CN114169265A - 一种海面动态红外仿真方法 - Google Patents

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CN114169265A CN202111461120.8A CN202111461120A CN114169265A CN 114169265 A CN114169265 A CN 114169265A CN 202111461120 A CN202111461120 A CN 202111461120A CN 114169265 A CN114169265 A CN 114169265A
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关立冬
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Abstract

本发明公开了一种海面动态红外仿真方法，属于虚拟现实仿真技术领域，包括步骤1：建立海面自身红外发射模型并渲染；步骤2：建立海面红外反射模型并渲染；步骤3：建立大气衰减模型并渲染。本发明用GPU加速处理仿真数据并计算相关渲染纹理，以像素为单位渲染仿真动态红外海面避免了建立大面积网格造成的仿真负担，并且选择适当的海面高度场模型及红外辐射仿真模型以提高仿真的真实性。

Description

一种海面动态红外仿真方法
技术领域
本发明涉及一种海面动态红外仿真方法，属于虚拟现实仿真技术领域。
背景技术
红外场景仿真技术是以红外物理为理论基础，以计算机图形学技术、图像生成处理技术及应用在各学科交叉研究为重点，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。通过实拍采集红外图像时会受制于不可控因素，此时基于相对精确的物理模型建立的红外场景仿真技术可以填补实际拍摄受限时的红外图像来源。
目前对于海面红外仿真方法包括平面网格仿真法及粒子系统仿真法等。平面网格仿真法需要建立大面积小规格网格以提高对仿真细节的表达能力，致使实时仿真负担过大，无法满足实时仿真的需求；粒子系统仿真法对红外海面的动态细节表达有限，使得仿真结果不够真实。
研究海面动态红外仿真方法是研究监测海面目标和海洋武器对抗的基础。海面动态红外仿真方法的关键技术有以下二点：第一点，高真实度且高效率的海面动态红外仿真需要建立高真实度的海面高度场模型及考量更为全面的环境影响因素，所以选择合适的海面高度场模型和海面红外辐射模型十分关键；第二点，选择合适的仿真方法解决仿真精度及仿真真实性的问题，是满足实时仿真的关键。因此，研制出一种准确、高度真实的海面动态红外仿真方法是函待克服的技术难题。
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提高海面动态红外仿真中的高真实度和效率的基于纹理仿真方法的海面动态红外仿真方法。
为解决上述技术问题，本发明的一种海面动态红外仿真方法，包括以下步骤：
步骤1：建立海面自身红外发射模型并渲染；
步骤2：建立海面红外反射模型并渲染；
步骤3：建立大气衰减模型并渲染。
进一步的，步骤1中建立海面自身红外发射模型并渲染包括：
步骤1.1：建立海面平面网格，采用FFT方法建立海面高度场，且用GPU加速计算；
步骤1.2：计算海面偏移纹理及海面微面元的法线并创建法线纹理，利用GPU并行处理加速计算；
步骤1.3：根据法线纹理和海面自身辐射发射模型，计算并渲染海面自身红外辐射仿真图。
进一步的，步骤2中建立海面红外反射模型并渲染包括：
步骤2.1：根据Cox-Munk模型生成海面反射模型；
步骤2.2：根据海面反射模型计算海面对天空辐射和太阳辐射的反射并渲染。
进一步的，步骤3中建立大气衰减模型并渲染包括：
步骤3.1：根据数值模拟建立大气吸收衰减模型，并对传输路径进行修正；
步骤3.2：根据数值模拟建立大气散射衰减模型，并对传输路径进行修正；
步骤3.3：根据数值模拟建立气象条件衰减模型；
步骤3.4：根据大气传输衰减模型计算最终到达探测器时海面红外辐射仿真图。
进一步的，步骤1.1中海面高度场具体为：
Figure BDA0003385148440000021
其中，
Figure BDA0003385148440000022
是频域的波高，h(X,t)是时域的波高，X是笛卡尔坐标系下海面上点的位置坐标，M和N分别为FFT计算时，横向和纵向上所取的采样离散点数量。
进一步的，步骤1.2中计算海面偏移纹理及海面微面元的法线并创建法线纹理具体为：
x和z方向的偏移量Dx(X,t)和Dz(X,t)分别为：
Figure BDA0003385148440000023
Figure BDA0003385148440000024
其中，
Figure BDA0003385148440000025
将x和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，法线计算公式为：
Figure BDA0003385148440000026
Figure BDA0003385148440000027
为法线向量，
Figure BDA0003385148440000028
为高度场对x的偏导，
Figure BDA0003385148440000029
为高度场对y的偏导，X为点的坐标，normalize函数是将向量归一化。
进一步的，步骤2.1中根据Cox-Munk模型生成海面反射模型具体为：
Figure BDA00033851484400000210
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；
Figure BDA0003385148440000031
是e在XOY平面上的投影与X轴正方向的夹角；
Figure BDA0003385148440000032
是在XOY平面上的投影与X轴负方向的夹角；
Figure BDA0003385148440000033
是n在XOY平面上的投影与X轴正方向的夹角；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；小面元的实际发射面积为cosθedA；
将得到的海面反射模型与天空红外辐射、太阳和红外辐射相乘得到对天空辐射的发射及对太阳辐射的反射：
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为海面对天空背景辐射的反射率，Msky(λ)为天空背景对海面辐射能量；ρsun为海面对太阳辐射的反射率，Msun(λ)表示太阳垂直照射在海面的辐射能量；ρsky和ρsun由基于Cox-Munk模型生成反射模型提供。
本发明的有益效果：本发明用GPU加速处理仿真数据并计算相关渲染纹理，以像素为单位渲染仿真动态红外海面避免了建立大面积网格造成的仿真负担，并且选择适当的海面高度场模型及红外辐射仿真模型以提高仿真的真实性。本发明运用GPU加速处理计算基于FFT海谱模型的海面高度场及海面微面元法线，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效率低下的问题；本发明将海面自身辐射、天空辐射反射、太阳辐射反射及大气衰减效应相结合，在三维红外场景中实现了动态的海面红外定量仿真；本发明依据物理原理与先进的计算机技术解决了海面动态红外仿真的问题，依据风速、风向实现海面的实时动态红外仿真，采用本发明生成的海面红外视景效果比较逼真，帧率可达50Frame/s左右，满足实时仿真工程要求。
附图说明
图1为本发明的海面舰船尾迹实时动态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为本发明实现的海面动态高度场；
图4为本发明实现的海面偏移纹理；
图5为本发明实现的海面法线纹理；
图6为本发明实现的海面自身辐射红外动态仿真图；
图7为本发明实现的海面自身辐射、天空辐射的发射及太阳辐射的反射红外动态仿真图；
图8为本发明实现的海面自身辐射、天空辐射的发射、太阳辐射的反射并叠加大气衰减效应的红外动态仿真图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
结合图1，本发明包括以下步骤：
步骤a：建立海面自身红外发射模型并渲染。
a1)建立海面平面网格，采用FFT方法建立海面高度场，且用GPU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所示海面网格并将数据传输到GPU中进行并行处理，原点坐标设置为中心。
本发明采用Phillips谱海谱模型作为海浪建模方法。其表达式如下：
Figure BDA0003385148440000041
其中，A是一个数字常量，L＝V2/g，V为风速，g＝9.81m/s2，
Figure BDA0003385148440000042
为风方向，
Figure BDA0003385148440000043
为风向拓展函数。
本发明中风向拓展函数使用是Donelan-Banner定向传播，公式如下：
Figure BDA0003385148440000044
其中：
Figure BDA0003385148440000045
∈＝-0.4+0.8393exp[-0.567ln((ω/ωp)2)]
其中，ω是角频率，θ是波相对于风的角度，ωp是峰值频率，且ωp＝0.855g/U，g是重力加速度，U是平均风速。
本发明采用快速傅立叶变换(FFT)转换当前海谱为高度场，并通过高度场建立动态海面高度场模型，以生成每帧的海面模型。
根据高斯随机数以空间分布的形式生成海面高度场，在这种方法中，波高可以在傅立叶(Fourier)域中快速实现:
Figure BDA0003385148440000046
式中：Ph(K)为海平面上离散点高度在空间频域表达式；ξr和ξi是由高斯随机生成程序产生的平均值为0且均方误差为1的随机数；海面的波高振幅大小遵循瑞利(Rayleigh)分布，由两个独立标准正态分布随机数构成。
本发明使用Wang/Jenkins Hash来生成随机数种子，然后使用Xorshift算法来生成均匀分布的随机数。后对得到均匀分布的随机数，通过如下Box-Muller转换，将得到高斯随机数。
Figure BDA0003385148440000051
Figure BDA0003385148440000052
u0和u1是两个相互独立的均匀分布的随机数，r0和r1是两个相互独立的高斯随机数。
对振幅值通过IFFT(逆变换快速傅立叶算法)获得海面高度场，最终海面高度场公式如下:
Figure BDA0003385148440000053
其中，
Figure BDA0003385148440000054
是频域的波高，h(X,t)是时域的波高，X是笛卡尔坐标系下海面上点的位置坐标。
a2)计算海面偏移纹理及海面微面元的法线并创建法线纹理，利用GPU并行处理加速计算；
由海面高度场公式可得总偏移量
Figure BDA0003385148440000055
为：
Figure BDA0003385148440000056
将上式偏导可得x和z方向的偏移量Dx(X,t)和Dz(X,t)分别为：
Figure BDA0003385148440000057
Figure BDA0003385148440000058
其中，
Figure BDA0003385148440000059
如图4所示，将x和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5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，方便后续计算海面自身辐射发射模型及海面反射模型。法线计算公式如下：
Figure BDA0003385148440000061
Figure BDA0003385148440000062
为法线向量，
Figure BDA0003385148440000063
为高度场对x的偏导，
Figure BDA0003385148440000064
为高度场对y的偏导，X为点的坐标，normalize函数指的是将向量归一化。
a3)根据法线纹理和海面自身辐射发射模型，计算并渲染海面自身红外辐射仿真图。
将步骤(a2)处理后的偏移纹理的顶点坐标、法线纹理的方向信息等数据，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海面温度与发射率，进行热辐射能量的实时计算并渲染。海面的自身辐射可以用海面的黑体辐射能量与海面发射率相乘得到。使用步骤(a2)得到的法线纹理，可以计算海面发射率。
海面发射率εθ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。
如图6为本发明实现的海面自身辐射红外动态仿真图。
步骤b：建立海面红外反射模型并渲染：
b1)基于Cox-Munk模型生成海面反射模型；
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种海面Cox-Munk微小面元模型示意图。
设一个海面微小单元dA的平均反射率是
Figure BDA0003385148440000065
Figure BDA0003385148440000066
根据如上笛卡尔坐标系，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；
Figure BDA0003385148440000067
是e在XOY平面上的投影与X轴正方向的夹角，即天顶角。
Figure BDA0003385148440000068
在XOY平面上的投影与X轴负方向的夹角。
Figure BDA0003385148440000069
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；设小面元的面积为dA，那么，该小面元的实际发射面积为cosθedA。
本发明利用此反射模型计算太阳辐射及环境辐射在海面的反射辐射。
将得到的海面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对天空辐射的发射及对太阳辐射的反射。
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(λ)为海面对天空背景辐射的反射率，Msky(λ)为天空背景对海面辐射能量；ρsun(λ)为海面对太阳辐射的反射率，Msun(λ)表示太阳垂直照射在海面的辐射能量。ρsky(λ)ρsun(λ)和由基于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模型生成海面微面元反射模型，基于此计算海面对天空辐射及太阳辐射的反射。
b2)根据海面反射模型计算海面对天空辐射和太阳辐射的反射并渲染。
将步骤(a2)处理后的偏移纹理的顶点坐标、法线纹理的方向信息等数据，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给反射模型，进行反射能量的实时计算并渲染。
将得到的反射辐射与步骤(a3)得到的海面自身发射辐射相加并渲染得到海面自身辐射、天空辐射的反射及太阳辐射的反射红外仿真图。
如图7为本发明实现的海面自身辐射、天空辐射的发射及太阳辐射的反射红外动态仿真图。
步骤c：建立大气衰减模型并渲染：
大气衰减主要来自与三个方面:a)气体分子对红外辐射的吸收；b)气溶胶对红外辐射的散射；c)雨、雪等气象条件的影响。总大气光谱透过率τ(λ)为:
τ(λ)＝τ1(λ)·τ2(λ)·τ3(λ)
τ1(λ)、τ2(λ)和τ3(λ)分别代表大气分子、气溶胶散射和雨、雪等气象条件下的透过率。
c1)根据数值模拟建立大气吸收衰减模型，并对传输路径进行修正；
大气对红外辐射的吸收作用主要由水蒸气和CO2导致。其作用后的透过率τ1(λ)可表示为:
Figure BDA0003385148440000071
海平面水平路径上水蒸气大气透过率
Figure BDA0003385148440000072
为:
Figure BDA0003385148440000073
式中:
Figure BDA0003385148440000074
为大气温度5℃·相对湿度100％时海平面水平路径上水蒸气的吸收系数。大气温度5℃、相对湿度100％时海平面水平路径上水蒸气的吸收系数
Figure BDA0003385148440000075
温度T时饱和空气中的水蒸气质量ω0查表插值求取。
CO2大气透过率
Figure BDA0003385148440000076
为:
Figure BDA0003385148440000077
式中:标取在大气温度5℃、相对湿度100％时测得的海平面水平路径上二氧化碳的吸收系数。
红外辐射传播路径通常为倾斜路径，因此须将倾斜路径换算成等效的海平面水平路径。若倾斜路径为R，倾斜仰角为β，等效的海平面水平路径D为:
Figure BDA0003385148440000081
水蒸气修正路径D0为:
Figure BDA0003385148440000082
其中，P为高度D处的大气压强，P0为海平面上的大气压强，T0是海平面处的温度，T是高度为D处的温度。
二氧化碳的等效距离D0可以表示为:
Figure BDA0003385148440000083
c2)根据数值模拟建立大气散射衰减模型，并对传输路径进行修正；
大气的散射衰减τ2(λ)采用气象能见度来描述，其经验计算公式为:
Figure BDA0003385148440000084
式中:Dv为采用0.55μm进行气象能见度探测时得到的气象能见度；
q为经验常数，满足:
Figure BDA0003385148440000085
修正路径后的散射公式如下:
Figure BDA0003385148440000086
其中，Dσ称为特征高度，一般取1.2。
因此，修正后的不同海拔高度下的由散射引起的透过率为:
Figure BDA0003385148440000087
c3)根据数值模拟建立气象条件衰减模型；
气象条件主要考虑雨和雪的衰减影响。根据米氏理论:
Figure BDA0003385148440000091
式中:Jr和Js分别为与气象有关的降雨强度和降雪强度，单位为mm/h。
c4)根据大气传输衰减模型计算最终到达探测器时海面红外辐射仿真图。
将步骤(a)的海面自身辐射和步骤(b)的反射做和，并叠加步骤(c3)和步骤(c3)的大气衰减效应，完成海洋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:
Figure BDA0003385148440000092
式中G代表处归一化理后得到的红外辐射系数，Li代表当前粒子红外辐射值，Lmin代表所有粒子红外辐射值中的最小值，Lmax代表所有粒子红外辐射值中的最大值。
如图8为本发明实现的海面自身辐射、天空辐射的发射、太阳辐射的反射并叠加大气衰减效应的红外动态仿真图。该仿真基于unity三维渲染引擎，实现了实时动态的海面红外仿真。
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 (7)

1.一种海面动态红外仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立海面自身红外发射模型并渲染；
步骤2：建立海面红外反射模型并渲染；
步骤3：建立大气衰减模型并渲染。
2.根据权利要求1所述的一种海面动态红外仿真方法，其特征在于：步骤1所述建立海面自身红外发射模型并渲染包括：
步骤1.1：建立海面平面网格，采用FFT方法建立海面高度场，且用GPU加速计算；
步骤1.2：计算海面偏移纹理及海面微面元的法线并创建法线纹理，利用GPU并行处理加速计算；
步骤1.3：根据法线纹理和海面自身辐射发射模型，计算并渲染海面自身红外辐射仿真图。
3.根据权利要求1所述的一种海面动态红外仿真方法，其特征在于：步骤2所述建立海面红外反射模型并渲染包括：
步骤2.1：根据Cox-Munk模型生成海面反射模型；
步骤2.2：根据海面反射模型计算海面对天空辐射和太阳辐射的反射并渲染。
4.根据权利要求1所述的一种海面动态红外仿真方法，其特征在于：步骤3所述建立大气衰减模型并渲染包括：
步骤3.1：根据数值模拟建立大气吸收衰减模型，并对传输路径进行修正；
步骤3.2：根据数值模拟建立大气散射衰减模型，并对传输路径进行修正；
步骤3.3：根据数值模拟建立气象条件衰减模型；
步骤3.4：根据大气传输衰减模型计算最终到达探测器时海面红外辐射仿真图。
5.根据权利要求2所述的一种海面动态红外仿真方法，其特征在于：步骤1.1所述海面高度场具体为：
Figure FDA0003385148430000011
其中，
Figure FDA0003385148430000012
是频域的波高，h(X,t)是时域的波高，X是笛卡尔坐标系下海面上点的位置坐标，M和N分别为FFT计算时，横向和纵向上所取的采样离散点数量。
6.根据权利要求2所述的一种海面动态红外仿真方法，其特征在于：步骤1.2所述计算海面偏移纹理及海面微面元的法线并创建法线纹理具体为：
x和z方向的偏移量Dx(X,t)和Dz(X,t)分别为：
Figure FDA0003385148430000013
Figure FDA0003385148430000021
其中，
Figure FDA0003385148430000022
将x和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，法线计算公式为：
Figure FDA0003385148430000023
Figure FDA0003385148430000024
为法线向量，
Figure FDA0003385148430000025
为高度场对x的偏导，
Figure FDA0003385148430000026
为高度场对y的偏导，X为点的坐标，normalize函数是将向量归一化。
7.根据权利要求6所述的一种海面动态红外仿真方法，其特征在于：步骤2.1所述根据Cox-Munk模型生成海面反射模型具体为：
Figure FDA0003385148430000027
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；
Figure FDA0003385148430000028
是e在XOY平面上的投影与X轴正方向的夹角；
Figure FDA0003385148430000029
是在XOY平面上的投影与X轴负方向的夹角；
Figure FDA00033851484300000210
是n在XOY平面上的投影与X轴正方向的夹角；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；所述小面元的实际发射面积为cosθedA；
将得到的海面反射模型与天空红外辐射、太阳和红外辐射相乘得到对天空辐射的发射及对太阳辐射的反射：
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为海面对天空背景辐射的反射率，Msky(λ)为天空背景对海面辐射能量；ρsun为海面对太阳辐射的反射率，Msun(λ)表示太阳垂直照射在海面的辐射能量；ρsky和ρsun由基于Cox-Munk模型生成反射模型提供。
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