DE102014015830A1

DE102014015830A1 - Verfahren zum Generieren eines Wärmebildes

Info

Publication number: DE102014015830A1
Application number: DE102014015830.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Schätz; Alfred Nischwitz; Paul Obermeier; Andreas Klein
Original assignee: MBDA Deutschland GmbH
Current assignee: MBDA Deutschland GmbH
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2016-04-28
Also published as: FR3027712B1; FR3027712A1; GB2532349B; GB2532349A; GB201518903D0

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Generieren eines Wärmebilds für einen Wärmegenerator angegeben. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Ermitteln einer Gleichgewichtstemperatur jeweils für eine Mehrzahl von Bildpunkten eines ersten Objekts in einer dreidimensionale Szene in jeweils einem Iterationsschritt, wobei die dreidimensionale Szene eine Mehrzahl von Objekten aufweist, die jeweils durch eine dreidimensionale Beschreibung einer Objektoberfläche, und/oder eines Objektvolumens definierbar sind; Ermitteln der Gleichgewichtstemperatur für einen ersten Bildpunkt über ein Gleichgewicht zwischen einem an dem ersten Bildpunkt eingehenden Wärmestrom und einem an dem ersten Bildpunkt ausgehenden Wärmestrom; Ermitteln einer Temperaturanpassung für den ersten Bildpunkt basierend auf einer Temperaturanpassung aus einem vorhergehenden Iterationsschritt; Ermitteln einer Oberflächentemperatur des ersten Bildpunktes basierend auf der Temperaturanpassung; und Generieren eines Wärmebilds basierend auf den Oberflächentemperaturen aller Bildpunkte der Mehrzahl von Bildpunkten.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Generieren eines Wärmebilds, ein Computerprogramm, sowie ein Verfahren zum Testen eines Wärmedetektors und ein Testsystem zum Testen eines Wärmedetektors.
Hintergrund der Erfindung
Simulationen, in denen Infrarotbilder oder Wärmebilder erzeugt werden, werden üblicherweise zum Testen von Infrarotsuchvorrichtungen oder Wärmedetektoren eingesetzt. Um einen breiten Bereich von klimatischen und atmosphärischen Gegebenheiten abdecken zu können, werden diese Simulationen als synthetische Umgebungen, d. h. als künstlich generierte Wärmebilder, bereitgestellt. Infrarote dynamische Szenen bzw. Infrarotbilder mit geeigneten Bildfrequenzen werden dabei beispielsweise zum Modellieren von Signalen für Such- und Sichtvorrichtungen benötigt, um eine kontrollierte Bewegung in einem virtuellen Szenario zu erzeugen. Dafür sind Infrarotvideos meistens nicht geeignet.
Im Infrarotspektrum existieren zwei Beiträge zu Schatten: Ein Teil umfasst reflektive Schatten, die durch Verdeckung von direkt reflektierten Infrarotstrahlen entstehen. Der andere Teil umfasst thermische Schatten, die durch Verdeckung vor Strahlung in der Vergangenheit auftreten. Die Vorhersage von thermischen Schatten benötigt eine Berechnung der thermischen Bilanz in vier Dimensionen (d. h. einer dreidimensionalen Geometrie und der eindimensionalen Zeit), die rechentechnisch aufwändig ist und daher meistens nur in Nicht-Echtzeit-Simulationen eingesetzt werden kann.
Zum Erzeugen von Infrarotbildern ist es beispielsweise bekannt, thermische Schatten nachträglich in die Geometrie einer Szene, beispielsweise über zusätzliche Polygone, einzufügen. Hier besteht der Nachteil, dass die Geometrie der Szene angepasst werden muss. Diese Technik ist damit nur beschränkt für den Einsatz in Simulationen mit dynamischer Geometrie geeignet, da sich auch bei dem Bewegen von Objekten in der Szene die Polygone für den thermischen Schatten verschieben müssen.
Weiter ist es möglich, Infrarotbilder beispielsweise durch Raytracing oder Finite-Elemente-Berechnungen zu erzeugen. Diese Berechnungen sind in der Regel nicht echtzeitfähig, wodurch ein Einsatz in Echtzeitsimulationen nicht oder nur eingeschränkt möglich ist. Für die Darstellung eines Infrarotfilms, d. h. einer dynamischen infraroten Szene, in Echtzeit müssen diese Berechnungen in einem Vorverarbeitungsschritt durchgeführt werden, wodurch eine Veränderung der Geometrie während der Simulation in der Regel nicht möglich ist.
DE 10 2012 017 629 A1 beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen einer Ansicht einer Szene mit thermischen Schatten.
Zusammenfassung der Erfindung
Es kann als Aufgabe der Erfindung betrachtet werden, den Rechenaufwand für das Simulieren dynamischer infraroter Szenen zu reduzieren und die Genauigkeit eines Wärmebilds zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen bzw. Generieren eines Wärmebilds einer dreidimensionalen Szene. Üblicherweise wird ein Wärmebildgenerator genutzt, welcher eine zweidimensionale Ansicht basierend auf einem dreidimensionalen Modell, das beispielsweise in einem Computer gespeichert ist, erzeugt. Die dreidimensionale Szene kann eine Mehrzahl von Objekten umfasst, die jeweils durch eine dreidimensionale Beschreibung einer Objektoberfläche (beispielsweise in der Form eines Polygonnetzes), und/oder eines Objektvolumens (beispielsweise in Form eines Voxelgitters) definiert sind. Beispielsweise kann das dreidimensionale Modell ein sogenannter Szenegraph sein.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Generieren eines Wärmebilds angegeben. Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Generieren eines Wärmebilds für einen Wärmegenerator oder zur unmittelbaren Verwendung in einer Simulation. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Ermitteln einer Gleichgewichtstemperatur jeweils für eine Mehrzahl von Bildpunkten eines ersten Objekts in einer dreidimensionale Szene in jeweils einem Iterationsschritt, wobei die dreidimensionale Szene eine Mehrzahl von Objekten aufweist, die jeweils durch eine dreidimensionale Beschreibung einer Objektoberfläche, und/oder eines Objektvolumens definierbar sind; Ermitteln der Gleichgewichtstemperatur für einen ersten Bildpunkt über ein Gleichgewicht zwischen einem an dem ersten Bildpunkt eingehenden Wärmestrom und einem an dem ersten Bildpunkt ausgehenden Wärmestrom; Ermitteln einer Temperaturanpassung für den ersten Bildpunkt basierend auf einer Temperaturanpassung aus einem vorhergehenden Iterationsschritt; Ermitteln einer Oberflächentemperatur des ersten Bildpunktes basierend auf der Temperaturanpassung; Generieren eines Wärmebilds basierend auf den Oberflächentemperaturen aller Bildpunkte der Mehrzahl von Bildpunkten.
Das so ausgestaltete Verfahren ermöglicht es, Wärmebilder mit reduziertem Rechenaufwand und mit erhöhter Genauigkeit zu generieren. Insbesondere ist es möglich, die Wärmebilder unter Einhaltung von Echtzeitbedingungen (d. h. unter garantierter Einhaltung von im Vorfeld bestimmter oder bestimmbarer zeitlicher Anforderungen) zu generieren. Das Verfahren ist auch geeignet, eine dynamische Geometrie abzubilden, d. h. das Wärmebild einer dreidimensionalen Szene mit positionsveränderlichen Objekten. Das Verfahren ermöglicht in einer Ausführungsform auch die Modellierung von Materialien durch Angabe von Stoffwerten unter Berücksichtigung der Oberflächenorientierung.
Indem das Verfahren für das Ermitteln der Gleichgewichtstemperatur eines Bildpunkts auf den eingehenden Wärmestrom und den ausgehenden Wärmestrom abstellt, wird der Rechenaufwand reduziert und zugleich die Genauigkeit des generierten Wärmebilds erhöht.
Bei dem eingehenden Wärmestrom kann es sich um eine Summe der Strahlungstemperatur handeln, also die Strahlungsenergie unter Berücksichtigung der den Bildpunkt betreffenden eingehenden und ausgehenden Strahlungsenergie.
Daneben wird mit dem ausgehenden Wärmestrom beispielsweise auch ein Bodenwärmestrom berücksichtigt, d. h. die in den Boden abgegebene thermische Energie und deren Einfluss auf die Gleichgewichtstemperatur des Bildpunktes.
Die Gleichgewichtstemperatur (auch Equilibrium-Temperatur) ist in der Regel die Temperatur, die die Oberfläche an der Stelle des ersten Bildpunktes annehmen würde, wenn sie kontinuierlich und gleichmäßig bestrahlt oder einer thermischen Strahlung ausgesetzt werden würde (z. B. ohne Veränderung der Position und der Stärke einer entsprechenden thermischen Quelle).
Die aktuelle Temperaturanpassung trägt dem Umstand Rechnung, dass thermische Schatten nicht nur durch Reflexion, sondern beispielsweise auch durch die Wärmespeicherungsfähigkeit der Oberfläche an der Stelle des Pixels und des darunterliegenden Materials beeinflusst werden. Die Temperaturanpassung beruht daher im Allgemeinen auf Werten aus der Vergangenheit, d. h. vorhergehenden Temperaturanpassungen, die zu vorherigen Iterationsschritten berechnet wurden.
Dass die Temperaturanpassung schrittweise erfolgt, basiert auf der Erkenntnis, dass die Angleichung der Oberflächentemperatur an die Gleichgewichtstemperatur nicht schlagartig und nicht-linear erfolgt. Mit zunehmender Abweichung der Oberflächentemperatur von der Gleichgewichtstemperatur geht die Angleichung schneller vonstatten und umgekehrt.
Die Oberflächentemperatur eines Bildpunktes für den folgenden Iterationsschritt kann mit Hilfe einer Approximationsfunktion aus der Gleichgewichtstemperatur und der aktuellen Temperaturanpassung berechnet werden.
Die Berechnung der Oberflächentemperatur der zweidimensionalen Ansicht des Wärmebilds kann dabei pixelweise erfolgen, ohne dass die Temperatur anderer Pixel der zweidimensionalen Ansicht in die Berechnung einfließen muss. Daher kann diese Berechnung parallel durchgeführt werden, um so das Einhalten von Zeitforderungen an das Verfahren zu ermöglichen.
Ein Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Berechnung der Gleichgewichtstemperatur pro Bildpunkt, das ohne eine rechenintensive, numerische thermische Rechnung auskommt. Diese Gleichgewichtstemperatur wird durch ein Aufsummieren der ein- und abgehenden Wärmeströme einer unendlich ausgedehnten, ebenen Platte ermittelt. Basierend auf der Erkenntnis, dass sich Temperaturunterschiede in einem Szenario immer ausgleichen bzw. dass sich Temperaturen benachbarter Objekte oder Objektabschnitte aneinander angleichen, kann die Gleichgewichtstemperatur abgeleitet werden, indem ein Gleichgewicht zwischen der Summe der Wärmeströme und der in einem Körper oder Volumen abgeführten Wärme (Bodenwärmestrom) angenommen wird. Mit Hilfe von Verfahren der Bildgenerierung wird die Gleichgewichtstemperatur der unendlich ausgedehnten, ebenen Platte auf jeden Bildpunkt einer dreidimensionalen Szene übertragen. Dabei wird anschließend die aktuelle Oberflächentemperatur für jeden Bildpunkt nicht-linear an die Gleichgewichtstemperatur angepasst.
Diese Vorgehensweise besitzt einige Vorteile. Durch das Aufsummieren der Wärmeströme bei der Berechnung der Gleichgewichtstemperatur können die ein- und abgehenden Wärmeströme zu jedem Zeitpunkt während der Simulation geändert werden. Dies ist vor allem dann ein Vorteil, wenn dynamische Objekte in einer Szene Beiträge zur Gleichgewichtstemperatur liefern, beispielsweise über eine Abschattung oder durch eine Reflektion von Wärme. In dieser Beschreibung werden zudem die indirekten Wärmeströme in Abhängigkeit vom Grad der Verdeckung der sichtbaren Umgebung angepasst und berücksichtigt.
Des Weiteren findet eine Berechnung durch den Einsatz eines Grafikkartenprozessors pro Bildpunkt statt. Dadurch können feine Details und Temperatursprünge, wie z. B. an Abgrenzungen zwischen einer beleuchteten und einer abgeschatteten Oberfläche, effizient berechnet werden. Bei Ansätzen, die auf Polygonen der Geometrie rechnen, muss dazu die Geometrie sehr fein unterteilt werden, was die Berechnungszeit erhöht.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der eingehende Wärmestrom aus einer Position einer thermischen Quelle in der dreidimensionalen Szene und Reflektionen thermischer Strahlung von anderen Objekten ermittelt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die hierin beschriebenen Verfahrensschritte wiederholt, um eine dynamische thermische Abbildung der Szene zu erzeugen.
In anderen Worten wird also eine sich im Zeitablauf verändernde Szene in dem Wärmebild dargestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Temperaturanpassung des ersten Bildpunktes gemäß einem zeitabhängigen Faktor.
Dieser Faktor bildet die nicht-lineare Angleichung der Oberflächentemperatur an die Gleichgewichtstemperatur ab.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der zeitabhängige Faktor die Näherung einer Funktion, die den tatsächlichen Verlauf der Temperaturänderung approximiert.
Hierzu kann auf Modelle zurückgegriffen werden, die eine Angleichung der Oberflächentemperatur an die Gleichgewichtstemperatur einer Oberfläche beschreiben, um die Genauigkeit des Verfahrens weiter zu erhöhen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren weiterhin den Schritt auf: Ermitteln der Strahlungstemperatur des ersten Objekts in der dreidimensionalen Szene basierend auf einer Summe der eingehenden und abgegebenen thermischen Strahlung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren weiterhin den Schritt auf: Ermitteln eines Schattenfaktors für den ersten Bildpunkt basierend auf einer Schattentextur gemäß einer Position einer thermischen Quelle, wobei der Schattenfaktor einen Grad der Beschattung des ersten Bildpunktes angibt.
Der Schattenfaktor kann als Stärke des Schattens an der Position des Pixels aufgefasst werden. Ein Schattenfaktor von 0 kann dabei vollständige Beschattung und ein Schattenfaktor von 1 vollständige Bestrahlung durch die thermische Quelle bedeuten. Der Schattenfaktor bildet ab, dass die Menge der Strahlungsenergie von einem Schatten in der abgebildeten Szene abhängt. Demnach kann es auch hilfreich sein, den Beitrag der Strahlung zur Umgebungstemperatur bzw. zu der Strahlungstemperatur eines Bildpunktes anzupassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Schattenfaktor beim Ermitteln der Gleichgewichtstemperatur für den ersten Bildpunkt berücksichtigt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren weiterhin den Schritt auf: Ermitteln eines Verdeckungsfaktors für den ersten Bildpunkt basierend auf einer Anordnung der Mehrzahl von Objekten in der dreidimensionalen Szene.
Der Verdeckungsfaktor ist vergleichbar zu dem Schattenfaktor, wird jedoch als Maß für indirekte Strahlungseinflüsse auf jeden einzelnen Bildpunkt der Oberfläche genutzt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Verdeckungsfaktor beim Ermitteln der Gleichgewichtstemperatur für den ersten Bildpunkt berücksichtigt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren weiterhin den Schritt auf: Verändern der dreidimensionalen Szene, wobei nach dem Verändern der dreidimensionalen Szene die Verfahrensschritte nach einem der vorhergehenden Ansprüche erneut durchgeführt werden.
Beispielsweise können der Gang der Sonne als thermische Quelle mit fortschreitender Zeit oder bewegte Objekte wie Fahrzeuge simuliert werden, deren Bewegung eine Änderung der Quelle der thermischen Strahlung bzw. der überdeckten Oberflächen (Schattenfaktor und Verdeckungsfaktor) bewirken kann. Insgesamt ist eine Berechnung von thermischen Schatten sowie einer Oberflächentemperatur eines Objekts unter Echtzeitbedingungen möglich, ohne dass Einschränkungen bezüglich dynamischer Geometrie in einer Szene erforderlich sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Computerprogramm angegeben, das, wenn es auf wenigstens einem Prozessor einer Recheneinheit ausgeführt wird, den Prozessor anleitet, die Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens durchzuführen. Beispielsweise kann das Programm von einer CPU (einem Hauptprozessor eines Rechners) und/oder einer GPU (einem Prozessor einer Grafikkarte) ausgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Testen eines Wärmedetektors angegeben, aufweisend die Schritte: Generieren eines Wärmebilds basierend auf einer dreidimensionalen Szene mit dem hierin beschrieben Verfahren; Erfassen des Wärmebilds mit dem Wärmedetektor; und Abgleichen des erfassten Wärmebilds mit der dreidimensionalen Szene.
Beispielsweise kann Hardware einer Suchvorrichtung, d. h. der Infrarotdetektor oder Wärmedetektor und die angeschlossene elektronische Steuerung mittels der dynamisch erzeugten Szene getestet werden, indem die zweidimensionale Ansicht der Szene mittels eines Projektors dem Infrarotdetektor der Suchvorrichtung präsentiert wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiter die Schritte: Erzeugen von Steuerdaten basierend auf der erfassten Szeneabfolge in einer Steuerung der Suchvorrichtung; Ableiten von Bewegungsdaten aus den Steuerdaten; und Ändern der dynamischen Szene basierend auf den Bewegungsdaten. Beispielsweise kann durch eine simulierte Bewegung eines Flugkörpers, der die Suchvorrichtung tragen soll, eine Bewegung des Betrachters in der dreidimensionalen Szene gesteuert werden. So kann Hardware des Flugkörpers und insbesondere die Suchvorrichtung in einer Regelschleife getestet werden, die ein Simulationssystem zum Erzeugen der infraroten dynamischen Szene, die Infrarotanzeige und die Suchvorrichtung umfasst.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Testsystem zum Testen eines Wärmedetektors. Das Testsystem weist auf: ein Simulationssystem, das dazu ausgeführt ist, das hierin beschriebene Verfahren zum Generieren eines Wärmebilds auszuführen; einen Wärmebildgenerator; und eine Schnittstelle zum Empfangen von Steuerdaten des Wärmedetektors.
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Testsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 eine schematische Darstellung der Schritte eines Verfahrens zum Generieren von Wärmebildern gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
3 eine schematische Darstellung einer dreidimensionalen Szene zum Abbilden auf einem Wärmebildgenerator.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Testsystems 10, das zum Testen einer Suchvorrichtung 12 ausgeführt ist. Die Suchvorrichtung kann beispielsweise der Suchkopf eines Flugkörpers, beispielsweise eines Lenkflugkörpers, sein.
Das Testsystem 10 umfasst einen Simulationsrechner bzw. ein Simulationssystem 14, das dazu ausgeführt ist, Steuerdaten 16 aus einer Steuereinheit 18 der Suchvorrichtung 12 auszulesen und Wärmebilddaten 20 (welche auch als Infrarotbilddaten bezeichnet werden können) an einen Wärmebildgenerator 22 (welcher auch als Infrarotanzeige bezeichnet werden kann), wie etwa einen Infrarotprojektor, zu senden. Die Infrarotanzeige erzeugt aus den Infrarotbilddaten ein Bild, das einem Wärmedetektor 24 (welcher auch als Wärmebilddetektor oder Infrarotdetektor bezeichnet werden kann), beispielsweise einer Kamera, der Suchvorrichtung 12 präsentiert werden, die diese verarbeitet, der Steuereinheit 18 zuführt, die dann beispielsweise aus den verarbeiteten Daten des Infrarotdetektors 24 Steuerdaten 16 erzeugt, die dann die Erzeugung der dynamischen Szene im Simulationssystem 14 beeinflussen können.
Das Simulationssystem 14 weist eine Steuereinheit 26 auf, welche ausgeführt ist, aus einer im Simulationssystem 14 gespeicherten, dreidimensionalen Szene eine zweidimensionale Ansicht der Szene zu erzeugen, die als Infrarotbilddaten 20 an die Infrarotanzeige 22 übertragen werden.
Die beschriebenen Algorithmen und Verfahren können beispielsweise verwendet werden, die Eigenschaften von Flugkörpern, beispielsweise eines Lenkflugkörpers, auszuwerten, die eine Infrarot-Suchvorrichtung 12 besitzen. Beispielsweise können die erzeugten Bilddaten auf einen Infrarotprojektor 22 übertragen und von diesem angezeigt werden. Die auf dem Infrarotprojektor 22 erzeugten Bilder können dann von der Infrarot-Suchvorrichtung 12 des Flugkörpers aufgenommen werden, und es kann überprüft werden, ob die Suchvorrichtung 12 des Flugkörpers in der gewünschten Art und Weise abläuft. Auch ist es möglich, die von der Software erzeugten Infrarotbilder direkt in die Elektronik der Suchvorrichtung 12 einzuspeisen.
Das Simulationssystem 14 erzeugt dabei eine Simulation, bei der sich die Hardware 18, 24 in einer Regelschleife befindet. Solche Simulationen weisen hohe Anforderungen an die Güte der Bilderzeugung auf. Weiter müssen in der Regel Bildfolgen mit hohen Bildfrequenzen, z. B. 60 Bilder pro Sekunde, erzeugt werden, die mit der Hardware 18, 24 synchronisieren. Das Erzeugen der Bildfolgen sollte für eine Vielzahl von verschiedenen synthetischen Szenarien möglich sein.
2 stellt den Ablauf der Verfahrensschritte zum Generieren eines Wärmebilds in einem Ausführungsbeispiel dar.
Im Schritt 110 erfolgt das Szenenrendering, d. h. die geometrischen Gegebenheiten der Szene, deren Wärmebild erzeugt werden soll, werden aufbereitet und vorbereitet. In Schritt 120 werden die Verdeckungsfaktoren ermittelt. Dieser Schritt weist die Teilschritte auf: lineare Tiefe rendern 112 und das Ermitteln der Verdeckungsfaktoren 124. In Schritt 130 wird der Schatteneinfluss ermittelt. Dazu gehören die Teilschritte Wärmequellenposition aktualisieren 132 und Schattenkarte rendern 134. In Schritt 140 erfolgt die thermische Simulation, welche die Teilschritte Ermitteln von Schattenfaktor und Verdeckungsfaktor 142, Bestimmen der Ausgleichstemperatur 144, und Anpassen der Temperatur 146 aufweist.
Der Schritt 150 sieht vor, dass die Schritte 130 und 140 für sämtliche Bildpunkte wiederholt werden, wie auch durch den Pfeil 155 angedeutet. Verändern sich geometrische Vorgaben der dreidimensionalen Szene, so ist in der Regel ein Neustart des Verfahrens nötig, so dass die Schritte 110 und 120 erneut durchgeführt werden.
Im letzten Schritt des Verfahrens erfolgt das Ausgeben des Wärmebilds 160 mit den Teilschritten Einlesen der Temperaturwerte der Bildpunkte 162 und Darstellen der Temperaturwerte auf dem Wärmebildgenerator 164.
3 beschreibt exemplarisch die verschiedenen Arten von eingehender Strahlungsenergie bei einem Objekt 210. Strahlungsenergie 202 kann direkt von einer Strahlungsquelle 200, indirekt 204 über eine Oberfläche wie z. B. die Erdoberfläche 250 oder indirekt 206 von einem anderen Objekt 220 auf das Objekt 210 einwirken. Weiterhin kann von dem Objekt 210 über einen Bodenwärmestrom 208 Strahlungsenergie an die Erdoberfläche 250 abfließen.
Neben der direkten Wärmeeinstrahlung 202, liefert die indirekte Wärmeeinstrahlung 204, 206 aus der Umgebung und der Bodenwärmestrom 208 einen entscheidenden Beitrag zur Wärmebilanz des Objekts 210.
Bei dem mit Bezug zu 2 beschriebenen Verfahren werden die indirekte Wärmeeinstrahlung aus der Umgebung und der Abfluss thermischer Energie über den Bodenwärmestrom dynamisch berücksichtigt, um die Genauigkeit von Wärmebildern zu erhöhen. Es ist ein Aspekt dieser Beschreibung, dass aus den Strahlungsbeiträgen eine Umgebungstemperatur abgeleitet und von dieser, über ein Strahlungsgleichgewicht, eine Ausgleichstemperatur ermittelt wird. Im Gegensatz zu vorberechneten Temperaturen, besitzt diese Vorgehensweise den Vorteil, dass dadurch sowohl die Orientierung der Oberfläche als auch mehrere Strahlungsquellen berücksichtigt werden können.
Im Folgenden werden die mit Bezug zu 2 dargestellten Verfahrensschritte an Hand der Abbildung eines dreidimensionalen Szenarios als Wärmebild detailliert beschrieben:
Bestimmung der Umgebungstemperatur bzw. der Strahlungstemperatur
Eine Umgebungstemperatur kann definiert werden, indem die Energieeinträge auf der Oberfläche eines schwarzen Körpers betrachtet werden. Die Strahlungsbeiträge sind im Einzelnen:
Der direkte Wärmestrom S_d einer Wärmequelle in W/m².
Der indirekte Wärmestrom S_i einer Wärmequelle in W/m².
Der indirekte Wärmestrom R_e der Umgebung in W/m².
Der indirekte Wärmestrom R_LW der Atmosphäre in W/m².
Weitere Wärmeströme, wie z. B. durch Konvektion oder Strahlung, werden in diesem Algorithmus vernachlässigt. Für die Bestimmung der Umgebungstemperatur T_a wird ein Strahlungsgleichgewicht gebildet: εσT 4 / a = S_df_d(1 – α)(1 – β) + S_if_i(1 – α) + (1 – f_i)R_e + εf_iR_LW (1)
Die Bedeutung der Symbole ist der folgenden Tabelle zu entnehmen:
Zur Berechnung der Umgebungstemperatur wird die Gleichung 1.1 nach T_a umgestellt:
Im Folgenden wird genauer auf die einzelnen Wärmeströme eingegangen:
Direkter Wärmestrom
Der direkte Wärmestorm ist abhängig von der Ausrichtung der Oberfläche S_d = S_d0cos(N·L) (3)
Wobei S₀ die direkte Einstrahlung in W/m², N der Normalenvektor der Oberfläche sowie L der Richtungsvektor von der Oberfläche zum Strahler, d. h. zu der thermischen Quelle, ist.
Indirekter Wärmestrom
Der indirekte Wärmestrom fasst den reflektieren Wärmestrom des Strahlers aus der Umgebung zusammen. Es ist wie folgt definiert: S_i = ∫_ΩS_i0cos(γ)dΩ (4)
Wobei S_io die indirekte Einstrahlung in W/m²sr, Ω die Kugel um den Oberflächenpunkt und γ der Einfallswinkel der Strahlung ist. Bei einer homogenen Strahlungsdichte wird das Integral über die Kugel durch S_i = S_io4π ersetzt.
Neben dem indirekten Wärmestrom eines Strahlers werden weitere reflektierte Wärmeströme aus der Umgebung R_e, sowie der langwellige Wärmestrom der Atmosphäre R_LW berücksichtigt. Die reflektierten Wärmeströme können durch eine numerische Simulation, wie z. B. mit RadTherm, ermittelt werden. Letzterer Anteil wird über ein Atmosphärenmodell, wie z. B. MODTRAN, bestimmt.
Ausgleichstemperatur
Für die Bestimmung der Ausgleichstemperatur wird angenommen, dass eine Oberfläche nur aus einer unendlich ausgedehnten Schicht besteht. Die Ausgleichstemperatur T_s ist durch die Gleichheit von Strahlung und Bodenwärmestrom definiert:
Wobei ε der Emissionsgrad der Oberfläche, σ die Stefan-Bolzmann Konstante, T_a die Umgebungstemperatur, λ die Wärmeleitfähigkeit, d die Schichtdicke und T_c die Kerntemperatur ist. Die Kerntemperatur ist die Temperatur einer tiefliegenden Schicht, die im Simulationszeitraum als Konstante angesehen werden kann.
Eine analytische Lösung der Ausgleichstemperatur ist möglich, indem Gleichung 5 nach T_s aufgelöst wird:
Mit den Termen:
Die Vorgehensweise bei der Anwendung dieser Schritte ist wie folgt:

1. Schattenfaktor der direkten f_d und indirekten f_i bestimmen.
2. Albedo α und Emissivität ε der Oberfläche auslesen.
3. Umgebungstemperatur T_a nach Gleichung 2 ermitteln.
4. Ausgleichstemperatur T_s über Formel 6 berechnen.
5. Oberflächentemperatur anpassen.

Im Schritt 110 erfolgt das Rendering der dreidimensionalen Szene. Dabei kann so vorgegangen werden, dass eine sichtbare dreidimensionale Geometrie einer Szene in einem Zwischenspeicher hinterlegt wird. Wenn die dreidimensionale Szene mehrere Male von dem gleichen Blickpunkt aus gerendert wird, kann der Rechenaufwand für nachfolgende Schritte reduziert werden.
Schritt 120 muss für eine statische Szene nur einmal durchgeführt werden. Verändert sich die Szene, so ist dieser Schritt erneut durchzuführen.
Um die Verdeckungsfaktoren zu berechnen wird zuerst ein linearer Tiefenwert aus der Betrachtersicht gerendert und in eine Textur gespeichert. Beim Deferred Renderer kann dieser Renderpass eingespart werden, da der linearisierte Tiefenwert bereits im G-Buffer gespeichert wird. Anschließend wird für jeden Pixel der Verdeckungsfaktor über Volumetric Obscurance bestimmt und in eine Textur gespeichert.
Die Volumetric Obscurance Implementierung kann dabei gemäß bekannten Verfahren erfolgen und wird hier nicht näher dargelegt. Die Abtastpunkte werden durch eine zweidimensionale Gleichverteilung erstellt. Die dazugehörigen Volumina werden anschließend über eine Integration des Kugelvolumens mit Hilfe eines Voronoi-Diagrams bestimmt. Bei der Berechnung des Verdeckungsfaktors wird jeder Abtastpunkt als Paar ausgewertet, um verdeckte Abtastpunkte zu invalidieren.
Im Gegensatz zur Implementierung im visuellen Spektrum, wird für die indirekte Wärmestrahlung der Verdeckungsfaktor so skaliert, dass unverdeckte Pixel einen Verdeckungsfaktor von 0.5 besitzen. Dies bedeutet, dass die Hemisphäre aus der Perspektive dieses Bildpunktes vollständig sichtbar ist. Ein Faktor von < 0.5 bedeutet, dass die Hemisphäre verdeckt und ein Faktor von > 0.5 das mehr als die Hälfte der Sphäre sichtbar ist. Dies ist beispielsweise an 90 Grad Kanten der Fall, da die sichtbare Sphäre aus der Perspektive eines Bildpunktes auf der Kante ca. 270 Grad beträgt.
In den Schritten 130 und 140 wird zunächst für jeden Bildpunkt der Schattenfaktor bestimmt und der Verdeckungsfaktor aus der Textur geladen. Anschließend wird die Umgebungstemperatur nach Formel 2 berechnet und dabei die Materialparameter, wie z. B. die Albedo, aus der Lookup-Tabelle geladen. Bei der Berücksichtigung der Oberflächenorientierung ermöglicht ein gemittelter Normalenvektor der angrenzenden Flächen einen weichen Verlauf der Temperaturen. Aus der Umgebungstemperatur wird die Ausgleichstemperatur nach Formel 6 bestimmt. Anschließend werden die Zeitkonstanten und die Gewichtungsfaktoren des thermischen Modells aus der Lookup-Tabelle gelesen und die Oberflächentemperatur angepasst.
Bezugszeichenliste

10: Testsystem
12: Suchkopf
14: Simulationssystem
16: Steuerdaten
18: Steuereinheit
20: Wärmebilddaten
22: Wärmebildgenerator
24: Wärmedetektor
26: Steuereinheit
110: Szenenrendering
120: Ermittlung der Verdeckungsfaktoren
122: lineare Tiefe rendern
124: Verdeckungsfaktoren ermitteln
130: Ermittlung des Schatteneinflusses
132: Wärmequellenposition aktualisieren
134: Schattenkarte rendern
140: Thermische Simulation
142: Schattenfaktor und Verdeckungsfaktor ermitteln
144: Ausgleichstemperatur bestimmen
146: Temperatur anpassen
150: Wiederholung für alle Bildpunkte
160: Ausgabe
162: Temperaturwerte einlesen
164: Temperaturwerte darstellen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012017629 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Generieren eines Wärmebilds, aufweisend die folgenden Schritte: Ermitteln einer Gleichgewichtstemperatur jeweils für eine Mehrzahl von Bildpunkten eines ersten Objekts in einer dreidimensionale Szene in jeweils einem Iterationsschritt, wobei die dreidimensionale Szene eine Mehrzahl von Objekten aufweist, die jeweils durch eine dreidimensionale Beschreibung einer Objektoberfläche, und/oder eines Objektvolumens definierbar sind; Ermitteln der Gleichgewichtstemperatur für einen ersten Bildpunkt über ein Gleichgewicht zwischen einem an dem ersten Bildpunkt eingehenden Wärmestrom und einem an dem ersten Bildpunkt ausgehenden Wärmestrom; Ermitteln einer Temperaturanpassung für den ersten Bildpunkt basierend auf einer Temperaturanpassung aus einem vorhergehenden Iterationsschritt; Ermitteln einer Oberflächentemperatur des ersten Bildpunktes basierend auf der Temperaturanpassung; Generieren eines Wärmebilds basierend auf den Oberflächentemperaturen aller Bildpunkte der Mehrzahl von Bildpunkten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der eingehende Wärmestrom aus einer Position einer thermischen Quelle in der dreidimensionalen Szene und Reflektionen thermischer Strahlung von anderen Objekten ermittelt wird;
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verfahrensschritte wiederholt werden, um eine dynamische thermische Abbildung der Szene zu erzeugen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperaturanpassung des ersten Bildpunktes gemäß einem zeitabhängigen Faktor erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der zeitabhängige Faktor die Näherung einer Funktion ist, die den tatsächlichen Verlauf der Temperaturänderung approximiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend den Schritt: Ermitteln der Strahlungstemperatur des ersten Objekts in der dreidimensionalen Szene basierend auf einer Summe der eingehenden und abgegebenen thermischen Strahlung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend den Schritt: Ermitteln eines Schattenfaktors für den ersten Bildpunkt basierend auf einer Schattentextur gemäß einer Position einer thermischen Quelle, wobei der Schattenfaktor einen Grad der Beschattung des ersten Bildpunktes angibt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schattenfaktor beim Ermitteln der Gleichgewichtstemperatur für den ersten Bildpunkt berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend den Schritt: Ermitteln eines Verdeckungsfaktors für den ersten Bildpunkt basierend auf einer Anordnung der Mehrzahl von Objekten in der dreidimensionalen Szene.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Verdeckungsfaktor beim Ermitteln der Gleichgewichtstemperatur für den ersten Bildpunkt berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend den Schritt: Verändern der dreidimensionalen Szene; wobei nach dem Verändern der dreidimensionalen Szene die Verfahrensschritte nach einem der vorhergehenden Ansprüche erneut durchgeführt werden.
Computerprogramm, das, wenn es auf wenigstens einem Prozessor einer Recheneinheit ausgeführt wird, den Prozessor anleitet, die Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Verfahren zum Testen eines Wärmedetektors (24), aufweisend die Schritte: Generieren eines Wärmebilds basierend auf einer dreidimensionalen Szene mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11; Erfassen des Wärmebilds mit dem Wärmedetektor (22); Abgleichen des erfassten Wärmebilds mit der dreidimensionalen Szene.
Testsystem (10) zum Testen eines Wärmedetektors (24), das Testsystem aufweisend: ein Simulationssystem (14), das dazu ausgeführt ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Generieren eines Wärmebilds auszuführen; einen Wärmebildgenerator (22); eine Schnittstelle zum Empfangen von Steuerdaten (16) des Wärmedetektors (24).