CN114169264A - 一种舰船尾迹红外仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种舰船尾迹红外仿真方法,包括:步骤1:建立开尔文尾迹红外辐射模型;步骤2:建立热尾迹温度模型;步骤3:将理论模型渲染成总体海面尾迹红外图像。本发明运用GPU加速处理计算开尔文尾迹高度场及尾迹微面元法线,并制作成偏移纹理和法线纹理便于后续计算,解决了仿真中细节表现不足及仿真负担过大的问题;将开尔文尾迹及热尾迹自身辐射、天空辐射反射及太阳辐射反射相结合,在三维红外场景中实现了舰船尾迹的红外定量仿真。
Description
技术领域
本发明属于虚拟现实仿真技术领域,涉及一种舰船尾迹红外仿真方法,特别涉及一种基于纹理的舰船尾迹红外仿真方法。
背景技术
红外场景仿真技术是以红外物理为理论基础,利用系统模型对实际的或设想的系统进行实验研究的一门综合性技术。通过红外场景仿真系统虚拟化各种时间、气象、地理环境等特定条件后生成相应条件下的仿真红外图像可以最大化各方面资源效能,灵活方便,特定的外界条件可以随意更改,动态化地呈现不同条件下的红外场景图像。红外场景仿真系统的三维渲染工作的真实感和实时性始终是该研究领域最为关注的两个方面。
对于海洋场景,红外系统是监测海面目标重要途径之一。舰船尾迹是在海面上移动的舰船最明显的特征,且尾迹中包含丰富的舰船信息。舰船尾迹的形态有几种特有特征表现,利用不同探测手段所探测到的舰船尾迹的特征也会有所不同。
舰船尾迹红外仿真方法函待克服的技术难题有三点:第一点,尾迹组成复杂,所以选择建立符合物理规律的舰船尾迹模型十分关键;第二点,红外探测器所接收到的红外辐射复杂,建立准确地尾迹红外辐射模型是仿真的重点;第三点,为了满足实时仿真的需求,选择仿真负担较小且仿真真实性较高的仿真方法是仿真的关键。
发明内容
针对上述现有技术,本发明要解决的技术问题是提供一种基于纹理的舰船尾迹红外仿真方法,提高尾迹红外仿真中的高真实度和效率。
为解决上述技术问题,本发明的一种舰船尾迹红外仿真方法,包括以下步骤:
步骤1:建立开尔文尾迹红外辐射模型;
步骤2:建立热尾迹温度模型;
步骤3:将理论模型渲染成总体海面尾迹红外图像。
进一步的,步骤1中建立开尔文尾迹模型包括:
步骤1.1:建立平面网格,建立开尔文尾迹几何高度模型,利用GPU并行处理加速计算;
步骤1.2:建立开尔文尾迹偏移纹理及法线纹理,计算并渲染开尔文自身红外辐射仿真图,利用GPU并行处理加速计算;
步骤1.3:基于Cox-Munk模型生成开尔文尾迹微面元反射模型并计算尾迹对天空辐射和太阳辐射的反射。
进一步的,步骤2中建立热尾迹温度模型包括:
步骤2.1:建立因动力系统对海水搅动产生的热尾迹的模型;
步骤2.2:建立因动力系统的热排水产生的热尾流的模型。
进一步的,步骤1.1中开尔文尾迹几何高度模型具体为:
zs(x,y)=z0(x+l,y)+z1(x+l,y)+Cz0(x-l,y)-Cz1(x-l,y)
其中C为水的粘滞系数,且有:
其中,zs(x,y)为开尔文尾迹的波高,l为船长,b为半船宽,d为吃水深度,θk为开尔文波传播的方向与x轴正方向的夹角,k0=g/V2,g是重力加速度常数,V是船舶在海面上的航行速度。
进一步的,步骤1.2中建立开尔文尾迹偏移纹理及法线纹理具体为:根据开尔文尾迹几何高度模型将z方向的偏移量制成偏移纹理材质,用法线的定义计算微面元的法线,并将法线制作成纹理材质,法线向量满足:
进一步的,步骤1.3中开尔文尾迹微面元反射模型具体为:
其中,是海面微小单元dA的平均反射率,e是海面微小面元辐射的入射方向;f是海面微小面元辐射的反射方向;n是单元海面的法线方向,由步骤1.2得到的法线纹理提供;β是海面微小面元与水平面夹角;θe是辐射入射方向e与Z轴的夹角,即方位角;θn是海面微小面元法线方向n与Z轴的夹角;是e在XOY平面上的投影与X轴正方向的夹角,即天顶角;在XOY平面上的投影与X轴负方向的夹角;是n在XOY平面上的投影与X轴正方向的夹角;χ是海面微小面元辐射的出射方向e与海面微小面元法线n的夹角。
进一步的,步骤1.3中尾迹对天空辐射和太阳辐射的反射通过下面公式计算:
Mref=ρskyMsky(λ)+ρsunMsun(λ)
其中,Mref表示接收端探测器接收到反射的环境红外辐射能量,ρsky为开尔文尾迹对天空背景辐射的漫反射率,Msky(λ)为天空背景对开尔文尾迹的辐射能量;ρsun为开尔文尾迹对太阳辐射的反射率,Msun(λ)表示太阳垂直照射在开尔文尾迹的辐射能量,ρsky和ρsun根据开尔文尾迹微面元反射模型得到。
进一步的,步骤2.1中因动力系统对海水搅动产生的热尾迹的模型具体为:
其中,L为热尾迹的模型长,W为热尾迹的模型宽。
进一步的,步骤2.2中因动力系统的热排水产生的热尾流的模型具体为:
其中,b为热尾流半径,D为舰船宽度;s为热尾流长度;H为舰船吃水深度;θ为尾流浮升角。
进一步的,步骤3中将理论模型渲染成总体海面尾迹红外图像包括:在Unity 3D中建立尾迹三维模型,在尾迹的位置添加摄像机组件和光源组件,调整摄像机组件属性模拟红外探测接收器的成像位置和视角,调整光源组件模拟太阳的位置,在尾迹模型上创建C#语言的高度模型计算脚本,并创建Compute Shader文件将C#中复杂计算用GPU加速处理,然后创建Shader语言的红外画面渲染脚本,根据开尔文尾迹模型及热尾迹模型计算尾迹的红外自身辐射强度,根据反射模型计算反射红外辐射强度,生成总体尾迹红外仿真图像。
本发明的有益效果:本发明运用GPU加速处理计算开尔文尾迹高度场及尾迹微面元法线,并制作成偏移纹理和法线纹理便于后续计算,解决了仿真中细节表现不足及仿真负担过大的问题;本发明将开尔文尾迹及热尾迹自身辐射、天空辐射反射及太阳辐射反射相结合,在三维红外场景中实现了舰船尾迹的红外定量仿真。本发明避免了建立大面积网格造成的仿真负担,选择适当的尾迹辐射自身辐射模型、反射模型及热尾迹模型以提高仿真的真实性。
附图说明
图1为本发明的基于纹理的舰船尾迹红外仿真方法总体框图;
图2为本发明使用的双向反射函数的示意图;
图3为本发明实现的平面网格划分;
图4为本发明实现的偏移纹理;
图5为本发明实现的法线纹理;
图6为本发明实现的开尔文尾迹自身辐射红外仿真图;
图7为本发明实现的开尔文尾迹自身辐射、天空辐射的反射及太阳辐射的反射红外仿真图;
图8为本发明实现因动力系统对海水搅动产生的热尾迹的自身辐射仿真图;
图9为本发明实现因动力系统的热排水产生的热尾流的自身辐射仿真图;
图10为本发明实现的开尔文尾迹及热尾迹自身辐射、天空辐射的发射、太阳辐射的反射、热尾迹自身辐射的红外仿真图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步说明。
结合图1,本实施例详细描述一种海面动态红外仿真方法包括如下步骤:
步骤(a):建立开尔文尾迹红外辐射模型。
(a1)建立平面网格,建立开尔文尾迹几何高度模型,利用GPU并行处理加速计算;
初始化数据,输入仿真数据,建立GPU处理线程。根据所需要的顶点个数及网格规格用脚本建立如图3所示尾迹平面网格并将数据传输到GPU中进行并行处理,原点坐标设置为其中一边的中心。
自由传播的重力波产生的开尔文尾迹的波高可以由以下公式表示:
其中g是重力加速度常数,V是舰船在海面上的航行速度,θk表示开尔文波传播的方向与x轴正方向的夹角,A(θk)表示舰船的自由谱。
对于细船模型来说,A(θk)可以由下式给出。
其中f(x,z)是舰船的潮湿边界,选取舰船自身参数半船长为l,半船宽为b,吃水深度为d,在选取抛物线形船体形状的情况下,f(x,z)由下式给出。
由此可得,在不考虑水的粘滞效应的情况下,开尔文尾迹的波高公式为:
上式完全将船身视为抛物线型,仅仅考虑船体上一点对水面的影响产生的开尔文尾迹的高度场,且完全忽略了水的粘滞效应。为了更好的拟合舰船与水面的作用,进而模拟更贴切实际的开尔文波高度场,将船首与船尾对水面的效用完全分离开来,将式上式中积分拆分为船首和船尾的积分,加入船体长度对开尔文波高度场影响,且充分考虑水的粘滞效应,上式可变为:
zs(x,y)=z0(x+l,y)+z1(x+l,y)+Cz0(x-l,y)-Cz1(x-l,y)
其中C为水的粘滞系数,且有:
其中,zs(x,y)为开尔文尾迹的波高,(x,y)为笛卡尔坐标系下海平面上点的坐标,l为舰船的船长,b为舰船的半船宽,d为舰船吃水深度,θk表示开尔文波传播的方向与x轴正方向的夹角,k0=g/V2,g是重力加速度常数,V是舰船在海面上的航行速度。
(a2)建立开尔文尾迹偏移纹理及法线纹理,计算并渲染开尔文自身红外辐射仿真图,利用GPU并行处理加速计算;
根据步骤(a1)得到的开尔文尾迹的高度场公式将z方向的偏移量制成偏移纹理材质,用GPU加速计算,方便之后进行法线纹理计算和贴图,如图4所示。
用法线的定义计算微面元的法线,用GPU加速计算,并将法线制作成纹理材质,如图5所示,方便后续计算海面自身辐射发射模型及海面反射模型。
将上述得到的纹理偏移的顶点坐标、法线纹理中的方向信息等数据,连同相机与光源的相关信息再传入片段着色器。片段着色器将这些参数赋并根据温度与海面发射率,进行开尔文尾迹自身热辐射能量实时计算。
开尔文尾迹的发射率率与海面发射率εθ相同,为:
εθ=0.98[1-(1-cosθ)5]
其中,θ为接收端探测器天顶角角度,即探测器与海面微面元法向量夹角角度。
图6为本发明实现的开尔文尾迹自身辐射红外仿真图。
(a3)基于Cox-Munk模型生成开尔文尾迹微面元反射模型并计算尾迹对天空辐射和太阳辐射的反射。
请参见图2,图2为本发明实施例提供的一种舰船尾迹Cox-Munk尾迹微小面元模型示意图。
其中,e是海面微小面元辐射的入射方向;f是海面微小面元辐射的反射方向;n是单元海面的法线方向,由步骤(a2)得到的法线纹理提供;β是海面微小面元与水平面夹角。θe是辐射入射方向e与Z轴的夹角,即方位角;θn是海面微小面元法线方向n与Z轴的夹角;是e在XOY平面上的投影与X轴正方向的夹角,即天顶角。在XOY平面上的投影与X轴负方向的夹角。是n在XOY平面上的投影与X轴正方向的夹角;χ是海面微小面元辐射的出射方向e与海面微小面元法线n的夹角。
将得到的开尔文尾迹微面元反射模型与天空红外辐射、太阳和红外辐射相乘得到开尔文尾迹对天空辐射的发射及对太阳辐射的反射。
Mref=ρskyMsky(λ)+ρsunMsun(λ)
和由其中,Mref表示接收端探测器接收到反射的环境红外辐射能量,ρsky(λ)为开尔文尾迹对天空背景辐射的反射率,Msky(λ)为天空背景对开尔文尾迹的辐射能量;ρsun(λ)为开尔文尾迹对太阳辐射的反射率,Msun(λ)表示太阳垂直照射在开尔文尾迹的辐射能量。ρsky(λ)和ρsun(λ)由基于Cox-Munk模型生成开尔文尾迹微面元反射模型提供。
结合步骤(a2)得到的法线纹理计算基于Cox-Munk模型生成开尔文尾迹微面元反射模型,基于此计算海面对天空辐射及太阳辐射的反射。最后将得到的反射辐射与步骤(a2)得到的海面自身发射辐射相加并渲染得到开尔文尾迹自身辐射、天空辐射的反射及太阳辐射的反射红外仿真图。
如图8为开尔文尾迹自身辐射、天空辐射的反射及太阳辐射的反射红外仿真图。
步骤(b):建立热尾迹温度模型:
其中,舰船特殊的红外热尾迹有两种形成机制:一种是舰船在海水运动中时,船身和螺旋桨的涡流运动会使得次表层的海水涌升至表层,由于海水温度分层的结构特性,会让舰船行驶轨迹周围的表层海水温度与周围海水温度不同;另一种是因动力系统的热排水产生的热尾迹,会对环境温度产生干扰。将两种不同情况的热尾迹温度模型叠加可得到总体的红外辐射模型。考虑两种情况:
(b1)建立因动力系统对海水搅动产生的热尾迹的模型;
动力系统对海水搅动产生的热尾迹是从船体部件与水体表面摩擦产生,从船体的边界层向周围流体扰动传播。根据经验模型,因动力系统对海水搅动产生的热尾迹的模型长L和宽W满足:
如图8所示为因动力系统对海水搅动产生的热尾迹的自身辐射仿真图。
(b2)建立因动力系统的热排水产生的热尾流的模型。
在航行时,动力装置等系统产生的热排水经一定时间后会浮到海面形成热尾迹,热尾迹温度高于周围海水,且持续时间长达5~6h现代机载高灵敏度红外探测仪已可感应到千分之一摄氏度的温差变化,因此可利用热尾迹产生的水中温度异常来实现红外探测。
基于经验模型建立热尾流浮升模型,将热尾流近似看作圆锥形,根据热平衡方程可知,热量排放浮升至水面后的红外辐射平均温差ΔT满足:
式中:Q为舰船热排放功率;ρ∞为海水密度;b为热尾流的半径;u∞为舰船的航速;cp为海水比热;tw为浮升至水面后的热尾迹温度;t∞为海面环境海水温度。
热尾流半径b满足:
式中:D为舰船宽度;s为热尾流长度;H为舰船吃水深度;θ为尾流浮升角。
如图9所示为因动力系统的热排水产生的热尾流的自身辐射仿真图。
步骤(c):将理论模型渲染成总体海面尾迹红外图像:
本发明基于Unity三维渲染引擎,依据步骤(a)和步骤(b)实现的开尔文红外辐射模型和热尾迹的温度模型,实现了基于纹理的舰船尾迹红外仿真。
在Unity 3D中建立尾迹三维模型。在尾迹的适当位置添加摄像机组件和光源组件,调整摄像机组件属性模拟红外探测接收器的成像位置和视角,调整光源组件模拟太阳的位置,实现尾迹红外辐射图像仿真。在尾迹模型上创建C#语言的高度模型计算脚本,并创建Compute Shader文件将C#中复杂计算用GPU加速处理,然后创建Shader语言的红外画面渲染脚本,根据开尔文尾迹模型及热尾迹模型计算尾迹的红外自身辐射强度,根据反射模型计算反射红外辐射强度,生成总体尾迹红外仿真图像。
用C#文件获取仿真面板上仿真所用数据,包括舰船长、宽、吃水深度、速度及功率等数据,计算开尔文高度场数值、偏移数值及法线纹理,并创建线程传输至Compute Shader文件中进行加速处理。通过TCP/UDP协议建立连接,发送处理数据,之后将处理结果传输至C#文件及Shader文件中。C#根据处理结果改变网格高度状态,仿真出开尔文尾迹高度场的三维模型。Shader文件根据Compute Shader文件的处理结果生成开尔文尾迹的偏移纹理。根据C#中获得的仿真所用数据,及偏移纹理、法线纹理计算自身辐射、对太阳辐射和天空辐射反射的数值,并渲染成红外仿真图像。再根据热尾迹模型计算热尾迹红外辐射值,叠加渲染在开尔文尾迹红外仿真图像上。根据输入的仿真数据更新红外辐射仿真图像。
尾迹表面红外辐射亮度的计算,利用量化标尺,将红外辐射亮度量化为8位的灰度值后赋值给R,G,B通道,完成当前帧的灰度图像的实时渲染。
在计算中为了更精确地得到整个尾迹区的红外特征,将尾迹区的波面划分为一个个的小波面,并根据一定的算法将小波面的红外辐射值转变为图像的灰度值,即可得到整个尾迹区的红外辐射成像图。该算法可表示为:
式中G代表处归一化理后得到的红外辐射系数,Li代表当前像素红外辐射值,Lmin代表所有像素红外辐射值中的最小值,Lmax代表所有像素红外辐射值中的最大值。
请参见图10为本发明实现的开尔文尾迹自身辐射、天空辐射的发射、太阳辐射的反射及热尾迹自身辐射的红外仿真图。
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)
1.一种舰船尾迹红外仿真方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:建立开尔文尾迹红外辐射模型;
步骤2:建立热尾迹温度模型;
步骤3:将理论模型渲染成总体海面尾迹红外图像。
2.根据权利要求1所述的一种舰船尾迹红外仿真方法,其特征在于:步骤1所述建立开尔文尾迹模型包括:
步骤1.1:建立平面网格,建立开尔文尾迹几何高度模型,利用GPU并行处理加速计算;
步骤1.2:建立开尔文尾迹偏移纹理及法线纹理,计算并渲染开尔文自身红外辐射仿真图,利用GPU并行处理加速计算;
步骤1.3:基于Cox-Munk模型生成开尔文尾迹微面元反射模型并计算尾迹对天空辐射和太阳辐射的反射。
3.根据权利要求1所述的一种舰船尾迹红外仿真方法,其特征在于:步骤2所述建立热尾迹温度模型包括:
步骤2.1:建立因动力系统对海水搅动产生的热尾迹的模型;
步骤2.2:建立因动力系统的热排水产生的热尾流的模型。
7.根据权利要求6所述的一种舰船尾迹红外仿真方法,其特征在于:步骤1.3所述尾迹对天空辐射和太阳辐射的反射通过下面公式计算:
Mref=ρskyMsky(λ)+ρsunMsun(λ)
其中,Mref表示接收端探测器接收到反射的环境红外辐射能量,ρsky为开尔文尾迹对天空背景辐射的漫反射率,Msky(λ)为天空背景对开尔文尾迹的辐射能量;ρsun为开尔文尾迹对太阳辐射的反射率,Msun(λ)表示太阳垂直照射在开尔文尾迹的辐射能量,ρsky和ρsun根据开尔文尾迹微面元反射模型得到。
10.根据权利要求1所述的一种舰船尾迹红外仿真方法,其特征在于:步骤3所述将理论模型渲染成总体海面尾迹红外图像包括:在Unity 3D中建立尾迹三维模型,在尾迹的位置添加摄像机组件和光源组件,调整摄像机组件属性模拟红外探测接收器的成像位置和视角,调整光源组件模拟太阳的位置,在尾迹模型上创建C#语言的高度模型计算脚本,并创建Compute Shader文件将C#中复杂计算用GPU加速处理,然后创建Shader语言的红外画面渲染脚本,根据开尔文尾迹模型及热尾迹模型计算尾迹的红外自身辐射强度,根据反射模型计算反射红外辐射强度,生成总体尾迹红外仿真图像。
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CN116258932A (zh) * | 2023-03-09 | 2023-06-13 | 中国人民解放军海军潜艇学院 | 一种用于水下运动目标尾迹的红外融合探测方法及系统 |
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