一种基于仿真评估分析的伪装方案辅助设计系统及方法与流程

文档序号：21637769发布日期：2020-07-29 02:48阅读：838来源：国知局

本发明属于计算机仿真技术领域，具体涉及一种基于仿真评估分析的伪装方案辅助设计系统及方法。

背景技术：

近年来，军事侦察探测已经构成一种全维立体的侦察探测网络，外军对重要目标的态势感知能力不断增强，全面监视、实时指挥、准确定位、精确打击已成为军事强国掌握战场主动性的决定因素。伪装作为重要的作战保障手段，通过采用植物、迷彩、遮障、烟雾、假目标等技术方法，对目标实现隐真和示假，作用就是在于直接破坏、干扰敌方获取侦察信息，削弱对目标定位与攻击的准确性与及时性。上世纪末以来发生的几场高技术战争、特别是科索沃战争已充分展示了伪装作为信息对抗手段在高技术战争中的作用与地位。

面对全时域连续侦察监视，伪装方案设计是一个多因素、多层次的过程，通常需要根据具体情况(目标、威胁、背景环境)制定目标的伪装方案。在实施目标伪装方案设计过程中，要求设计人员能够及时、准确地分析、判断背景和目标多波段特性，并以此为依据设计多套伪装方案进行分析与决策。因此，伪装方案辅助设计是伪装决策的一项重要内容，对伪装方案及时、准确地优化与决策能有效地控制伪装行动风险，提高目标伪装质量。

随着计算机技术发展，计算机仿真与计算技术被广泛应用于各种辅助决策系统，实现辅助决策的自动化处理，提高辅助决策的效率和准确度。然而，目前尚缺乏面向伪装设计的计算机仿真与评估手段，虽然具有较齐全的伪装特性检测手段，能够涵盖光学、红外、雷达波段，但检测数据与伪装方案辅助设计、评估尚未构成计算机应用闭环，导致目前伪装方案辅助设计与评估存在以下缺点：

1、目标伪装方案辅助设计阶段仅提供作业地点、使用人力、时间、方法、器材，不能给出方案对应的伪装效果，导致伪装设计不能形成闭环，伪装效果评估大多在伪装作业完成后实施，若效果不佳则需要修改伪装方案，如此迭代会带来大量人力与时间的浪费；而且，在特定不具备实施伪装效果作业的场景，伪装作业后设计人员不能掌握其伪装效果，被侦察探测风险加大。

2、模拟仿真用于辅助决策已经发展多年，各种视景仿真引擎已经投入商业应用，然而，伪装更加关心视景仿真中的光谱信息，也就是与现实目标与场景的逼真程度，目前市场上的视景仿真尚不满足这种要求，需要建立一种基于实景地物的建模仿真方法来满足伪装仿真需求。

3、目前伪装方案评估是通过对试验检测数据分析得到结果，进而指导伪装方案优化，这种方法要求伪装已经实施完毕才能够进行，因此，这种评估方法不能用于仿真优化中，需要提供一种评估计算方法，能够在未实施伪装作业前基于仿真数据进行评估计算，指导伪装方案优化设计。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于仿真评估分析的伪装方案辅助设计系统及方法。结合光学和红外仿真技术，能够快速模拟各种气象条件下的伪装场景，考虑大气衰减传输效应，采用探测器模拟技术生成伪装目标探测图片，并给出了一种基于仿真数据的伪装方案评价方法，对伪装方案进行仿真评估，指导方案优化设计。本发明能够解决光学波段、红外波段伪装方案效果仿真评估与优化问题，实现满足“方案设计->仿真模拟->评估计算->方案优化”设计闭环的伪装方案辅助设计系统。

本发明通过以下技术方案予以实现：

基于仿真评估分析的伪装方案辅助设计系统包括一架四旋翼无人机、云台、光学相机、红外相机、飞行遥控器、视频传输模块、拍照远程控制模块、高精度定位数据获取与传输模块、地面站及仿真计算软件。云台安装在四旋翼无人机下方；光学相机与红外相机利用固定螺栓安装固定在云台安装上，一次飞行作业只支持一种相机安装与拍照；飞行遥控器控制四旋翼无人机飞行，用户可以通过飞行遥控器控制四旋翼无人机起飞、降落、悬停等操作，以及云台的俯仰和横滚控制操作；视频传输模块摄像头利用塑料卡口安装在光学相机或红外相机上方，与相机同视野；拍照远程控制模块由相机快门控制信号发射板与接收控制板组成，相机快门控制信号发射板部署在地面站上，拍照远程控制模块的快门控制信号接收控制板安装在四旋翼无人机云台上，相机快门控制信号接收控制板安装有红外发射器，发射红外信号对准相机快门控制红外接收器；高精度定位与数据传输模块安装于四旋翼无人机机顶。仿真计算软件安装部署于地面站，完成数据处理、仿真与分析计算。

进一步，四旋翼无人机包含飞控、导航定位模块，四旋翼无人机飞控选用开源飞控软件ardupilot以及兼容该飞控软件的pixhawk飞控板，并选用兼容北斗的gps接收机模块，并修改配置，同时接收北斗及gps的卫星数据并解算，得出在中国地区更好的定位效果。

进一步，云台支持俯仰(抬头与低头)以及横滚，具有光学相机、红外相机的安装固定孔位，并具有远程无线控制模块，可以实现地面远程控制云台的俯仰及横滚动作，选择相机拍照角度。

进一步，光学相机为pix4d软件支持光学单反相机，配合地面仿真计算软件实现目标与背景三维模型快速重构。

进一步，红外相机支持拍照与目标测温，用于伪装方案红外目标特性仿真数据校验。

进一步，飞行遥控器用于无人机飞行控制以及云台远程控制。

进一步，视频传输模块由视频摄像头、视频发射板与视频接收板组成，用于无人机携载光学相机或红外相机飞行拍照过程中视场监视，辅助选择合适的拍摄视角，视频发射板安装在无人机下方，用于无遮挡向地面传输视频图像，所述视频接收板通过usb接口连接地面站，由地面站显示接收视频。

进一步，高精度定位数据获取与传输模块包含厘米级gps定位板，以及数据发射板和数据接收板，用于将拍照时刻无人机的精确定位信息传输到地面，配合对应的照片进行统一存储。

进一步，地面站为一台具有计算性能与图像计算功能的笔记本电脑，通过视频接收板接收数据查看四旋翼无人机实时视频。

进一步，仿真计算软件安装部署于地面站，具有目标与背景三维重构、伪装方案辅助设计与仿真场景构建、伪装方案仿真分析、伪装方案评估计算功能，并包括目标特性数据库、材质库、背景环境库、侦察装备库等数据库管理单元。

本发明还提供基于仿真评估分析的伪装方案辅助设计方法，包括以下步骤：

步骤一，在仿真建立前，需要准备数据库数据。利用无人机进行目标、背景多角度图像数据采集，利用pix4d软件将采集的多维度图像处理生成三维数据，将生成的目标三维模型数据存入目标模型库，背景三维模型数据存入背景环境库；利用物理仿真方法对建立的目标及背景进行典型气象条件下的仿真，并利用无人机搭载红外相机采集数据进行校验，校验后将数据存入目标特性数据库，为红外目标特性快速计算提供数据基础；

步骤二，根据伪装地点设置需要，从背景环境库选择需要的背景，并导入背景三维模型数据，在显示区显示；

步骤三，对导入的背景三维模型进行材质分类，此过程为人工操作，用户通过点击软件背景材质分类后进入背景编辑状态，手工圈好一块背景后(曲线封闭)从材质库中选择背景材质；

步骤四，进行伪装方案设计，用户在背景中选择伪装地点，然后从目标模型库选择目标以及所用的伪装器材，例如目标放置后采用某伪装网伪装，用户选择伪装网使用的片数，并确定伪装网架设时的支点位置与支点高度选择，软件则自动根据用户设置生成伪装方案场景；

步骤五，设置仿真时间和气象条件，包括年，月，日，时，分，秒，太阳直射，太阳散射，气温，风速，相对湿度等；

步骤六，设置伪装场景仿真波段，包括光学(可见光/红光/绿光/紫外等)，红外(短波红外/中波红外/长波红外等，或波段划分取名)，支持用户自定义波段编辑，如红外波段(8-12um)或红外波段(8-14um)；

步骤七，进行模拟探测设置，包括近景观测、高空探测模拟，支持光学、红外探测器参数编辑；

步骤八，仿真运行，按照先前设置的伪装方案与仿真参数进行仿真，其中，红外场景基于红外目标特性库进行快速计算，拟合新设置的气象条件，结束后将仿真结果在显示区显示；

步骤九，评估计算，在仿真运行基础上，截取多个视角的近景观测或高空探测模拟仿真图像，基于仿真图像进行伪装效果评估计算，给出伪装方案评估等级及建议；

步骤十，用户根据评估结果及建议判断该方案是否满足需要，满足则保存该方案并导出指导伪装作业，若不满足则回到步骤四，重新进行伪装方案设计，直到满足要求。

以上设计方法的步骤九的评估计算，具体步骤如下：

步骤1，建立基于仿真数据伪装方案评价样本库，利用基于仿真评估分析的伪装方案辅助设计系统仿真输出能够覆盖方案从优到差的伪装场景实例，实例数量不少于100个，涵盖最好和最差的实例；找不少于10位伪装专家对实例进行打分，对各实例取平均分作为样本得分，建立伪装方案仿真数据标准样本；

步骤2，制定多个可提取参量，本方法选择仿真图像的亮度平均值(a1)、亮度方差(a2)、二阶距(a3)、图像熵(a4)、惯性矩(a5)、相关性(a6)、灰度直方图(a7)7个参量；

步骤3，考虑可见光图像和红外图像内在结构纹理的差别，评估选用的图像特征也有所不同，分别建立可见光、红外伪装效果评价指标体系，与指标权重，二者建立方法相同。提取各仿真数据标准样本目标与背景亮度平均值(a1)、亮度方差(a2)、二阶距(a3)、图像熵(a4)、惯性矩(a5)、相关性(a6)、灰度直方图(a7)的差值，记为xi＝{xi1,xi2,...,xi7}(i＝1,2,...n)，n为样本数量，xi1,xi2,...,xi7为第i个样本提取的7个图像特征指标值；

步骤4，确定指标构成，首先对上一步xi样本数据归一化，采用z-score法，取：

分别为均值和仿真

然后，计算xi样本数据的相关系数矩阵：r＝{rij}，(i，j＝1,2,...7)，rij采用下式计算：

最后，设置一个相关系数阀值rm，rij＞rm，则认为两个指标相关性强(本方法设置rm＝0.8)，在两个指标之间选择有代表性的指标，本方法中给出的原则是除去对比的两个指标外，该指标与其他几个指标相关系数平方加权和srj最小，则认为是典型指标，例如二阶距与相关性(a3，a6)两个指标相关系数大于0.8，通过计算：

若sr3＜sr6，则二阶距与相关性(a3，a6)两个指标选择二阶距(a3)为典型指标，否则选择相关性(a6)为典型指标；

步骤5，确定指标权重，针对选取的典型指标，采用熵权法计算指标权重，各指标权重计算公式为：

式中，(yij为归一化的指标值)；

步骤6，伪装效果分级，根据仿真数据标准样本进行伪装效果分级，例如一级(85～100分)，二级(70～85分)，三级(55～70分)，四级(0～55分)；

步骤7，导入待评价的可见光或红外仿真数据，选择目标区域，根据选择的目标区域计算提取与该目标比对的直接背景；

步骤8，根据选择的指标计算目标与直接背景的指标值；

步骤9，根据确定的指标权重和伪装分级进行效果评估，得到评估结果，指导伪装方案优化。

本发明的有益效果为：

1、本发明结合光学和红外仿真技术，实现满足“方案设计->仿真模拟->评估计算->方案优化”设计闭环的伪装方案辅助设计系统，能够快速模拟多个视角不同侦察探测和气象条件下的可见光和红外波段伪装场景，通过计算机仿真仿真评估得到伪装方案效果等级预测结果与改进建议，满足伪装辅助决策需求，提高了伪装方案实施的有效性，同时节省了人力物力；

2、本发明给出了一种基于仿真数据的伪装方案评价计算方法，通过建立仿真数据专家样本库，并对样本数据多个特征参数分析计算得到指标与指标权重，进而得到仿真数据评价结果，指导方案优化设计；

3、本发明提供了一套基于低空旋翼无人机的三维背景数据采集手段，较传统的二维图像背景数据采集，三维背景数据采集方法为方案设计人员提供了更多维度的背景勘测信息，使得伪装方案设计能够得到更多的信息支持；

4、相对虚拟背景仿真构建技术，本发明基于采集的三维背景数据构建背景三维模型，使得伪装方案仿真能够基于接近实景的地物实施，并在实景地物基础上结合仿真技术进行伪装场景模拟，提高了伪装方案仿真的逼真度；

5、本发明提供了地面目标三维模型构建手段，结合测量目标外形的关键尺寸，用户可以自行建立与真实目标一致的目标三维模型，并存入数据库，无需其他专业目标建模人员指导，使用便捷，具有良好的推广前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的系统硬件组成图；

图2是本发明的仿真计算软件系统功能图；

图3是本发明中的设计方法步骤图；

图4是本发明中的仿真评估计算方法步骤图。

图中：1-四旋翼无人机、2-云台、3-光学相机、4-红外相机、5-飞行遥控器、6-视频传输模块、7-拍照远程控制模块、8-高精度定位数据获取与传输模块、9-地面站、10-pix4d软件、11-光学场景仿真模块、12-伪装方案设计模块、13-红外目标特性预测模块、14-光学/红外探测模拟模块、15-三维场景显示模块、16-评估计算模块、17-目标模型库、18-背景环境库、19-红外目标特性库、20-红外特性材质库。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明硬件包括一架四旋翼无人机1、云台2、光学相机3、红外相机4、飞行遥控器5、视频传输模块6、拍照远程控制模块7、高精度定位数据获取与传输模块8、地面站9。

四旋翼无人机1安装飞控、导航定位模块，实现地面遥控下的飞行；云台2固定安装在四旋翼无人机1下方，支持俯仰和横滚，用于调整光学相机3或红外相机4的拍摄视角；飞行遥控器5可以控制四旋翼无人机1飞行，用户可以通过飞行遥控器5控制四旋翼无人机1起飞、降落、悬停等操作，以及云台2的俯仰和横滚控制操作；拍照远程控制模块7包括相机快门控制信号发射板与接收控制板，相机快门控制信号发射板通过串口连接地面站9，地面站9可以通过仿真计算软件发送拍照控制命令，接收控制板安装在云台2上，并利用红外发射器来控制光学相机3或红外相机4的红外控制快门，拍照远程控制模块7的接收控制板安装应使得拍照远程控制模块7红外发射器对准光学相机3或红外相机4的红外控制快门方向。地面站9和飞行遥控器5部署在地面，供用户实时使用。

在进行背景与目标三维建模任务时，光学相机3通过螺栓安装固定在云台2上，视频传输模块6包括视频摄像头、视频发射板和视频接收板，视频传输模块6的视频摄像头通过塑料卡口安装在光学相机3上方，并与光学相机3处于同一视角方向，视频传输模块6用于获取光学相机3的可见光视频，供用户查看并决定是否在该视角下拍照，视频传输模块6视频发射板安装在无人机下方，用于无遮挡向地面传输视频图像，视频传输模块6视频接收板通过usb接口连接地面站9，地面站9通过usb摄像头应用软件查看四旋翼无人机1实时视频；高精度定位数据获取与传输模块8安装在四旋翼无人机1机顶上，用于稳定地获取高精度四旋翼无人机1位置数据，并将数据回传给地面站9。高精度定位数据获取与传输模块8厘米级gpg定位板，以及数据发射板和数据接收板，厘米级gps定位板与数据发射板连接，并安装于四旋翼无人机1下方，高精度定位数据获取与传输模块8的数据接收板通过usb接口连接地面站9，将获取的高精度定位数据传输给地面站9。

在进行红外场景数据采集任务时，四旋翼无人机1无需安装高精度定位数据获取与传输模块8，并卸载光学相机3，更换安装红外相机4，其他模块安装方法不变。

仿真计算软件安装部署于地面站，完成数据处理、仿真与分析计算，软件系统功能框图如图2所示。软件由pix4d软件10、光学场景仿真模块11、伪装方案设计模块12、红外目标特性预测模块13、光学/红外探测模拟模块14、三维场景显示模块15、评估计算模块16、目标模型库17、背景环境库18、红外目标特性库19和红外特性材质库20组成。

在伪装方案仿真评估前，首先需要建立目标与背景三维模型，伪装效果分析更着重仿真场景的逼真度，因此本发明提出的方法建立在真实背景与目标建模基础上。pix4d软件10利用无人机低空多角度采集数据建立目标与背景三维模型，并将目标三维模型数据存入目标模型库17，背景三维数据存入背景环境库18；伪装方案设计模块12通过选择背景地点、布置目标、架设伪装器材来设计目标伪装方案，目标及伪装器材从目标模型库17选择并导入；在伪装方案设计布设完成后，光学场景仿真模块11在设计气象条件、仿真波段后进行光学场景仿真，结果通过三维场景显示模块15显示；光学/红外探测模拟模块14用于模拟高空、低空、地面等侦察设备参数，基于光学场景仿真模块11与红外目标特性预测模块13计算的场景仿真数据进行等效模拟，结果通过三维场景显示模块15显示；红外目标特性预测模块13基于红外目标特性库19和红外特性材质库20数据对用户设置的特定气象环境下的红外场景进行快速预测计算，结果通过三维场景显示模块15显示。红外目标特性库19是红外仿真模型的支撑库，具体数据格式包括年，月，日，时，分，秒，太阳直射，太阳散射，气温，风速，相对湿度，目标方位，目标状态(静止/移动及时间)，目标表面温度文件。红外特性材质库20，存储用于红外仿真所考虑的材料特性，具体字段包括材料的密度、导热系数、比热太阳吸收率、红外发射率。目标模型库17对应软件目标库工具栏，包括装备目标、伪装器材等模型数据，这些数据模型包括结构/材质等信息，以支撑传递给红外仿真模型。背景环境库18存储构建的三维环境数据，以及树木、草丛、草地等分类环境地物模型数据。

如图3所示，基于仿真评估分析的伪装方案辅助设计方法包含以下步骤：

步骤一，在仿真建立前，需要准备数据库数据。利用无人机进行目标、背景多角度图像数据采集，利用pix4d软件10将采集的多维度图像处理生成三维数据，将生成的目标三维模型数据存入目标模型库17，背景三维模型数据存入背景环境库18；利用物理仿真方法对建立的目标及背景进行典型气象条件下的仿真，并利用四旋翼无人机1搭载红外相机4采集数据进行校验，校验后将数据存入红外目标特性库19，为红外目标特性快速计算提供数据基础；

步骤二，根据伪装地点设置需要，从背景环境库18选择需要的背景，并导入背景三维模型数据，在显示区显示；

步骤四，进行伪装方案设计，用户在背景中选择伪装地点，然后从目标模型库17选择目标以及所用的伪装器材，例如目标放置后采用某伪装网伪装，用户选择伪装网使用的片数，并确定伪装网架设时的支点位置与支点高度选择，软件则自动根据用户设置生成伪装方案场景；

步骤五，设置仿真时间和气象条件，包括年，月，日，时，分，秒，太阳直射，太阳散射，气温，风速，相对湿度等；

步骤七，进行模拟探测设置，包括近景观测、高空探测模拟，支持光学、红外探测器参数编辑；

步骤八，仿真运行，按照先前设置的伪装方案与仿真参数进行仿真，其中，红外场景基于红外目标特性库19进行快速计算，拟合新设置的气象条件，结束后将仿真结果在显示区显示；

步骤十，用户根据评估结果及建议判断该方案是否满足需要，满足则保存该方案作为伪装作业指导，若不满足则回到步骤四，重新进行伪装方案设计，直到满足要求。

本发明提供了基于仿真数据的伪装评估计算方法，如图4所示，具体步骤如下：

步骤3，考虑可见光图像和红外图像内在结构纹理的差别，评估选用的图像特征也有所不同，分别建立可见光、红外伪装效果评价指标体系，与指标权重，二者建立方法相同，提取仿真数据标准样本目标与背景亮度平均值(a1)、亮度方差(a2)、二阶距(a3)、图像熵(a4)、惯性矩(a5)、相关性(a6)、灰度直方图(a7)的差值，记为xi＝{xi1,xi2,...,xi7}(i＝1,2,...n)，n为样本数量，xi1,xi2,...,xi7为第i个样本提取的7个图像特征指标值；