一种红外阴影仿真生成方法及系统

1.本发明涉及红外仿真技术领域，特别是涉及一种红外阴影仿真生成方法及系统。


背景技术：

2.近年来，随着红外制导武器系统的发展和应用，红外成像仿真技术已成为国内外竞相研究的热点。开展典型地面目标尤其是建筑物目标的红外场景仿真技术研究，建立更加真实可靠的红外仿真场景，可以为红外武器的设计、研制和验证提供强有力的保障，大大地提高研制效率，缩短产品周期，具有重大的军事意义。
3.目前国内已经提出了很多红外场景仿真的方法，第一种思路是基于国外的仿真平台系统，这类仿真平台目前较多，如vega的sensorvision、美国空军地球实验室的modtran等。第二种思路是采用实验经验值的方法，在红外仿真过程中根据大量实验将场景赋予经验辐射值，快速得到场景图像，使用实验经验值的方法可以重现特定条件场景下的红外图像，可信度较高，但对实验条件要求较高，消耗人力物力较大，并且还要确保实验准确可行。第三种思路是采用理论生成法，根据传热学原理结合大气传输模型和红外传感器模型完成仿真工作，传统的红外场景生成技术通常基于这种思路，其研究重点集中在目标背景表面温度场分布的计算上。
4.而对于场景红外阴影的仿真生成并没有统一的方法或模型，但红外阴影的存在已经给红外目标检测和红外信息获取等工作带来不可回避的负面影响，对于红外阴影产生和仿真的研究也逐步开始引起人们的重视，已公开的文献中涉及红外阴影计算仿真生成如下：
[0005]“红外目标与背景的真实感合成”，(王章野等，计算机辅助设计与图形学学报，vol.14(11)，2002)，该文章中定义的红外阴影是地面受坦克强烈热辐射影响而产生的高于周围区域的温度场分布效果，而不是由于太阳光被遮挡造成场景地面温度不均匀分布形成的红外阴影，且只计算了温度连续变化的情形，对于外部辐射条件改变的情况考虑不足。
[0006]“典型目标场景的红外成像仿真研究”，(江照意，博士学位论文，2007)。文中考虑地面自身过去的热状态，根据光照时间形成遮挡区间纹理，并且在绘制图象时，利用线形可见性函数增强对阴影的优化。但其是将地面阴影产生区域作为整体看待，仅仅将边缘进行模糊优化，生成阴影精度不够，较为生硬。
[0007]“地面目标对太阳红外辐射反射的模拟”(卢清鹏，硕士学位论文，2007)。文中将太阳视为点光源，主要考虑物体自遮挡产生的阴影，利用光线跟踪算法计算阴影区域，并没有综合考虑到光照时间对阴影产生的影响和叠加增益。
[0008]
综上所述，到目前为止，尚未发现一种统一有效的由遮挡阳光产生红外阴影的计算方法。


技术实现要素：

[0009]
本发明的目的是提供一种红外阴影仿真生成方法及系统，可以仿真生成由遮挡阳
光产生的红外阴影。
[0010]
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0011]
一种红外阴影仿真生成方法，包括：
[0012]
对目标场景内的遮挡物体和地面进行三维建模得到目标场景模型，并对所述目标场景模型中的地面模型进行网格划分得到多层片元单元，一个所述片元单元为由多个片元组成的单层结构；
[0013]
采用平面投影阴影算法根据所述目标场景模型中的遮挡物体模型计算一天内顶层片元单元中各所述片元在各个时刻的光照状态；所述光照状态包括有光照和没有光照；
[0014]
建立地表面热平衡方程；
[0015]
根据所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的光照状态和所述地表面热平衡方程得到所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的温度；
[0016]
根据所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的温度确定所述目标场景在所述目标时刻的红外阴影。
[0017]
可选的，所述根据所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的光照状态和所述地表面热平衡方程得到所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的温度，具体包括：
[0018]
对于顶层片元单元中任意一个片元，根据所述片元在目标时刻的光照状态确定求解的初始值；
[0019]
根据所述初始值对所述地表面热平衡方程进行求解得到所述片元在目标时刻的温度。
[0020]
可选的，所述根据所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的温度确定所述目标场景在所述目标时刻的红外阴影，具体包括：
[0021]
对于顶层片元单元中任意一个片元，根据所述片元在目标时刻的温度确定所述片元的辐射亮度；
[0022]
根据所述片元的辐射亮度确定所述片元对应的灰度值；
[0023]
根据所述顶层片元单元中各片元的灰度值得到所述目标场景在所述目标时刻的红外阴影。
[0024]
可选的，所述根据所述片元在目标时刻的光照状态确定求解的初始值，具体包括：
[0025]
根据一天内所述片元在各个时刻的光照状态确定所述片元的光照数据纹理；
[0026]
根据所述片元的光照数据纹理确定所述片元在目标时刻的光照状态；
[0027]
根据所述片元在目标时刻的光照状态确定所述片元在目标时刻的光照情况，所述光照情况包括：处于光照前、处于光照中和处于光照后；
[0028]
根据所述片元在目标时刻的光照情况确定求解的初始值。
[0029]
一种红外阴影仿真生成系统，包括：
[0030]
建模网格划分模块，用于对目标场景内的遮挡物体和地面进行三维建模得到目标场景模型，并对所述目标场景模型中的地面模型进行网格划分得到多层片元单元，一个所述片元单元为由多个片元组成的单层结构；
[0031]
光照状态确定模块，用于采用平面投影阴影算法根据所述目标场景模型中的遮挡物体模型计算一天内顶层片元单元中各所述片元在各个时刻的光照状态；所述光照状态包括有光照和没有光照；
[0032]
热平衡方程构建模块，用于建立地表面热平衡方程；
[0033]
温度确定模块，用于根据所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的光照状态和所述地表面热平衡方程得到所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的温度；
[0034]
红外阴影确定模块，用于根据所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的温度确定所述目标场景在所述目标时刻的红外阴影。
[0035]
可选的，所述温度确定模块，具体包括：
[0036]
初始值确定单元，用于对于顶层片元单元中任意一个片元，根据所述片元在目标时刻的光照状态确定求解的初始值；
[0037]
温度确定单元，用于根据所述初始值对所述地表面热平衡方程进行求解得到所述片元在目标时刻的温度。
[0038]
可选的，所述红外阴影确定模块，具体包括：
[0039]
辐射亮度计算单元，用于对于顶层片元单元中任意一个片元，根据所述片元在目标时刻的温度确定所述片元的辐射亮度；
[0040]
灰度值计算单元，用于根据所述片元的辐射亮度确定所述片元对应的灰度值；
[0041]
红外阴影计算单元，用于根据所述顶层片元单元中各片元的灰度值得到所述目标场景在所述目标时刻的红外阴影。
[0042]
可选的，所述初始值确定单元，具体包括：
[0043]
光照数据纹理确定子单元，用于根据一天内所述片元在各个时刻的光照状态确定所述片元的光照数据纹理；
[0044]
光照状态确定子单元，用于根据所述片元的光照数据纹理确定所述片元在目标时刻的光照状态；
[0045]
光照情况确定子单元，用于根据所述片元在目标时刻的光照状态确定所述片元在目标时刻的光照情况，所述光照情况包括：处于光照前、处于光照中和处于光照后；
[0046]
初始值确定子单元，用于根据所述片元在目标时刻的光照情况确定求解的初始值。
[0047]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明对目标场景内的遮挡物体和地面进行三维建模得到目标场景模型，并对目标场景模型中的地面模型进行网格划分得到多层片元单元；采用平面投影阴影算法根据目标场景模型中的遮挡物体模型计算一天内顶层片元单元中各片元在各个时刻的光照状态；光照状态包括有光照和没有光照；建立地表面热平衡方程；根据顶层片元单元中各片元在目标时刻的光照状态和地表面热平衡方程得到顶层片元单元中各片元在目标时刻的温度；根据顶层片元单元中各片元在目标时刻的温度确定目标场景在目标时刻的红外阴影，在生成红外阴影的过程中充分考虑光照时刻对地面红外阴影产生的影响，可以仿真生成由遮挡阳光产生的红外阴影。
附图说明
[0048]
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0049]
图1为本发明实施例提供的红外阴影仿真生成方法的流程图；
[0050]
图2为本发明实施例提供的地面模型网格化分示意图；
[0051]
图3为本发明实施例提供的平面投影阴影算法示意图；
[0052]
图4为本发明实施例提供的地面片元热交换示意图；
[0053]
图5为本发明实施例提供的仿真效果图。
具体实施方式
[0054]
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，所描述的实施例仅仅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。
[0055]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0056]
本发明实施例提供了一种红外阴影仿真生成方法，大体步骤为：步骤1：对目标场景进行三维建模，并针对阴影产生的地面区域进行网格化分；步骤2：利用平面投影阴影算法计算一日24小时地表面每个小片元的光照时间，生成并存储每个片元光照时间的数据纹理；步骤3：如图4所示，综合目标场景的各种自然条件因素(气温、湿度、太阳辐射强度、大气长波辐射、风速)，建立地表面热平衡方程；步骤4：根据目标时刻的不同，选择相应的初始条件，并决定是否在热平衡方程计算过程中加入太阳辐射影响，最终得到给定时刻每个地面片元的辐亮度；步骤5：将辐亮度量化仿真输出，即得到给定时刻地面红外阴影。具体步骤包括：
[0057]
对目标场景内的遮挡物体和地面进行三维建模得到目标场景模型，并对所述目标场景模型中的地面模型进行网格划分得到多层片元单元，一个所述片元单元为由多个片元组成的单层结构。
[0058]
采用平面投影阴影算法根据所述目标场景模型中的遮挡物体模型计算一天内顶层片元单元中各所述片元在各个时刻的光照状态；所述光照状态包括有光照和没有光照。
[0059]
建立地表面热平衡方程。
[0060]
根据所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的光照状态和所述地表面热平衡方程得到所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的温度。
[0061]
根据所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的温度确定所述目标场景在所述目标时刻的红外阴影。
[0062]
在实际应用中，所述根据所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的光照状态和所述地表面热平衡方程得到所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的温度，具体包括：
[0063]
对于顶层片元单元中任意一个片元，根据所述片元在目标时刻的光照状态确定求解的初始值。
[0064]
根据所述初始值对所述地表面热平衡方程进行求解得到所述片元在目标时刻的温度。
[0065]
在实际应用中，所述根据所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的温度确定所述目标场景在所述目标时刻的红外阴影，具体包括：
[0066]
对于顶层片元单元中任意一个片元，根据所述片元在目标时刻的温度确定所述片元的辐射亮度。
[0067]
根据所述片元的辐射亮度确定所述片元对应的灰度值。
[0068]
根据所述顶层片元单元中各片元的灰度值得到所述目标场景在所述目标时刻的红外阴影。
[0069]
在实际应用中，所述根据所述片元在目标时刻的光照状态确定求解的初始值，具体包括：
[0070]
根据一天内所述片元在各个时刻的光照状态确定所述片元的光照数据纹理。
[0071]
根据所述片元的光照数据纹理确定所述片元在目标时刻的光照状态。
[0072]
根据所述片元在目标时刻的光照状态确定所述片元在目标时刻的光照情况，所述光照情况包括：处于光照前、处于光照中和处于光照后。
[0073]
根据所述片元在目标时刻的光照情况确定求解的初始值。
[0074]
针对上述方法本发明实施例还提供了一种红外阴影仿真生成系统，包括：
[0075]
建模网格划分模块，用于对目标场景内的遮挡物体和地面进行三维建模得到目标场景模型，并对所述目标场景模型中的地面模型进行网格划分得到多层片元单元，一个所述片元单元为由多个片元组成的单层结构。
[0076]
光照状态确定模块，用于采用平面投影阴影算法根据所述目标场景模型中的遮挡物体模型计算一天内顶层片元单元中各所述片元在各个时刻的光照状态；所述光照状态包括有光照和没有光照。
[0077]
热平衡方程构建模块，用于建立地表面热平衡方程。
[0078]
温度确定模块，用于根据所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的光照状态和所述地表面热平衡方程得到所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的温度。
[0079]
红外阴影确定模块，用于根据所述顶层片元单元中各片元在目标时刻的温度确定所述目标场景在所述目标时刻的红外阴影。
[0080]
作为一种可选的实施方式，所述温度确定模块，具体包括：
[0081]
初始值确定单元，用于对于顶层片元单元中任意一个片元，根据所述片元在目标时刻的光照状态确定求解的初始值。
[0082]
温度确定单元，用于根据所述初始值对所述地表面热平衡方程进行求解得到所述片元在目标时刻的温度。
[0083]
作为一种可选的实施方式，所述红外阴影确定模块，具体包括：
[0084]
辐射亮度计算单元，用于对于顶层片元单元中任意一个片元，根据所述片元在目标时刻的温度确定所述片元的辐射亮度。
[0085]
灰度值计算单元，用于根据所述片元的辐射亮度确定所述片元对应的灰度值。
[0086]
红外阴影计算单元，用于根据所述顶层片元单元中各所述片元的灰度值得到所述目标场景在所述目标时刻的红外阴影。
[0087]
作为一种可选的实施方式，所述初始值确定单元，具体包括：
[0088]
光照数据纹理确定子单元，用于根据一天内所述片元在各个时刻的光照状态确定所述片元的光照数据纹理。
[0089]
光照状态确定子单元，用于根据所述片元的光照数据纹理确定所述片元在目标时
刻的光照状态。
[0090]
光照情况确定子单元，用于根据所述片元在目标时刻的光照状态确定所述片元在目标时刻的光照情况，所述光照情况包括：处于光照前、处于光照中和处于光照后。
[0091]
初始值确定子单元，用于根据所述片元在目标时刻的光照情况确定求解的初始值。
[0092]
如图1所示，本发明实施例提供了一种更加具体的阴影生成方法：
[0093]
1、三维建模网格划分。
[0094]
场景三维建模、地表面网格化分：
[0095]
利用3ds max建模工具对目标场景进行建模，包括遮挡物体和水平地面两个模型；然后使用3ds max专门针对ogre的ogremax插件将模型导出为符合ogre引擎渲染所支持的模型文件(.mesh)；对水平地面模型进行三维网格化分，设地面所在平面为x—y平面，垂直地面向下的方向为z轴，将场景地面划分为x、y、z方向的若干个小的正方体，每个小正方体的长宽高分别为δx、δy、δz，记录为第(x,y,z)号片元，如图2所示。
[0096]
2、计算片元光照时间生成数据纹理。
[0097]
平面投影阴影算法是用来计算将一个物体顶点投影到一个平面上的矩阵，从而得到阴影范围。图3中l点表示光源，v点表示遮挡体顶点，p点表示投影后顶点即阴影的边界顶点。
[0098]
推导x坐标投影，根据图中相似三角形的比例，可以得到如下方程
[0099][0100]
可以用同样的方法得到y坐标投影：
[0101][0102]
对于地平面而言，z轴坐标为0。因此，投影矩阵m为
[0103]
并且m
·
v＝p，这样由光源l点坐标和遮挡物体体边缘顶点v坐标就可以计算得到阴影范围顶点p的坐标。
[0104]
仿真过程中，我们将太阳看作点光源，求出目标时刻的太阳高度角、太阳方位角以及太阳入射角，便可得到太阳和目标遮挡物体的相对位置。进而以0.5小时为步长，利用平面投影阴影算法求得一日24小时目标场景地面阴影范围，由此可反推各个片元在每个时刻的日照状态，获得一天之内的日照时刻区间，并将其存储于一张数据纹理当中，纹理采用d3dfmt_r32g32f的dds格式，每个像素代表一个顶层片元，r通道表示本片元最早光照时刻，g通道表示本片元最晚光照时刻，若始终处于光照当中rg均为1，始终没有光照rg均为0。
[0105]
3、建立地表面热平衡方程
[0106]
通过分析目标物体与背景环境各个方面的辐射交换，可以建立含有太阳辐射的热平衡方程来确定目标地面表面温度分布场，如下公式：
[0107]
dw＝α1w
sun
+α2w
sky-w
rad
+w
cv
+w
cd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0108]
若不考虑光照影响，即在上式中去处太阳辐射项为
[0109]
dw＝α2w
sky-w
rad
+w
cv
+w
cd
ꢀꢀ
(4)
[0110]
公式(3)右边各项分别表示被外表面吸收的来自太阳、天空、物体表面向外热辐射、对流项、导热项。α1和α2分别为物体表面对太阳辐射和大气长波辐射的吸收率。
[0111]
我们采用三维有限差分方法对地表面片元的温度进行求解，对于单个片元而言，单位时间δt内，每个面传导过的热量为
[0112][0113]
其中，s为导热方向的横截面积，α为导热系数，t(t,x)为时刻t，深度在x处片元的温度，为导热方向深度变化量。
[0114]
一个时间步长内，第(x，y，z)个片元的热量增加值为：
[0115]
δw
cd
(t,x,y,z)＝cm(t(t+1,x,y,z)-t(t,x,y,z))＝cρδxδyδz(t(t+1,x,y,z)-t(t,x,y,z))
ꢀꢀ
(6)
[0116]
t(t,x,y,z)表示第t时刻，第(x，y，z)个片元温度，c为比热容，ρ为密度。
[0117]
上式左侧根据傅里叶定律公式又可以化为
[0118][0119]
取δx＝δy＝δz，联立公式6和公式7得
[0120][0121]
初始条件上表面片元温度根据光照时间不同而不同，上表面热平衡方程(大正方体最上层的小正方体上表面)如式(3)所示且对于式(3)左侧有如下等式(9)，下表面为恒温t0，中间片元温度均匀差值生成，边界条件为垂直地面的四个面绝热，下表面温度恒温。
[0122]
dw＝cρ(δx)3(t(t+1,x,y,0)-t(t,x,y,0))
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0123]
则一个时间步长内，且在每个单位时刻，其导热面只有5个，确定了边界条件之后，即可利用多层有限差分方法迭代求解表面片元温度。
[0124]
4、判断片元处于哪种光照状态。
[0125]
根据表面片元光照时间，选择相应热平衡模型求解各个片元目标时刻温度值。
[0126]
如图1所示，在获取需要仿真的目标时刻之后，采样地面片元光照数据纹理，对单个片元而言，判断其处于光照前、中、还是光照后，(1)光照前，选用无光照热模型，初始条件
取地表面零点温度为经验常量。(2)光照中，选用有光照热模型，初始条件为此片元最早光照时刻的温度，可由无光照热模型求得。计算时，只计算从最早光照时刻至目标时刻的温度变化。(3)光照后，选用无光照热模型，初始条件为此片元在最晚光照时刻得温度，可由情况二求得。遍历所有片元，即可求出相应的地面片元温度分布。由于不同片元的初始条件不同，光照对其增益影响不同，进而产生了温度差异。
[0127]
5、将辐亮度量化仿真输出，即得到目标时刻地面红外阴影
[0128]
在计算出地面片元温度场分布后，地面的辐射亮度l可以表示为：
[0129][0130]
其中。则c
1 c2是辐射常数；λ是波长；t是物体表面温度(k)，ε表示同一温度下物体的辐射出射度与黑体的辐射出射度之比，称为发射率，通常用物体的平均发射率代替波谱发射率。
[0131]
为了量化辐亮度，可视化输出，将地面片元辐亮度映射为0-255个灰度级的灰度图像，根据下式计算各像素点的灰度值：
[0132][0133]
其中l
max
、l
min
分别为整个场景中的最大和最小辐射亮度；li为第i个片元对应的辐射亮度值；[]为取整操作。
[0134]
为了验证本发明方法的有效性，本发明实施例针对某沙丘试验场地进行仿真，时间为秋季9月15日，气温9～24℃，微风三级，约4m/s，日照时间约为7：30～19：20，8～12μm波段典型砖混建筑10km
×
10km的场景红外仿真图像，视点距离目标2公里，高度200米。场景内无高大树木遮盖，地表为起伏变化程度不大的沙化土地，有部分的植被主要为低矮的灌木。
[0135]
选取阴影可能产生的区域建筑物周围0.5km
×
0.5km范围进行网格化分，形成的光照时间数据纹理为512*512大小的directdraw surface(dds)格式，选取划分δx为1m，下表面为恒温5℃，零点地面温度为9℃，利用面向对象图形渲染引擎(ogre)进行仿真。图5为沙地场景4个时间点红外仿真图像，其中图5(a)为8点时的红外仿真图像，图5(b)为11点时的红外仿真图像，图5(c)为12点时的红外仿真图像，图5(d)为16点时的红外仿真图像，由于沙子相对建筑砖墙的比热容小，所以在受到遮挡以后温度变化较大，阴影的效果比较明显，并且体现了过去时刻的热状态对当前阴影的增益影响。
[0136]
本发明优点和优势在于：
[0137]
1.通过本发明方法仿真生成的红外阴影，综合考虑了多个环境因素(气温、湿度、太阳辐射强度、大气长波辐射、风速)、不同光照时间对阴影产生的影响，将光照增益体现在计算模型的初始值确定和模型选择上，降低了模型复杂度，使其易于实现。
[0138]
2.仿真过程中对地面进行网格化分，以微小片元作为模型计算、阴影生成的最小单元，能够得到较为逼真的红外阴影。
[0139]
3.仿真结果能够体现过去的光照辐射对当前红外阴影仿真生成的影响，表现出一定的延迟性。
[0140]
4.本发明提供了的针对由遮挡阳光产生的红外阴影的仿真生成方法，涉及一种由
高大物体遮挡阳光引起的地面红外阴影仿真生成方法，从传热学原理出发，综合各种环境因素的作用，充分考虑光照时间对于地面红外阴影产生的影响，利用有限差分方法计算并绘制被遮挡地面区域的红外阴影效果，从而更为准确地仿真生成被遮挡区域的红外阴影。
[0141]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0142]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。