一种基于OptiX的自然场景温度场计算方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及红外场景仿真领域，具体涉及一种基于OptiX的自然场景温度场计算 方法及系统。
【背景技术】
[0002] 温度高于绝对零度的一切物体都能够自发的向外辐射能量，一般物体的辐射能量 峰值位于红外波段。此外，红外辐射具有全天候工作、透雾性好等突出优势，因此红外目标 探测在军事领域获得了广泛应用。红外武器的作战效能不仅取决于红外探测器的固有属 性，而且还与物体的辐射、天气状况等因素有关。红外场景仿真采用理论计算的方式来评价 红外探测器的性能，它既考虑了红外探测器的固有属性，也考虑了目标场景的辐射分布状 况和天气对探测性能的影响，能对红外探测器进行综合全面的评价。
[0003] 在红外波段，物体的自发辐射是红外探测器接收到的总辐射的重要组成部分，自 发辐射与温度的四次方成正比，因此，温度场的计算对红外场景仿真至关重要。常用的温度 计算方法有三维热传导模型和一维热传导模型，通常三维热传导模型用于内部含有热源的 目标，如车辆、舰船等，而一维热传导模型用于内部不含热源的自然场景，如地表、建筑等。
[0004] 红外场景仿真中，地表、建筑等物体由几何模型组成，根据仿真场景的大小，几何 模型可能包含几千到几十万的面元，对于每一个面元都要计算其温度值。如果采用传统的 基于CPU(Central Processing Unit)的串行运算，将消耗大量的计算时间。此外，太阳遮 挡会产生热阴影效果，为了更准确描述场景的红外辐射分布状况，在温度场计算过程中必 须考虑太阳遮挡效果。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于OptiX的自然场景温度场计算方法 及系统，能够显著提高计算速度和提高红外仿真的热分辨率。
[0006] 第一方面，本发明提供了一种基于OptiX的自然场景温度场计算方法，包括：
[0007] SI.建立某一自然场景的几何模型，并形成所述自然场景的几何模型纹理，其中， 所述自然场景的几何模型由若干个几何面元构成；
[0008] S2.对所述自然场景的几何模型纹理进行材质分类，将几何模型纹理中的不同材 质分开，生成所述自然场景的材质纹理，材质纹理的像素值为自然场景的几何模型纹理中 对应的材质在材质索引表中的材质索引编号；
[0009] S3.根据所述自然场景的几何模型和所述自然场景的材质纹理，利用一维热传导 模型采用OptiX对所述自然场景的几何模型中的所有几何面元进行一维热传导并行计算， 得到所述自然场景的几何模型中每个几何面元的温度分布。
[0010] 其中，所述步骤S2包括：
[0011] S21.对所述自然场景的几何模型纹理进行材质分类；
[0012] S22.根据所述材质分类结果统计所述自然场景中的材质类别总数，并编制材质索 引表，所述材质索引表中包括材质索引编号、材质层数、材质名称和材质厚度，其中根据所 述材质名称可以得到材质的密度、比热容、热传导系数、太阳短波吸收率、长波发射率、天空 长波吸收率和/或自发辐射系数；
[0013] S23.根据所述自然场景的几何模型纹理的材质分类结果，生成所述自然场景的材 质纹理，材质纹理的像素值为自然场景的几何模型纹理中对应的材质在材质索引表中的材 质索引编号。
[0014] 其中，所述材质索引表还包括：边界类型和边界条件参数；所述边界类型包括上 边界类型和下边界类型；所述边界条件参数包括温度、风速和热流。
[0015] 其中，所述步骤S3包括：
[0016] 根据所述自然场景的几何模型和所述自然场景的材质纹理，采用一维瞬态热传导 模型
【主权项】
1. 一种基于OptiX自然场景温度场计算方法，其特征在于，包括：
51. 建立某一自然场景的几何模型，并形成所述自然场景的几何模型纹理，其中，所述 自然场景的几何模型由若干个几何面元构成；
52. 对所述自然场景的几何模型纹理进行材质分类，将几何模型纹理中的不同材质分 开，生成所述自然场景的材质纹理，材质纹理的像素值为自然场景的几何模型纹理中对应 的材质在材质索引表中的材质索引编号；
53. 根据所述自然场景的几何模型和所述自然场景的材质纹理，利用一维热传导模型 采用OptiX对所述自然场景的几何模型中的所有几何面元进行一维热传导并行计算，得到 所述自然场景的几何模型中每个几何面元的温度分布。
2. 根据权利要求1所述的自然场景温度场计算方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
521. 对所述自然场景的几何模型纹理进行材质分类；
522. 根据所述材质分类结果统计所述自然场景中的材质类别总数，并编制材质索引 表，所述材质索引表中包括材质索引编号、材质层数、材质名称和材质厚度，其中根据所述 材质名称可以得到材质的密度、比热容、热传导系数、太阳短波吸收率、长波发射率、天空长 波吸收率和/或自发辐射系数；
523. 根据所述自然场景的几何模型纹理的材质分类结果，生成所述自然场景的材质纹 理，材质纹理的像素值为自然场景的几何模型纹理中对应的材质在材质索引表中的材质索 引编号。
3. 根据权利要求2所述的自然场景温度场计算方法，其特征在于，所述材质索引表还 包括：边界类型和边界条件参数；所述边界类型包括上边界类型和下边界类型；所述边界 条件参数包括温度、风速和热流。
4. 根据权利要求1所述的自然场景温度场计算方法，其特征在于，所述步骤S3包括： 根据所述自然场景的几何模型和所述自然场景的材质纹理，采用一维瞬态热传导模型 A ,·,·， ^ rj-t = 计算每个几何面元的温度分布，其中，P为介质密度，C为介质比热容，k为 Ot OZ ~ 热传导系数，Z为面元法线方向厚度； 其中，在进行上述几何面元温度分布求解时需要设定上下表面的边界条件，所述自然 场景的几何模型包括地表和/或建筑物，对于包含地表的自然模型，地面下的边界条件为 到达地下一定深度后温度保持恒定不变，用公式表示为T I z = H= T _st，其中H代表地下深 度，T_s代表该深度一下的恒定温度值；地面上表面暴露在自然环境中，其边界条件为热平 衡条件，其热平衡方程为 α 2Esky_ ε σ T4-Hg-LEg-G = 0 其中，G = -α η α2、ε分别为太阳短波吸收率、天空长波吸收率和自发辐射系数，Esun为太阳辐照度，E sky为 天空辐照度，ε 〇 T4为自发辐射能量，H 8为地表显热交换损失，LE g为潜热交换损失，G为地 表向下热传导损失。
5. 根据权利要求4所述的自然场景温度场计算方法，其特征在于，对于包含建筑物的 自然场景，上边界对应建筑物外侧，满足热平衡条件α 2Esky_ ε σ T4-Qranv-G = 0 ;下 边界对应建筑内侧，存在自然对流热交换，满足条件Ε_ν I ζ = Η = h (Τ-Τ a);其中，Q_v为对流 换热，h为建筑内表面与室内空气对流系数，Ta为室内温度。
6. 根据权利要求5所述的自然场景温度场计算方法，其特征在于，所述地表包括多种 材质，所述建筑物也包括多种材质； 在任意两种材质的交界处采用热平衡条件来求解材质交界节点处的温度，两种材质中 间节点热平衡方程为：
其中，式中Tf代表t时刻第η个节点的温度，Λ τ和ΛΖ分别为时间步长和距离步 长，a为热扩散系数，kp 1^2为热传导系数。
7. 根据权利要求1所述的自然场景温度场计算方法，其特征在于，还包括： 为每一个几何面元设计多个采样点，计算每个采样点的温度，由多个采样点决定一个 面兀的温度。
8. 根据权利要求7所述的自然场景温度场计算方法，其特征在于，还包括： 根据所述自然场景的几何模型中的几何面元上的采样点的几何模型纹理坐标，通过反 向纹理映射生成温度纹理，其中，所述自然场景的几何模型中某一采样点的几何模型纹理 坐标为（x，y)，对应的温度纹理像素坐标为（m，η)，要生成的温度纹理的宽高分别为W和H， 映射方式为：m = xX (W-I) ;n = yX (H-I);根据某一采样点对应的温度纹理像素坐标，把 计算得到的该采样点的温度值保存在对应的像素点，生成包围几何模型的温度纹理。
9. 根据权利要求8所述的自然场景温度场计算方法，其特征在于，还包括： 对生成的温度纹理进行零值检测，并采用滤波的方法对所有零值点进行填补。
10. -种基于OptiX的自然场景温度场计算系统，其特征在于，包括几何模型建立单 元、材质纹理形成单元和温度场计算单元； 所述几何模型建立单元，用于建立某一自然场景的几何模型，并形成所述自然场景的 几何模型纹理，其中，所述自然场景的几何模型由若干个几何面元构成； 所述材质纹理形成单元，用于对所述自然场景的几何模型纹理进行材质分类，将几何 模型纹理中的不同材质分开，生成所述自然场景的材质纹理，材质纹理的像素值为自然场 景的几何模型纹理中对应的材质在材质索引表中的材质索引编号； 所述温度场计算单元，用于根据所述自然场景的几何模型和所述自然场景的材质纹 理，利用一维热传导模型采用OptiX对所述自然场景的几何模型中的所有几何面元进行一 维热传导并行计算，得到所述自然场景的几何模型中每个几何面元的温度分布。
【专利摘要】本发明提供了一种基于OptiX的自然场景温度场计算方法，包括：建立某一自然场景的几何模型，并形成所述自然场景的几何模型纹理，其中，所述自然场景的几何模型由若干个几何面元构成；对所述自然场景的几何模型纹理进行材质分类，生成所述自然场景的材质纹理，材质纹理的像素值为自然场景的几何模型纹理中对应的材质在材质索引表中的材质索引编号；根据所述自然场景的几何模型和所述自然场景的材质纹理，利用一维热传导模型采用OptiX对所述自然场景的几何模型中的所有几何面元进行一维热传导并行计算，得到所述自然场景的几何模型中每个几何面元的温度分布。本发明提供的方法能够显著提高计算速度和提高红外仿真的热分辨率。
【IPC分类】G06T17-30
【公开号】CN104835203
【申请号】CN201510184929
【发明人】王霞, 汪昊, 金伟其, 刘莉, 龙腾
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年4月17日