CN113470135A - 海面仿真图像的生成方法、装置和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本公开公开了海面仿真图像的生成方法、装置和电子设备，涉及计算机技术领域。具体实现方案为：构建投影空间坐标系下的网格，以及从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略；获取海面在各个时间点的海面高度场数据，并生成投影空间坐标系下的海面高度场数据；获取海面的红外辐射数据以及海面的舰船辐射数据，并生成投影空间坐标系下的辐射数据；获取海面上舰船的艏浪以及尾迹数据，并根据艏浪以及尾迹数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的艏浪以及尾迹数据；根据投影空间坐标系下的海面高度场数据、辐射数据、艏浪以及尾迹数据、网格，生成投影空间坐标系下的海面仿真图像。由此，实现了准确生成真实的舰船场景的海面仿真图像。
Description
技术领域
本公开涉及计算机技术领域，尤其涉及海面仿真图像的生成方法、装置和电子设备。
背景技术
投影网格，是一种在投影空间创建的网格，以投影网格为基础，可以创建真实的海面模型，以生成海面仿真图像。
然而，海面上经常存在舰船，如何生成准确、真实的舰船场景的海面仿真图像，是研究海面目标和海洋背景下红外对抗等的重要研究方向。
发明内容
本公开提供了一种海面仿真图像的生成方法、装置、电子设备以及存储介质，以准确生成真实的舰船场景的海面仿真图像。
根据本公开的一方面，提供了一种海面仿真图像的生成方法，包括：构建投影空间坐标系下的网格，以及从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略；获取海面在各个时间点的海面高度场数据，并根据所述海面高度场数据、所述坐标转换策略，生成所述投影空间坐标系下的海面高度场数据；获取海面的红外辐射数据以及所述海面的舰船辐射数据，并根据所述红外辐射数据、所述舰船辐射数据、所述坐标转换策略，生成所述投影空间坐标系下的辐射数据；获取海面上舰船的艏浪以及尾迹数据，并根据艏浪以及尾迹数据、所述坐标转换策略，生成所述投影空间坐标系下的艏浪以及尾迹数据；根据所述投影空间坐标系下的海面高度场数据、所述辐射数据、艏浪以及尾迹数据、所述网格，生成所述投影空间坐标系下的海面仿真图像。
根据本公开的另一方面，提供了一种海面仿真图像的生成装置，包括：构建模块，用于构建投影空间坐标系下的网格，以及从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略；第一生成模块，用于获取海面在各个时间点的海面高度场数据，并根据所述海面高度场数据、所述坐标转换策略，生成所述投影空间坐标系下的海面高度场数据；第二生成模块，用于获取海面的红外辐射数据以及所述海面的舰船辐射数据，并根据所述红外辐射数据、所述舰船辐射数据、所述坐标转换策略，生成所述投影空间坐标系下的辐射数据；第三生成模块，用于获取海面上舰船的艏浪以及尾迹数据，并根据艏浪以及尾迹数据、所述坐标转换策略，生成所述投影空间坐标系下的艏浪以及尾迹数据；第四生成模块，用于根据所述投影空间坐标系下的海面高度场数据、所述辐射数据、艏浪以及尾迹数据、所述网格，生成所述投影空间坐标系下的海面仿真图像。
根据本公开的另一方面，提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行第一方面所述的海面仿真图像的生成方法。
根据本公开的另一方面，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上所述的第一方面的海面仿真图像的生成方法。
根据本公开的另一方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现如上所述的第一方面的海面仿真图像的生成方法。
本申请公开的技术方案，具体如下有益效果：
通过基于投影空间坐标系下的海面高度场数据、辐射数据、艏浪以及尾迹数据、投影空间坐标系下的网格，生成投影空间坐标系下的海面仿真图像，实现了准确生成真实的舰船场景的海面仿真图像。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：
图1是根据本公开第一实施例的海面仿真图像的生成方法的流程示意图；
图2是MVP变换过程的示意图；
图3是世界空间中的位置与投影空间的位置之间的关系的示意图；
图4是根据本申请第二实施例的获取海面在各个时间点的海面高度场数据的方法的流程示意图；
图5是根据本申请第三实施例的获取海面的红外辐射数据以及海面的舰船辐射数据的方法的流程示意图；
图6是海面物体辐射的反射实现方法的示意图；
图7是根据本申请第四实施例的获取海面上舰船的艏浪以及尾迹数据的方法的流程示意图；
图8是根据本公开第三实施例的海面仿真图像的生成装置的结构示意图；
图9是用来实现本公开实施例的海面仿真图像的生成方法的电子设备的框图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
相关技术中，如何生成准确、真实的舰船场景的海面仿真图像，是研究海面目标和海洋背景下红外对抗等的重要研究方向。
本申请为了准确生成真实的舰船场景的海面仿真图像，提出了一种海面仿真图像的生成方法、装置、电子设备、存储介质和计算机程序产品。
本申请提供的海面仿真图像的生成方法中，首先构建投影空间坐标系下的网格，以及从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略，再获取海面在各个时间点的海面高度场数据，并根据海面高度场数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的海面高度场数据，获取海面的红外辐射数据以及海面的舰船辐射数据，并根据红外辐射数据、舰船辐射数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的辐射数据，获取海面上舰船的艏浪以及尾迹数据，并根据艏浪以及尾迹数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的艏浪以及尾迹数据，进而根据投影空间坐标系下的海面高度场数据、辐射数据、艏浪以及尾迹数据、网格，生成投影空间坐标系下的海面仿真图像。由此，通过综合利用投影空间坐标系下的海面高度场数据、辐射数据、艏浪以及尾迹数据、网格，生成投影空间坐标系下的海面仿真图像，实现了准确生成真实的舰船场景的海面仿真图像。
下面参考附图描述本申请实施例的海面仿真图像的生成方法、装置、电子设备、存储介质和计算机程序产品。
首先结合图1，对本申请实施例提供的海面仿真图像的生成方法进行详细说明。
图1是根据本申请第一实施例的海面仿真图像的生成方法的流程示意图。其中，需要说明的是，本实施例提供的海面仿真图像的生成方法的执行主体为海面仿真图像的生成装置，该海面仿真图像的生成装置可以为电子设备，也可以被配置在电子设备中，以准确生成真实的舰船场景的海面仿真图像。
如图1所示，该海面仿真图像的生成方法可以包括以下步骤：
步骤101，构建投影空间坐标系下的网格，以及从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略。
可以理解的是，投影网格，是一种在投影空间(也称为投影空间坐标系)中创建的网格。这种网格与在世界空间(也称为世界空间坐标系)内构建的网格存在着本质差别。在计算机图形学中，为了能够在投影空间进行操作，则需要经过世界变换、视点变换、投影变换。这三种变换在变换的同时，完成了物体空间坐标系到投影空间坐标系(也称为裁剪空间坐标系)的转换。在GPU(Graphics Processing Unit，图形处理器)的渲染管线中，通常使用MVP来表示海面模型的变换过程。其中，由于四个不同的空间可以借助Mworld、Mview和Mproject这三个矩阵来进行操作，因此变换过程简称为MVP操作。
其中，参考图2可知，MVP变换过程具体为，利用Mworld矩阵进行世界变换，从物体空间(也称为物体空间坐标系)转换到世界空间，利用Mview矩阵进行视点变换，从世界空间转换到视点空间(也称为视点空间坐标系)，利用Mproject矩阵进行投影变换，从视点空间转换到投影空间。
在本申请实施例中，可以构建投影空间坐标系下的网格即投影网格，以及从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略，从而利用坐标转换策略，实现世界空间坐标系中的位置到投影空间坐标系中的位置的转换，以基于投影空间坐标系下的网格，生成海面仿真图像。
可以理解的是，参考图3所示的世界空间中的位置与投影空间中的位置之间的关系可知，构建投影空间坐标系下的网格时，投影网格的生成与摄像机的位置有关。在海洋场景中，当摄像机朝向海面时，投影网格能够正确转换到世界空间，但是当摄像机与水平面的夹角大于90度或是摄像机朝向天空时，世界空间中网格与水平面的交点就无法正确求出，从而摄像机中会出现网格的边缘，这种现象称之为“逆火”现象。
为了在基于投影网格生成海面仿真图像时，避免出现“逆火”现象，需要限制摄像机的朝向和位置，然而在生成海面仿真图像时，需要摄像机的视点的朝向是自由的，即当摄像机朝向天空时，海面网格也应该能够被正确渲染，从而得到正确的海面仿真图像。这两个要求显然是矛盾的。
本申请实施例中，为了在基于投影网格生成海面仿真图像时避免出现“逆火”现象，可以设置一个主摄像机和一个辅助摄像机，辅助摄像机与水平面的夹角小于预设角度阈值，辅助摄像机和主摄像机的本质相同，仅是功能不同，通过限制辅助摄像机的朝向和位置，以确定从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略，以使投影网格能够投影到世界空间，而利用主摄像机实现其它功能，由于辅助摄像机与水平面的夹角小于预设角度阈值，从而避免了“逆火”现象的发生，且由于主摄像机的视点的朝向不受限制，从而海面网格能够被正确渲染，得到正确的海面仿真图像。
即，步骤101可以通过以下方式实现：
构建投影空间坐标系下的网格；
设置与水平面的夹角小于预设角度阈值的辅助摄像机，并根据辅助摄像机的位置和朝向，确定从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略。其中，预设角度阈值可以为90度。
在示例性实施例中，可以先根据辅助摄像机的位置和朝向，确定从世界空间坐标系到视点空间坐标系的第一坐标转换策略，再确定从视点空间坐标系到投影空间坐标系下的第二坐标转换策略，进而根据第一坐标转换策略和第二坐标转换策略，生成从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略。
步骤102，获取海面在各个时间点的海面高度场数据，并根据海面高度场数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的海面高度场数据。
步骤103，获取海面的红外辐射数据以及海面的舰船辐射数据，并根据红外辐射数据、舰船辐射数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的辐射数据。
步骤104，获取海面上舰船的艏浪以及尾迹数据，并根据艏浪以及尾迹数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的艏浪以及尾迹数据。
步骤105，根据投影空间坐标系下的海面高度场数据、辐射数据、艏浪以及尾迹数据、网格，生成投影空间坐标系下的海面仿真图像。
在示例性实施例中，可以先获取海面在各个时间点的海面高度场数据、海面的红外辐射数据以及海面的舰船辐射数据、海面上舰船的艏浪以及尾迹数据，而获取的这些数据是世界空间坐标系下的，为了生成投影空间坐标系下的海面仿真图像，需要将世界空间坐标系下的这些数据，转换为投影空间坐标系下的数据，而由于坐标转换策略，可以实现世界空间坐标系下的位置信息，与投影空间坐标系下的位置信息之间的转换，那么，本申请实施例中，获取海面在各个时间点的海面高度场数据、海面的红外辐射数据以及海面的舰船辐射数据、海面上舰船的艏浪以及尾迹数据后，可以根据海面高度场数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的海面高度场数据，根据红外辐射数据、舰船辐射数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的辐射数据，根据艏浪以及尾迹数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的艏浪以及尾迹数据，进而可以根据投影空间坐标系下的海面高度场数据、辐射数据、艏浪以及尾迹数据、网格，生成投影空间坐标系下的海面仿真图像。
根据本申请实施例提供的海面仿真图像的生成方法，首先构建投影空间坐标系下的网格，以及从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略，再获取海面在各个时间点的海面高度场数据，并根据海面高度场数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的海面高度场数据，获取海面的红外辐射数据以及海面的舰船辐射数据，并根据红外辐射数据、舰船辐射数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的辐射数据，获取海面上舰船的艏浪以及尾迹数据，并根据艏浪以及尾迹数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的艏浪以及尾迹数据，进而根据投影空间坐标系下的海面高度场数据、辐射数据、艏浪以及尾迹数据、网格，生成投影空间坐标系下的海面仿真图像。由此，通过综合利用投影空间坐标系下的海面高度场数据、辐射数据、艏浪以及尾迹数据、网格，生成投影空间坐标系下的海面仿真图像，实现了准确生成真实的舰船场景的海面仿真图像。
下面结合图4，对本申请实施例中获取海面在各个时间点的海面高度场数据的方法进行说明。
图4是根据本申请第二实施例的获取海面在各个时间点的海面高度场数据的方法的流程示意图。
如图4所示，海面仿真图像的生成方法中，获取海面在各个时间点的海面高度场数据的方法，可以包括以下步骤：
步骤401，获取世界空间坐标系下的海面初始波浪参数。
其中，海面初始波浪参数，可以理解为海面平静时网格中各个网格点处的海面高度等参数。
步骤402，结合海浪谱和快速傅里叶变换算法对世界空间坐标系下的海面初始波浪参数进行处理，以生成各个时间点的海面高度场数据。
在示例性实施例中，步骤402的具体实现过程为：确定海浪谱；根据海浪谱，对世界空间坐标系下的海面初始波浪参数进行处理，以得到各个时间点的海面波幅数据；对各个时间点的海面波幅数据进行快速傅里叶变换处理，得到各个时间点的海面高度场数据。
其中，快速傅里叶变换(FFT)算法，可以快速完成时域数据与频域数据之间的转换。
其中，快速傅里叶变换算法的表达式可以为以下公式(1)的形式。
其中，h(X,t)表示海面的高度场，它是二维水平坐标X＝(x,z)和时间t的函数，表示t时刻下，水平位置(x,z)处的垂直高度。
表示傅里叶因子，决定了波浪表面结构，其中，波浪表面结构即所要应用的海浪谱。K表示波矢量，i表示虚数单位，即-1的平方根，k表示波数。
具体是波矢量K＝(kx,kz)和时间t的复数函数。
其中，当平面的采样点数为M*N，尺度为Lx*Ly时，kx＝2πm/Lx,kz＝2πm/Ly，其中
-M/2≤m<M/2。
由于涉及到复数运算，根据欧拉公式，可以将傅里叶因子
转化为如下公式(2)所示。
其中，w(k)表示波数k和频率的关系，含义为海洋学中的关于波的弥散关系。
波的弥散关系与海面的高度有关，在浅水时，可表示为以下公式(3)。
w2(k)＝tanh(kd)gk
(3)
其中，g表示重力加速度，为9.8m/s2；tanh表示双曲正切函数；d表示水面的高度。
当在深水时，波的弥散关系则表示为以下公式(4)。
w2(k)＝gk
(4)
本申请中要构建大规模的海洋场景，因此波浪的运动更多的是深水区域的波浪特性，因此本申请实施例中使用公式(4)所示的深水时的弥散关系。
另外，
与
互为共轭关系，具体定义如以下公式(5)所示。
其中，ξr和ξi是相互独立的高斯随机数，ξr和ξi的范围是[0,1]。Ph(K)表示要应用的海浪谱，不同的海浪谱会产生不同的波浪运动状态，具体在真实感上会有所差别。
通过上面的公式(1)-(5)可以完成快速傅里叶变换算法中频域与时域数据的转化，从而完成根据海浪谱对世界空间坐标系下的海面初始波浪参数进行处理，以及对各个时间点的海面波幅数据进行快速傅里叶变换处理，从而快速地将海浪谱中的高度数据成功叠加到网格顶点上，使平面的高低起伏与真实波浪运动效果相一致。
可以理解的是，海洋场景模拟的真实与否关键在于海面波浪运动是否与真实环境相接近，而决定波浪运动真实感的本质在于波浪建模时的海浪谱选择，不同的海浪谱会产生不同的波浪运动状态，具体在真实感上会有所差别。
在真实环境中，波浪运动受多种环境因素的影响，不同天气下，仅仅风力和风向的不同，就能大幅改变海面的波浪运动状态。因此对大规模海洋场景的渲染工作而言，选择较为合适的海浪谱进行波浪建模是模拟出复杂多变的波浪运动效果的关键。同时，在前述实施例中也提到了
决定了水面波浪的结构。
在示例性实施例中，可以只单纯考虑风对波浪的影响，来确定海浪谱。相应的，可以通过以下方式确定海浪谱：
确定海面上的风速数据；
根据风速数据以及海浪谱公式，生成海面上的海浪谱。
其中，风速数据包括风向和风速大小。海浪谱公式，可以根据需要设置。
在示例性实施例中，通过对大量海面浮标、照片和雷达测量数据的统计分析，可以得到结论：
可以近似地看成独立的、统计不变的并且符合正态分布的空间谱。因此，在渲染海面波浪时，只单纯考虑风对波浪的影响时，可选择Phillips频谱来作为海浪谱，即将Phillips频谱的表示式作为海浪谱公式，从而进行FFT算法的转换。
其中，Phillips频谱具体表示为以下公式(6)，即海浪谱公式具体为公式(6)所示。
其中，Ph(K)表示海浪谱；A为常数，具体为对整个波浪高度产生影响的常数；L＝v2/g表示持续风速为v的风在海面上产生的最大海浪波长；W是风力的方向向量，表示风速数据中的风向；v表示风速数据中的风速大小；g重力加速度；k表示波数。
通过上述过程，即可生成各个时间点的海面高度场数据，进而可以基于生成的各个时间点的海面高度场数据生成海面仿真图像。由于利用海浪谱和快速傅里叶变换算法进行海浪谱的快速采样和转换，不需要完全按照物理规律进行渲染计算，进行波浪建模时的计算复杂度不高，保证了海浪仿真图像生成的效率。进而能够保证生成大规模海洋场景的海浪仿真图像时的实时性和真实性。
下面结合图5，对本申请实施例中获取海面的红外辐射数据以及海面的舰船辐射数据的方法进行说明。
图5是根据本申请第三实施例的获取海面的红外辐射数据以及海面的舰船辐射数据的方法的流程示意图。
如图5所示，海面仿真图像的生成方法中，获取海面的红外辐射数据以及海面的舰船辐射数据的方法可以包括以下步骤：
步骤501，针对海面上的各个点，在点未存在舰船时，获取点的红外辐射数据，在点存在舰船时，获取点的舰船辐射数据。
可以理解的是，对于海面的相同点，存在被物体遮挡和未被物体遮挡两种情况，在被物体遮挡时，即海面的该点存在舰船时，该点处的辐射数据为海面的舰船辐射数据，而在该点未被物体遮挡时，即海面的该点不存在舰船时，该点处的辐射数据为海面上该点的红外辐射数据。
那么，本申请实施例中，在获取海面的红外辐射数据以及海面的舰船辐射数据时，可以先根据倒影纹理进行遮挡关系判断，在某个点的倒影纹理不为空时，即该点存在舰船时，获取点的舰船辐射数据，在某个点的倒影纹理为空时，即该点未存在舰船时，获取点的红外辐射数据。
在示例性实施例中，针对海面上的各个点，可以假定海面为多个薄层构成的表面，进而根据海面的自身反射及对外部热源的反射与折射，来确定点的红外辐射数据。
具体的，本申请实施例中，可以假定海面为多个薄层构成的表面，进而结合海面对大气的净辐射功率、海面与大气的净传热功率、海面薄层对下一薄层的净传热功率，确定点的红外辐射数据。
考虑到海面温度通常受到太阳辐射、天空辐射、海面与大气的传热影响，在示例性实施例中，结合海面对大气的净辐射功率、海面与大气的净传热功率、海面薄层对下一薄层的净传热功率，确定点的红外辐射数据的过程具体可以为：结合海面对大气的净辐射功率、海面与大气的净传热功率、海面薄层对下一薄层的净传热功率、以及热平衡方程，确定外部辐射数据；根据外部辐射数据、太阳辐射反射方向与摄像机朝向反向延长线的夹角，确定点的红外辐射数据。
其中，在海面为多个薄层构成的表面的假定下，热平衡方程为以下公式(7)所示。
Isea+Wair+Wlayer＝Esun+Esky
(7)
其中，Isea表示海面对大气的净辐射功率；Wair表示海面与大气的净传热功率；Wlayer表示海面薄层对下一薄层的净传热功率；Esun和Esky和分别表示太阳辐射与天空辐射在海面处的辐照度，Esun和Esky的和表示外部辐射数据。
其中，海面对大气的净辐射功率Isea可以通过以下公式(8)得到。
公式(8)中，Ts与Tair分别表示海面温度与大气温度，εs和εair表示海面与大气的发射率，σ表示斯特藩-玻尔兹曼常量。其中，对于海面发射率的计算，在简便计算时可直接取εs等于0.98，而在对精度有一定要求的情形下，海面发射率应当采用经验公式，通过以下公式(9)计算得到。
εs＝0.98*[1(1-cosθ’)5]
(9)
其中，θ’为海面法向与竖直方向的夹角，上式(9)表示海面对不同方向的发射率存在差异。
Wair表示有海面水分蒸发及界面处传热带来的传热功率，其可由以下公式(10)计算得到。
Wair＝0.03674*(1+R)(1-r)u*e
(10)
其中，e表示饱和蒸汽压,u表示为风速，r表示相对湿度，R表示鲍恩比，其中鲍恩比为水与气界面处由于直接传热和蒸发传热引起的热量交换之比，对于海洋表面，可取鲍恩比为0.1。
Wlayer可以通过以下公式(11)计算得到。
Wlayer＝Cpw(Ts-Tl)
(11)
其中，C表示海水的比热，其可以取值为4096J*kg-1C-1，p表示海水的密度，其可以取值为1.03*103kg*m-3；w表示海水的对流速度，其可以取值为1.5*10-6m*s-1；Ts与Tl分别为当前层温度与下一层温度。
通过上述公式(8)-(11)，可以计算得到海面对大气的净辐射功率、海面与大气的净传热功率、海面薄层对下一薄层的净传热功率，进而将海面对大气的净辐射功率、海面与大气的净传热功率、海面薄层对下一薄层的净传热功率，代入上述热平衡方程(7)，即可确定外部辐射数据。
进一步的，可以根据外部辐射数据、太阳辐射反射方向与摄像机朝向反向延长线的夹角，确定点的红外辐射数据。
在示例性实施例中，可以通过以下计算公式(12)，确定点的红外辐射数据。
L＝Lself+Lreflex＝εseaσT4cosθ+pdEexternal*cosθ+psEexternal*cosnα (12)
其中，T表示海洋表层温度，在海洋表层各处均一；θ表示海洋某处法向与摄像机朝向反向延长线的夹角；α表示太阳辐射反射方向与摄像机朝向反向延长线的夹角；εsea表示是海面发射率；σ表示斯特藩-玻尔兹曼常量；pd和ps分别表示海水对外部辐射的漫反射和镜面反射率，分别取值为0.02与0.03；Eexternal表示Esun和Esky的和；n为预设值。
通过上述过程，即可确定点的红外辐射数据。
在示例性实施例中，针对海面上的各个点，可以通过以下方式，获取点的舰船辐射数据。
可以理解的是，海面上存在的主要物体是舰船，很多舰船由于内部存在提供动力的热源，具有明显的红外特征，因此，舰船本身的对外辐射化会构成海面红外辐射中外部辐射源的重要部分。而舰船辐射的海面反射有两个随机因素，首先是舰船处在不同工作状态和不同环境中时，其温度场分布是不同的，对于海面而言无法预先计算得知；其次，舰船的运动状态具有随机性。对于海面上的各个点的舰船辐射数据，本申请利用可见光倒影生成的思路，通过构建海面上舰船的辐射倒影纹理，在海面计算时实时对纹理采样获取相应点的辐射强度，从而获取海面上各个点的舰船辐射数据。
在示例性实施例中，可以通过以下方式，获取各个点的舰船辐射数据：获取海面上舰船的倒影数据；根据海面的法向对倒影数据进行差值处理，以获取海面的各点上符合反射规律的辐射强度数据；根据海面的各点上符合反射规律的辐射强度数据，生成海面上各个点的舰船辐射数据。
其中，舰船的倒影数据，可以包括倒影图像以及倒影纹理等数据。
在示例性实施例中，参考图6所示的海面物体辐射的反射实现方法的示意图，可以通过以下方式获取海面上舰船的倒影数据：
确定摄像机和舰船各自的朝向，及摄像机和舰船分别所处位置的海面高度，其中，此处的摄像机指前述实施例中的主摄像机；将舰船所处的海面高度平面作为对称面，在主摄像机下方构建一个镜像摄像机，其中，镜像摄像机的平面位置与主摄像机相同，镜像摄像机的高度及视口朝向与主摄像机相对于海面对称，例如图6中主摄像机的视口朝向与海面的夹角，与镜像摄像机的视口朝向与海面的夹角相同；同时，将镜像摄像机的绘制管线设置为仅渲染目标舰船。
由此，镜像摄像机所获取的舰船图像即为主摄像机在平静水面上获取的舰船的倒影，从而即可得到对应舰船的倒影图像以及倒影纹理。
获取海面上舰船的倒影数据后，即可根据海面的法向对倒影数据进行差值处理，以获取海面的各点上符合反射规律的辐射强度数据，进而根据海面的各点上符合反射规律的辐射强度数据，生成海面上各个点的舰船辐射数据。
在示例性实施例中，可以通过以下方式，根据海面的法向对倒影数据进行差值处理，以获取海面的各点上符合反射规律的辐射强度数据：
首先针对倒影数据中的每个像素点，根据摄像机的视点位置和像素点所对应海面区块的法向，确定反射光线的方向，再确定反射光线的方向以及对应的入射光线按水平面做镜像的方向之间的角度差值，最后根据角度差值对倒影数据中像素点的坐标进行扰动处理，得到海面的各点上符合反射规律的辐射强度数据。其中，此处的摄像机指前述实施例中的主摄像机。
通过上述过程，即可确定海面上各个点的舰船辐射数据。
步骤502，根据海面上各个点的红外辐射数据，生成海面的红外辐射数据。
步骤503，根据海面上各个点的舰船辐射数据，生成海面的舰船辐射数据。
在示例性实施例中，针对海面上的各个点，在该点存在舰船时，可以获取该点的舰船辐射数据，从而根据海面上各个点的舰船辐射数据，生成海面的舰船辐射数据，针对海面上的各个点，在该点未存在舰船时，可以获取该点的红外辐射数据，从而根据海面上各个点的红外辐射数据，生成海面的红外辐射数据。
下面结合图7，对本申请实施例中获取海面上舰船的艏浪以及尾迹数据的方法进行说明。
图7是根据本申请第四实施例的获取海面上舰船的艏浪以及尾迹数据的方法的流程示意图。
如图7所示，海面仿真图像的生成方法中，获取海面上舰船的艏浪以及尾迹数据的方法可以包括以下步骤：
步骤701，采用粒子系统模拟海面上舰船的艏浪的波动数据，以及艇浪的波动数据。
步骤702，在艏浪相应位置的舰船辐射数据以及艇浪相应位置的舰船辐射数据上分别增加随机偏移量，确定艏浪和艇浪的红外辐射数据。
其中，艏浪，指舰船在行进时，在船头与水面接触时由于碰撞而产生的白色浪花。
尾迹包括船行波和艇浪。其中，船行波，指由于舰船运动而引起的水面波的变化；艇浪，指由于螺旋浆和船尾的扰动使得水体形成漏流而产生的浪花。
可以理解的是，采用基于波谱的海面仿真图像生成方法无法模拟浪花效果，因此本申请采用粒子系统来对艏浪的波动数据进行模拟，而对于艏浪的红外辐射数据，由于浪花本身的分布具有随机性，辐射会在不同浪花颗粒之间进行多次反射与折射，最终结果是外部辐射会朝各个方向随机发射，采用严格的物理模拟方法的代价过高，因此本申请采取简化的做法，在艏浪相应位置的舰船辐射数据上增加一个随机偏移量，作为单个浪花粒子的辐射值，以表征浪花内部随机反射与折射的结果。
对于舰船的艇浪，本申请采用与艏浪类似的粒子系统实现手段，在舰船尾部设定给定的粒子发射区域，并设定粒子向一给定的方向范围随机发射，并在运动过程中做具有水平初速的匀减速运动，并在生命周期结束时消除粒子，以对艇浪的波动数据进行模拟。并且，在艇浪相应位置的舰船辐射数据上增加随机偏移量，得到艇浪的红外辐射数据。
步骤703，结合基于舰船流体动力学的开尔文波理论以及舰船行进速度，确定船行波数据。
步骤704，根据艇浪的波动数据和红外辐射数据、艇浪的波动数据和红外辐射数据、以及船行波数据，生成海面上舰船的艏浪以及尾迹数据。
本申请实施例中，对于船行波，结合基于舰船流体动力学的开尔文波理论以及舰船行进速度，确定船行波数据。
其中，确定船行波数据时，波峰线的轨迹方程如下公式(13)所示。
其中，X1为扰动源距离原点的距离，θ″是扰动源与波峰线连线与运动方向的夹角，对于式(13)，给定多组常数X1和θ″，可以绘制出多条波峰线轨迹。
需要说明的是，在实际应用中，由于开尔文船行波与舰船行进速度V有关，一般取X1等于V*t，表示t时刻的情形，将X1代入上式(13)可以得到以下公式(14)：
获取了艏浪的波动数据和红外辐射数据、艇浪的波动数据和红外辐射数据、以及船行波数据后，即可根据艇浪的波动数据和红外辐射数据、艇浪的波动数据和红外辐射数据、以及船行波数据，生成海面上舰船的艏浪以及尾迹数据。
与上述实施例提供的海面仿真图像的生成方法相对应，本申请的一种实施例还提供一种海面仿真图像的生成装置，由于本申请实施例提供的海面仿真图像的生成装置与上述实施例提供的海面仿真图像的生成方法相对应，因此海面仿真图像的生成方法的实施方式也适用于本实施例提供的海面仿真图像的生成装置，在本实施例中不再详细描述。
图8是根据本申请第五实施例的海面仿真图像的生成装置的结构示意图。其中，该海面仿真图像的生成装置可以配置在电子设备中，以准确生成真实的舰船场景的海面仿真图像。
如图8所示，该海面仿真图像的生成装置800可以包括：
构建模块801，用于构建投影空间坐标系下的网格，以及从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略；
第一生成模块802，用于获取海面在各个时间点的海面高度场数据，并根据海面高度场数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的海面高度场数据；
第二生成模块803，用于获取海面的红外辐射数据以及海面的舰船辐射数据，并根据红外辐射数据、舰船辐射数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的辐射数据；
第三生成模块804，用于获取海面上舰船的艏浪以及尾迹数据，并根据艏浪以及尾迹数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的艏浪以及尾迹数据；
第四生成模块805，用于根据投影空间坐标系下的海面高度场数据、辐射数据、艏浪以及尾迹数据、网格，生成投影空间坐标系下的海面仿真图像。
在本申请的一个实施例中，构建模块801，具体用于：
构建投影空间坐标系下的网格；
设置与水平面的夹角小于预设角度阈值的辅助摄像机，并根据辅助摄像机的位置和朝向，确定从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略。
在本申请的一个实施例中，第一生成模块802，具体用于：
获取世界空间坐标系下的海面初始波浪参数；
结合海浪谱和快速傅里叶变换算法对世界空间坐标系下的海面初始波浪参数进行处理，以生成各个时间点的海面高度场数据。
在本申请的一个实施例中，第二生成模块803，具体用于：
针对海面上的各个点，在点未存在舰船时，获取点的红外辐射数据；在点存在舰船时，获取点的舰船辐射数据；
根据海面上各个点的红外辐射数据，生成海面的红外辐射数据；
根据海面上各个点的舰船辐射数据，生成海面的舰船辐射数据。
在本申请的一个实施例中，尾迹包括：船行波和艇浪；
第三生成模块804，具体用于：
采用粒子系统模拟海面上舰船的艏浪的波动数据，以及艇浪的波动数据；
在艏浪相应位置的舰船辐射数据以及艇浪相应位置的舰船辐射数据上分别增加随机偏移量，确定艏浪和艇浪的红外辐射数据；
结合基于舰船流体动力学的开尔文波理论以及舰船行进速度，确定船行波数据；
根据艇浪的波动数据和红外辐射数据、艇浪的波动数据和红外辐射数据、以及船行波数据，生成海面上舰船的艏浪以及尾迹数据。
根据本申请实施例提供的海面仿真图像的生成装置，首先构建投影空间坐标系下的网格，以及从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略，再获取海面在各个时间点的海面高度场数据，并根据海面高度场数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的海面高度场数据，获取海面的红外辐射数据以及海面的舰船辐射数据，并根据红外辐射数据、舰船辐射数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的辐射数据，获取海面上舰船的艏浪以及尾迹数据，并根据艏浪以及尾迹数据、坐标转换策略，生成投影空间坐标系下的艏浪以及尾迹数据，进而根据投影空间坐标系下的海面高度场数据、辐射数据、艏浪以及尾迹数据、网格，生成投影空间坐标系下的海面仿真图像。由此，通过综合利用投影空间坐标系下的海面高度场数据、辐射数据、艏浪以及尾迹数据、网格，生成投影空间坐标系下的海面仿真图像，实现了准确生成真实的舰船场景的海面仿真图像。
根据本公开的实施例，本公开还提供了一种电子设备、一种可读存储介质和一种计算机程序产品。
图9示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备900的示意性框图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备900还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本公开的实现。
如图9所示，电子设备900包括计算单元901，其可以根据存储在只读存储器(ROM)902中的计算机程序或者从存储单元908加载到随机访问存储器(RAM)903中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 903中，还可存储电子设备900操作所需的各种程序和数据。计算单元901、ROM 902以及RAM 903通过总线904彼此相连。输入/输出(I/O)接口905也连接至总线904。
电子设备900中的多个部件连接至I/O接口905，包括：输入单元906，例如键盘、鼠标等；输出单元907，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元908，例如磁盘、光盘等；以及通信单元909，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元909允许电子设备900通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
计算单元901可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元901的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元901执行上文所描述的各个方法和处理，例如海面仿真图像的生成方法。例如，在一些实施例中，海面仿真图像的生成方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元908。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 902和/或通信单元909而被载入和/或安装到电子设备900上。当计算机程序加载到RAM 903并由计算单元901执行时，可以执行上文描述的海面仿真图像的生成方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元901可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行海面仿真图像的生成方法。
本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。
可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)、互联网和区块链网络。
计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。
根据本公开的实施例，本公开还提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使所述计算机执行前述任一实施例所述的海面仿真图像的生成方法。
根据本公开的实施例，本公开还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现前述任一实施例所述的海面仿真图像的生成方法。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。
Claims (10)
1.一种海面仿真图像的生成方法，其特征在于，包括：
构建投影空间坐标系下的网格，以及从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略；
获取海面在各个时间点的海面高度场数据，并根据所述海面高度场数据、所述坐标转换策略，生成所述投影空间坐标系下的海面高度场数据；
获取海面的红外辐射数据以及所述海面的舰船辐射数据，并根据所述红外辐射数据、所述舰船辐射数据、所述坐标转换策略，生成所述投影空间坐标系下的辐射数据；
获取海面上舰船的艏浪以及尾迹数据，并根据艏浪以及尾迹数据、所述坐标转换策略，生成所述投影空间坐标系下的艏浪以及尾迹数据；
根据所述投影空间坐标系下的海面高度场数据、所述辐射数据、艏浪以及尾迹数据、所述网格，生成所述投影空间坐标系下的海面仿真图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建投影空间坐标系下的网格，以及从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略，包括：
构建投影空间坐标系下的网格；
设置与水平面的夹角小于预设角度阈值的辅助摄像机，并根据所述辅助摄像机的位置和朝向，确定从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取海面在各个时间点的海面高度场数据，包括：
获取世界空间坐标系下的海面初始波浪参数；
结合海浪谱和快速傅里叶变换算法对世界空间坐标系下的海面初始波浪参数进行处理，以生成各个时间点的海面高度场数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取海面的红外辐射数据以及所述海面的舰船辐射数据，包括：
针对海面上的各个点，在所述点未存在舰船时，获取所述点的红外辐射数据；在所述点存在舰船时，获取所述点的舰船辐射数据；
根据海面上各个点的红外辐射数据，生成海面的红外辐射数据；
根据海面上各个点的舰船辐射数据，生成海面的舰船辐射数据。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，尾迹包括：船行波和艇浪；
所述获取海面上舰船的艏浪以及尾迹数据，包括：
采用粒子系统模拟海面上舰船的艏浪的波动数据，以及艇浪的波动数据；
在艏浪相应位置的舰船辐射数据以及艇浪相应位置的舰船辐射数据上分别增加随机偏移量，确定艏浪和艇浪的红外辐射数据；
结合基于舰船流体动力学的开尔文波理论以及舰船行进速度，确定船行波数据；
根据艇浪的波动数据和红外辐射数据、艇浪的波动数据和红外辐射数据、以及船行波数据，生成海面上舰船的艏浪以及尾迹数据。
6.一种海面仿真图像的生成装置，其特征在于，包括：
构建模块，用于构建投影空间坐标系下的网格，以及从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略；
第一生成模块，用于获取海面在各个时间点的海面高度场数据，并根据所述海面高度场数据、所述坐标转换策略，生成所述投影空间坐标系下的海面高度场数据；
第二生成模块，用于获取海面的红外辐射数据以及所述海面的舰船辐射数据，并根据所述红外辐射数据、所述舰船辐射数据、所述坐标转换策略，生成所述投影空间坐标系下的辐射数据；
第三生成模块，用于获取海面上舰船的艏浪以及尾迹数据，并根据艏浪以及尾迹数据、所述坐标转换策略，生成所述投影空间坐标系下的艏浪以及尾迹数据；
第四生成模块，用于根据所述投影空间坐标系下的海面高度场数据、所述辐射数据、艏浪以及尾迹数据、所述网格，生成所述投影空间坐标系下的海面仿真图像。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述构建模块，具体用于：
构建投影空间坐标系下的网格；
设置与水平面的夹角小于预设角度阈值的辅助摄像机，并根据所述辅助摄像机的位置和朝向，确定从世界空间坐标系到投影空间坐标系的坐标转换策略。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一生成模块，具体用于：
获取世界空间坐标系下的海面初始波浪参数；
结合海浪谱和快速傅里叶变换算法对世界空间坐标系下的海面初始波浪参数进行处理，以生成各个时间点的海面高度场数据。
9.一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其特征在于，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-5中任一项所述的方法。
10.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机指令用于使所述计算机执行根据权利要求1-5中任一项所述的方法。
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Cited By (1)
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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