法，通过对双重纹理坐标的动态控制实现了海面红外视景的动态仿真。采用该方法生成的海面红外视景效果比较逼真，帧率可达60Frame/s左右，满足实时仿真工程要求。
附图说明
图1为红外海面矩形模块；
图2为模块调度流程图；
图3为海面法线图；
图4为海面微面元反射示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
以海面的法线图纹理作为生成海面红外视景的基础，采用一种基于海面纹理坐标动态控制的着色器算法实现了海面的动态红外视景。算法是：在顶点着色器的一次访问中，根据一个每帧更新的坐标控制变量，同时更新计算两组不同的纹理坐标(st坐标)。如果根据这两组坐标将法线图直接作为海面纹理每帧进行渲染，海面将产生向两个方向持续的相对运动效果。将这两组纹理坐标作为易变变量(Varying)传给片元着色器，在片元着色器中，根据这两组纹理坐标分别采样法线图的像素，并进行混叠计算。混叠计算的最终结果即为海面像素的法线向量。这样得到的像素法线向量将是动态变化的。最终根据像素的法线向量计算像素的红外辐射特性以及辐亮度，进而得到动态变化的像素灰度值。
工程实际中，在空间坐标系下定义太阳的辐射向量(LightPos)，并将其作为一致变量(Uniform)传递给顶点着色器。由于法线图的法线向量是在其切线空间中定义，在顶点着色器中将太阳辐射向量转换为切线空间向量后传给片元着色器，并在片元着色器中计算太阳反射。视点向量同样被转换为切线空间向量后给片元着色器。在片元着色器中计算太阳反射与视线的夹角，当夹角小于1/2视场角时，认为太阳反射进入视场，进而实现海面“光斑”视景的动态渲染，在海面上模拟光斑效果。
由于真实法向量元素的取值范围是[-1,1]，而法线图像素值(RGB方式存储)的范围是[0,1]，因此，在采样时必须进行数值转换，关系为
norsamplei＝2xi-1,i＝0,1,2，
其中，x是法线图像素的RGB值，norsample为转换后的法线向量元素值。图1给出了构成海面视景的红外海面矩形模块。
其中，大面积海面红外视景中的海面调度策略：
在三维视景仿真中，海面的红外效果是由矩形海面红外模块实现的。仿真实验表明，当海面纹理尺寸过大时，将严重影响海面着色器的渲染效率。因此，在仿真工程中，海面场景由多个海面矩形模块拼接组成(参见图1)。
根据视点(探测器位置)、场景中心点位置以及视场边界制定了海面模块的调度策略，以提高系统的效率(参见图2)。模块的调度包括模块的位移和模块的扩展，具体调度策略如下：
(1)模块位移：当探测器水平运动或探测器视线方向存在水平角度变化时，海面在视场中的面积不变，此时要对模块进行位移。为海面模块添加transform节点，并实时检测视点和场景中心点的位置。根据位置的变化，通过计算转移矩阵更新transform节点，从而实现模块位移。
(2)模块的扩展：当探测器高度发生改变或探测器视野存在俯仰角度变化时，海面在视场中的面积可能发生变化。此时除了需要对模块进行位移变换外，还应实时检测视场边界是否超出海面模块边界。一旦视场边界超出模块边界，则以当前模块为中心在其周围添加模块进行模块扩展。为防止扩展模块在渲染时“突然出现”，在边界检测时，阈值设置应该有提前量，即视场边界快要超出模块边界时就进行模块扩展。扩展后的模块可同样根据视点和场景中心点的位置变化进行位移变换。
模块调度策略的流程图如图2所示。当视场边界小于边界检测阈值时，采用RemoveChild命令销毁扩展模块。
采用计算机生成海面几何波形，并根据红外理论渲染面元颜色的方法进行海面红外仿真。这类方法将产生大量的几何三角形，并且海面效果越精细，三角形越多。对于构建大面积海洋环境，这将产生较大的系统开销，对计算机的图形处理能力有很高的要求。实际上，真实视景中，海浪的空间结构特征并不明显。并且从计算机视觉角度上讲，人眼对带有凸凹特性的海面纹理更为敏感。提出了一种基于法线图和纹理坐标控制的动态红外海面生成方法，实现了海面红外背景的动态仿真。
法线图(normal map)是凸凹贴图(Bump map)的一种，最早由Jimblinn于1978年提出。它的每个像素中直接存储了对应像素的法线向量值(如图3所示)，在视觉上能够较好的表现物体表面的凸凹起伏状态和程度。我们在着色器中，根据海面法线图的采样值计算海面的红外辐亮度和辐射特性。海面几何模型采用矩形平面，从而节省了系统开销。着色器基于GPU运算，能够提高场景的图形处理速度。
在视景中，动态的海面波浪可看做是海面像素值的动态变化。由于海面法线图像素蕴含了海面上某一点的高程和坡度信息，其像素值的变化对应了海面某点(微元)法线方向的变化。这种变化不仅产生了海面波动的真实感，还改变了海面微元的辐射特性和辐射方向，最终导致探测器接收的辐亮度发生变化。
海面的红外辐射主要包括海面的本征辐射和海面对环境辐射的反射。对于存在波浪起伏的海面，其本征辐亮度Iself可由下式计算。
上式中，λ1与λ2分别为波段的上下限，本文为3～5μm的中波段。C1和C2分别为第一和第二辐射常数，T为海水温度，ε为海面的发射率。由于天空辐射方向来自四面八方，为简化计算，可采用海面平均反射率计算海面反射的天空辐亮度，如下式所示。
上式中，Isea-sky为海面对天空的反射辐亮度，
为海面对天空辐射的平均反射率，Esky为中波段天空辐照度，可由普朗克定律或MODTRAN计算。
太阳辐射是环境辐射中的主要辐射源。实际上，在中波段红外海面视景中，太阳辐射会可能会在海面上的一定区域形成“光斑”。这主要是由太阳辐射到达海面后产生镜面反射形成的。因此，计算海面太阳反射辐射时，海面不能作为漫射体，即海面的红外辐射特性(海面发射率ε和反射率ρ)并不是一个定值，而是与太阳光入射角度有关。因此，不能根据海面的太阳辐照度由朗伯定律计算其反射的太阳辐亮度值。海面对太阳的反射辐亮度如下式所示。
Isea-sun＝ρIsun，
其中ρ为海面反射率，Isun为太阳的中波段辐亮度。一般来说，太阳本身作为黑体，可根据普朗克定律和朗伯定律计算其辐亮度，如下式所示。
公式中，P为大气透明度系数，Ts为太阳的黑体辐射温度，取5600K。这样，探测器接收的海面总辐亮度可由下式计算，其中τ为中波段大气的透过率。
Isea＝τ(Iself+Isea-sky+Isea-sun)，
研究表明，海浪的起伏、风速等因素都会对海面红外辐射特性产生影响，并且这种影响是不能忽略的。漫反射灰体模型和平静海面模型等简化辐射特性模型对于较精确的海面红外仿真显然是不适用。采用Cox-Munk模型计算海面反射率ρ。Cox-Munk模型的海面微元反射示意图如图4所示。
图4中，θi与θf分别是入射和反射天顶角，φi和φf分别为入射和反射方位角，
为海面面元法向矢量，β为微面元法线与水平面法线的夹角。根据Cox-Munk模型，海面微元在x和y方向的斜率分别表示为
sx＝-tanβcosφi，sy＝-tanβsinφi
作为一级近似，sx和sy满足的概率分布为
上式中，坡度方差σ2可由公式计算。
2σ2＝0.003+0.00512w
这样，Cox-Munk反射率的分布函数可表示为
上式中，ρ⊥，ρ//分别为水平极化和垂直极化时的Fresnel反射系数，可由Fresnel反射定理求得。θi，θf为入射和反射方向的天顶角，φf为反射方位角，S*为遮蔽效应系数。公式中，
其中，χ为入射方向与海面微元法线的夹角，上式中，
其中，n和k为海水折射率的实部和虚部。在3-5μm波段，n取1.3644，k取0.0747。8-12μm波段，n取1.198，k取0.09。考虑到风速影响，风速w≤13m/s时，该模型具有较高的精度。遮蔽效应系数S*由公式计算。
上式中，
v＝σ-1tanη
其中，η是探测器的俯仰角，σ为坡度标准差，erf(v)为误差函数，且有
这样，将海洋作为不透明体，对于每一个微面元，其发射率ε可由公式计算。
ε＝1-ρ
显然，Cox-Munk反射率分布函数是双向反射分布函数，在入射辐射已知的条件下，它与反射天顶角θf、方位角φf、微面元、水平面的夹角β以及入射方向与海面微元法线的夹角χ有关。由于它们都可根据微面元法线求解，因此海面微元的辐射特性又可认为与面元的法线方向有关。由于海面存在动态起伏，面元的法线方向是动态变化的，这将影响面微元的辐射特性。因此，动态海面的辐亮度计算必须考虑海面微元法线方向的动态变化。
同时，根据上述基于法线图和动态纹理坐标控制的动态红外海面生成方法设计相应的软件产品和软件系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一动态红外海面生成方法，其特征在于，基于海面纹理坐标动态控制的着色器算法实现海面的动态红外视景；
海面纹理坐标动态控制的着色器算法的具体过程是：在顶点着色器的一次访问中，根据每帧更新的坐标控制变量，同时更新计算两组不同的纹理坐标，
根据这两组纹理坐标，将法线图直接作为海面纹理每帧进行渲染，海面将产生向两个方向持续的相对运动效果；将这两组纹理坐标作为易变变量传给片元着色器，在片元着色器中，根据这两组纹理坐标分别采样法线图的像素，并进行混叠计算；
经过混叠计算获得的最终结果即为海面像素的法线向量；且得到的像素法线向量将是动态变化的；
最终根据像素的法线向量计算像素的红外辐射特性以及辐亮度，进而得到动态变化的像素灰度值。
2.根据权利要求1所述的动态红外海面生成方法，其特征在于，所述的顶点着色器中增加太阳的辐射向量，在空间坐标系下定义太阳的辐射向量，并将其作为一致变量传递给顶点着色器；由于法线图的法线向量是在其切线空间中定义，我们在顶点着色器中将太阳辐射向量转换为切线空间向量后传给片元着色器，并在片元着色器中计算太阳反射；
视点向量同样被转换为切线空间向量后给片元着色器；
在片元着色器中计算太阳反射与视线的夹角，当夹角小于1/2视场角时，在海面上模拟光斑效果。
3.根据权利要求1所述的动态红外海面生成方法，其特征在于，由于真实法向量元素的取值范围是[-1,1]，而法线图像素值的范围是[0,1]，因此，在采样时进行数值转换，关系为，
norsamplei＝2xi-1,i＝0,1,2，
其中，x是法线图像素的RGB值，norsample为转换后的法线向量元素值。
4.根据权利要求1所述的动态红外海面生成方法，其特征在于，所述的法线图像素值以RGB方式存储。
5.根据权利要求1所述的动态红外海面生成方法，其特征在于，采用基于法线图和动态纹理坐标控制的动态红外海面生成方法，实现大面积海面红外视景中的海面调度策略；
根据视点即探测器位置、场景中心点位置以及视场边界制定海面模块的调度策略，以提高系统的效率；模块的调度包括模块的位移和模块的扩展，具体调度策略如下：
(1)模块位移：当探测器水平运动或探测器视线方向存在水平角度变化时，海面在视场中的面积不变，此时要对模块进行位移，为海面模块添加transform节点，并实时检测视点和场景中心点的位置，根据位置的变化，通过计算转移矩阵更新transform节点，从而实现模块位移；
(2)模块的扩展：当探测器高度发生改变或探测器视野存在俯仰角度变化时，海面在视场中的面积可能发生变化，此时除了需要对模块进行位移变换外，还实时检测视场边界是否超出海面模块边界，一旦视场边界超出模块边界，则以当前模块为中心在其周围添加模块进行模块扩展。
6.根据权利要求5所述的动态红外海面生成方法，其特征在于，为防止扩展模块在渲染时“突然出现”，在边界检测时，阈值设置应该有提前量，即视场边界快要超出模块边界时就进行模块扩展，扩展后的模块可同样根据视点和场景中心点的位置变化进行位移变换。
7.一种动态红外海面生成的软件系统，其特征在于，使用权利要求1-6任意一种动态红外海面生成方法制作的软件系统。
8.一种动态红外海面生成的软件产品，其特征在于，使用权利要求1-6任意一种动态红外海面生成方法制作的软件产品。
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| 红外物理实验指导书编委: "红外物理实验指导书", 30 June 2020, 红外物理实验指导书出版, pages: 15 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112907720A (zh) * | 2021-02-08 | 2021-06-04 | 中国海洋大学 | 一种面向真实感绘制的海冰数据可视化方法及装置 |
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