地物背景戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外圖像實(shí)時(shí)生成技術(shù)

張作宇，廖守億，于功健，蘇德倫,2

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地物背景戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外圖像實(shí)時(shí)生成技術(shù)

張作宇1，廖守億1，于功健1，蘇德倫1,2

（1. 第二炮兵工程大學(xué)控制工程系，陜西 西安 710025；2. 解放軍96111部隊(duì)，陜西 韓城 715400）

基于逼真戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境開(kāi)展半實(shí)物仿真試驗(yàn)是對(duì)紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估的有效途徑，其中地物背景戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外圖像實(shí)時(shí)生成技術(shù)是模擬真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外特性的關(guān)鍵技術(shù)之一。首先介紹了基于電阻陣列的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外仿真系統(tǒng)的組成；然后從工程實(shí)用性出發(fā)，以衛(wèi)星地圖為數(shù)據(jù)源，采用Terra Vista對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行地形建模，利用SensorVision紅外模塊對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行紅外輻射特性建模以生成目標(biāo)地區(qū)紅外圖像，并提出了加快圖像渲染速度和增強(qiáng)圖像真實(shí)性的優(yōu)化方案；最后基于VC環(huán)境編寫(xiě)了地物背景戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外圖像實(shí)時(shí)生成與測(cè)試軟件。仿真測(cè)試結(jié)果表明，該方法能夠滿足戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真系統(tǒng)紅外圖像實(shí)時(shí)生成的要求，效果良好且易于工程實(shí)現(xiàn)。

紅外圖像生成；半實(shí)物仿真；SensorVision；Terra Vista；地物背景

0 引言

在紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的研制過(guò)程中，需要大量的試驗(yàn)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估，而常規(guī)的外場(chǎng)靶場(chǎng)試驗(yàn)價(jià)格高昂，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，風(fēng)險(xiǎn)大。在試驗(yàn)鑒定過(guò)程中，也由于對(duì)未來(lái)真正的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境缺乏清楚的認(rèn)識(shí)或者由于復(fù)雜、苛刻、極端的真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境難以構(gòu)建，導(dǎo)致對(duì)環(huán)境適應(yīng)性及抗干擾能力等指標(biāo)的考核難以實(shí)施。此外，在作戰(zhàn)使用過(guò)程中，復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境使得紅外成像制導(dǎo)武器面臨越來(lái)越大的挑戰(zhàn)，尤其是云、雨、雪、霧、風(fēng)、雷、電等天氣因素，人為主動(dòng)干擾因素和地物背景因素等，使得紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能大打折扣，在作戰(zhàn)使用過(guò)程中面臨極大的挑戰(zhàn)。

解決上述問(wèn)題最直接的手段是提高紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾能力，但這需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)攻關(guān)實(shí)現(xiàn)，短時(shí)間之內(nèi)可能難以有所突破。另一條途徑是基于逼真戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模擬構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外仿真系統(tǒng)并開(kāi)展半實(shí)物仿真以對(duì)紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行效能評(píng)估，這是西方發(fā)達(dá)國(guó)家特別是美國(guó)、英國(guó)、以色列、澳大利亞、加拿大等國(guó)普遍采用的做法。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外仿真系統(tǒng)的構(gòu)建主要包含兩部分內(nèi)容：一是戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外圖像實(shí)時(shí)生成，包括地物背景、云、灰塵、煙幕等各種干擾的生成；二是紅外圖像實(shí)時(shí)投射，即將紅外圖像投射成熱圖像，從而為紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)提供逼真的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境場(chǎng)景。而常用的紅外景象投射裝置主要有紅外CRT、DMD和電阻陣列等[1]，其中電阻陣列由于技術(shù)較為成熟是目前最常用的投射裝置[2]，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)研制成功了256×256電阻陣列且已得到工程化應(yīng)用，并正在向512×512擴(kuò)展。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于紅外圖像實(shí)時(shí)生成技術(shù)已經(jīng)展開(kāi)了大量研究，主要分為兩大類，一類是利用OpenGL、開(kāi)源渲染引擎等進(jìn)行紅外圖像的渲染，圖像渲染質(zhì)量可控性好，但開(kāi)發(fā)很難，通用性較差，目前國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)比較成熟的軟件產(chǎn)品公開(kāi)報(bào)道。另一類是基于國(guó)外商用軟件進(jìn)行渲染，開(kāi)發(fā)相對(duì)容易，但圖像質(zhì)量可控性不強(qiáng)，也未見(jiàn)有工程化應(yīng)用的例子報(bào)道和產(chǎn)品出現(xiàn)。

針對(duì)復(fù)雜地物背景的紅外圖像生成問(wèn)題，也有學(xué)者通過(guò)地物反演、紋理材質(zhì)分類、紅外輻射特性計(jì)算、圖像生成等環(huán)節(jié)加以實(shí)現(xiàn)[3]，方法類似于第一類方法，但建模仿真過(guò)程要大量的人為干預(yù)和操作過(guò)程，難以實(shí)現(xiàn)圖像的快速生成建模，且尚未有工程化應(yīng)用方面的報(bào)道。

由于地物背景具有范圍廣、信息量大等特點(diǎn)，使用傳統(tǒng)方法很難對(duì)其進(jìn)行快速的紅外輻射特性建模與圖像生成。因此，本文通過(guò)借鑒地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)，研究利用衛(wèi)星遙感地圖對(duì)真實(shí)地物背景戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行快速紅外建模的方法，取得了較好的效果，為構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外仿真系統(tǒng)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

1 基于電阻陣列的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外仿真系統(tǒng)

基于電阻陣列的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外仿真系統(tǒng)主要由地物背景戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外圖像生成系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制器、實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)、電阻陣列及光學(xué)系統(tǒng)組成[4]，如圖1所示。

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外仿真系統(tǒng)的工作過(guò)程為：圖形工作站CPU將由圖形顯卡渲染的紅外圖像經(jīng)非均勻性校正[5]、DA校正后轉(zhuǎn)化成電壓數(shù)據(jù)寫(xiě)入反射內(nèi)存，驅(qū)動(dòng)控制單元由PC104總線讀取反射內(nèi)存中的電壓數(shù)據(jù)并通過(guò)總線將電壓數(shù)據(jù)傳遞給驅(qū)動(dòng)控制卡，驅(qū)動(dòng)控制卡根據(jù)時(shí)序輸出電阻陣列各單元的驅(qū)動(dòng)電壓[6]，由電阻陣列內(nèi)的掃描控制單元完成掃描驅(qū)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)紅外圖像的投射。當(dāng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外仿真系統(tǒng)處于閉環(huán)半實(shí)物仿真工作模式時(shí)，圖形工作站CPU通過(guò)反射內(nèi)存接收由仿真計(jì)算機(jī)發(fā)送的彈目相對(duì)位姿信息，供戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外圖像生成系統(tǒng)生成紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)入瞳處的紅外圖像。

圖1 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

基于國(guó)產(chǎn)電阻陣列發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)圖像生成系統(tǒng)的指標(biāo)要求為：①圖像生成幀頻為200Hz；②像元規(guī)模為256×256。

2 地物背景戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外圖像生成方法與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 總體技術(shù)方案

對(duì)于防區(qū)外遠(yuǎn)程打擊紅外成像制導(dǎo)武器，由于很難獲得目標(biāo)區(qū)域的紅外圖像，而只能通過(guò)偵察手段獲得可見(jiàn)光遙感圖像，因而可根據(jù)遙感圖像來(lái)進(jìn)行紅外圖像的生成。因此，紅外圖像的生成步驟主要分?jǐn)?shù)據(jù)準(zhǔn)備、地形建模、紅外輻射特性建模3個(gè)階段。具體方案如圖2所示。

圖2 紅外圖像生成總體技術(shù)方案

首先，將目標(biāo)地區(qū)的影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Terra Vista工程中，利用Terra Vista對(duì)目標(biāo)地區(qū)進(jìn)行三維地形建模[7]。然后，利用MAT（MOSART Atmospheric Tool）工具對(duì)大氣傳輸效應(yīng)進(jìn)行建模，利用TMM（Texture Material Mapper）工具對(duì)模型紋理進(jìn)行材質(zhì)映射，并在Lynx面板上對(duì)SensorVision模塊進(jìn)行設(shè)置。最后，利用Vega渲染產(chǎn)生紅外圖像。

Terra Vista是Presagis公司開(kāi)發(fā)的Windows平臺(tái)下專門應(yīng)用于處理高精度大面積地形數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)三維復(fù)雜地形數(shù)據(jù)庫(kù)生成軟件。Vega是由Multigen-Paradigm公司開(kāi)發(fā)的商用實(shí)時(shí)可視化三維視景仿真軟件系統(tǒng)，Vega可選模塊SensorVision的集成，使得Vega可以仿真出包括可見(jiàn)光和紅外波段下傳感器觀察虛擬場(chǎng)景的圖像效果，Vega及其SensorVision模塊是目前國(guó)內(nèi)常用的紅外輻射特性建模工具。

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.2.1 遙感影像數(shù)據(jù)

要獲得目標(biāo)地區(qū)真實(shí)詳細(xì)的地理文化信息，就需要較高分辨率的遙感影響數(shù)據(jù)。遙感影像數(shù)據(jù)可由飛機(jī)航拍、衛(wèi)星拍照等途徑獲得。當(dāng)前，衛(wèi)星遙感圖像已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)高分辨率、高精度、低費(fèi)用的時(shí)代，且很多地圖公司都公開(kāi)其部分衛(wèi)星遙感圖像，如谷歌地圖、微軟Bing Maps等。俄羅斯的SAS Planet軟件是一款專用的地圖下載軟件，可下載谷歌、微軟、雅虎等多家公司發(fā)布的衛(wèi)星遙感圖像，使用方便。

2.2.2 地形高程數(shù)據(jù)

三維場(chǎng)景必須充分反映出目標(biāo)地區(qū)高低起伏的地形信息，因此還需要目標(biāo)地區(qū)的高程數(shù)據(jù)。高程數(shù)據(jù)一般可由等高線插值轉(zhuǎn)換或高程數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)獲得。世界許多發(fā)達(dá)國(guó)家都有其高程數(shù)據(jù)庫(kù)，如美國(guó)太空總署（NASA）發(fā)布有免費(fèi)的SRTM和ASTERGDEM全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)。其中，SRTM分辨精度達(dá)到90m，ASTERGDEM則達(dá)到30m?？梢岳肎lobal Mapper軟件直接下載這兩種數(shù)據(jù)，也可從網(wǎng)站中獲得。

2.2.3 文化矢量數(shù)據(jù)

遙感影像數(shù)據(jù)和地形高程數(shù)據(jù)描述了目標(biāo)地區(qū)宏觀的地形地貌。要表現(xiàn)出目標(biāo)地區(qū)微觀具體的房屋、道路、湖泊等文化信息，就需要獲得目標(biāo)地區(qū)的文化矢量數(shù)據(jù)。文化矢量數(shù)據(jù)可以根據(jù)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)制作。Terra Vista可自行創(chuàng)建矢量數(shù)據(jù)文件并對(duì)其進(jìn)行編輯，但Terra Vista中的矢量編輯工具較為簡(jiǎn)單，使用不太方便。Arc Map軟件是編輯矢量地圖數(shù)據(jù)的專業(yè)軟件，擁有較為全面的矢量編輯工具，功能強(qiáng)大。因此可采用Arc Map軟件來(lái)預(yù)先創(chuàng)建矢量數(shù)據(jù)，然后將矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入Terra Vista中。

2.3 地形建模

2.3.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

數(shù)據(jù)導(dǎo)入是將遙感影像、地形高程、矢量數(shù)據(jù)、自定義三維模型和紋理等數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Terra Vista項(xiàng)目中的一個(gè)過(guò)程。Terra Vista支持同一類型數(shù)據(jù)的多種數(shù)據(jù)格式，導(dǎo)入時(shí)將遙感影像和地形高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為ecw圖形格式，將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為vec矢量格式。導(dǎo)入后的遙感影像、地形高程和矢量數(shù)據(jù)在項(xiàng)目根節(jié)點(diǎn)下的Source Data Library節(jié)點(diǎn)中，通過(guò)Terra Vista的Thumbnail窗口可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和編輯。導(dǎo)入的三維模型在Model Library節(jié)點(diǎn)中，在Culture Parameters節(jié)點(diǎn)下可以找到該模型對(duì)應(yīng)的文化信息參數(shù)。

2.3.2 地形參數(shù)設(shè)置

地形參數(shù)設(shè)置是影響地形生成的精確度、大小和實(shí)時(shí)性的重要因素。地形參數(shù)設(shè)置包含多個(gè)方面，如投影方式、Gaming Area大小、應(yīng)用類型、運(yùn)行環(huán)境、數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)、文化模型等。其中，Gaming Area決定了所生成地形的覆蓋范圍，設(shè)置時(shí)需要讓Terra Vista自動(dòng)計(jì)算；應(yīng)用類型指定了地形的應(yīng)用背景，如陸地漫游或高空飛行等；數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)指定了生成地形的區(qū)塊大小、LOD層數(shù)和多邊形數(shù)量。Terra Vista集成了地形參數(shù)設(shè)置向?qū)nterviewer，用戶可以集中地在該向?qū)е羞M(jìn)行地形參數(shù)設(shè)置。

2.3.3 矢量賦值與修正

矢量數(shù)據(jù)編輯是進(jìn)行地形建模最為復(fù)雜和重要的工作。矢量數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響生成地形的逼真度和復(fù)雜度。將矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，還需要對(duì)這些矢量賦予特定的屬性，這樣Terra Vista在生成地形時(shí)才會(huì)將這些矢量表現(xiàn)為不同的三維實(shí)體。Terra Vista提供常用的點(diǎn)、線、面矢量的建模模板，如點(diǎn)模板有房屋、樹(shù)木、標(biāo)志牌等，線模板有河流、公路、電線桿等，面模板有湖泊、森林、居民區(qū)等。用戶也可以自己創(chuàng)建矢量模板，如可以將三維模型導(dǎo)入，Terra Vista就會(huì)自動(dòng)生成與其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)模板。在項(xiàng)目根節(jié)點(diǎn)下Culture Parameters節(jié)點(diǎn)內(nèi)，用戶可以根據(jù)自己需要修改矢量模板，如更改紋理、尺寸等。

2.3.4 地形生成

以上工作完成后，就可以生成地形了。在Thumbnail Editor中選定所要生成的目標(biāo)區(qū)域，在Interviewer工具中設(shè)置輸出格式為OpenFlight格式或Terra Page格式，然后編譯項(xiàng)目Terra Vista就會(huì)自動(dòng)生成目標(biāo)區(qū)域?qū)?yīng)的地形模型。為加快調(diào)試進(jìn)度，用戶可對(duì)有改動(dòng)的區(qū)塊進(jìn)行單獨(dú)編譯。在Published Output節(jié)點(diǎn)內(nèi)，用戶可利用Terra Vue工具對(duì)生成的地形模型進(jìn)行預(yù)覽。

2.4 紅外輻射特性建模

2.4.1 大氣傳輸效應(yīng)建模

大氣的作用會(huì)使到達(dá)紅外探測(cè)器的紅外輻射產(chǎn)生衰減。因此必須對(duì)目標(biāo)地區(qū)的大氣傳輸效應(yīng)進(jìn)行建模，以此來(lái)模擬實(shí)際大氣的影響。利用Vega中MAT工具預(yù)先生成所設(shè)置大氣狀況的計(jì)算參數(shù)并保存為mat文件，該文件可直接用于Vega紅外實(shí)時(shí)仿真中的大氣傳輸計(jì)算。在MAT工具中，分別需要設(shè)置大氣狀態(tài)、大氣定量參數(shù)、光譜帶寬、熱傳遞參數(shù)等數(shù)據(jù)。其中，在光譜帶寬中指定紅外波段參數(shù)即可在Vega中產(chǎn)生紅外傳感器效果。

2.4.2 紋理材質(zhì)映射

不同的材料即使在相同的溫度下也會(huì)表現(xiàn)出不一樣的輻射亮度。因此需要對(duì)場(chǎng)景中物體的表面指定相應(yīng)的材質(zhì)。Vega提供TMM工具通過(guò)紋理材質(zhì)映射來(lái)描述物體表面的材質(zhì)信息，擁有159種不同的材質(zhì)可供用戶選擇。紋理材質(zhì)映射是一個(gè)較為復(fù)雜的工作，必須為場(chǎng)景中的所有模型紋理指定材質(zhì)，Vega才能正確地計(jì)算出場(chǎng)景中的物體表面輻射亮度。紋理材質(zhì)映射準(zhǔn)確與否將會(huì)影響Vega計(jì)算物體表面紅外輻射的真實(shí)性。TMM工具輸出格式為tmm文件，Vega的SensorVision模塊在運(yùn)行時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)用物體表面的材質(zhì)信息。

2.4.3 SensorVision模塊設(shè)置

利用Vega的Lynx面板將地形模型載入后，還需要設(shè)置SensorVision面板屬性。在SensorVision面板中主要設(shè)定輻射計(jì)算解決方案、日月位置、大氣質(zhì)量、轉(zhuǎn)換因子等參數(shù)。其中轉(zhuǎn)換因子是由輻射亮度轉(zhuǎn)化為紅外圖像像素灰度值的系數(shù)，其計(jì)算公式如下：

＝×cov

式中：為像素灰度值；為輻射亮度；cov為轉(zhuǎn)換因子。

經(jīng)以上工作，就可以利用Lynx面板上的Active Preview工具直接預(yù)覽紅外圖像或在程序中調(diào)用Vega和SensorVision模塊來(lái)生成紅外圖像。

2.5 復(fù)雜地物背景戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外圖像生成關(guān)鍵技術(shù)

2.5.1 模型優(yōu)化

三維模型中的多邊形數(shù)量是影響模型渲染速度的重要因素。而如果模型中多邊形數(shù)量較少，模型的逼真度又會(huì)受到影響。因此，必須采取合適的建模方法在保證模型一定逼真度的前提下盡量減少其多邊形數(shù)量。地物背景戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中包含較多的地理信息，如房屋、河流、公路、樹(shù)木等，因此為在地形模型中充分地展示出這些地理信息且實(shí)現(xiàn)較少的多邊形數(shù)量，本文提出了一種基于目標(biāo)位置的模型優(yōu)化方法。

以距離目標(biāo)遠(yuǎn)近為標(biāo)準(zhǔn)，在較遠(yuǎn)的地區(qū)，采用平面紋理進(jìn)行建模；在中等距離的地區(qū)，只對(duì)地形進(jìn)行建模而不對(duì)文化信息進(jìn)行建模；在距離目標(biāo)較近的地區(qū)，對(duì)地形和文化信息都進(jìn)行建模，但建筑物采用Terra Vista的建筑物自動(dòng)生成器進(jìn)行建模，即將建筑物近似為長(zhǎng)方體。而在目標(biāo)附近，進(jìn)行地形和文化信息高逼真度建模，其中較為重要的建筑物先利用Creator建模軟件對(duì)該建筑物進(jìn)行單獨(dú)建模，再將其模型導(dǎo)入到Terra Vista中。

此外，在Terra Vista中還可設(shè)置區(qū)塊多邊形數(shù)量、紋理大小、LOD層數(shù)等模型生成參數(shù)。通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)也可以達(dá)到減少多邊形數(shù)量提高模型渲染速度的目的。

2.5.2 高效逼真的紋理材質(zhì)映射

由于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的地形建模過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生較多的紋理數(shù)據(jù)，特別是LOD層數(shù)較多時(shí)，地形紋理會(huì)成倍增加，這無(wú)疑給紋理材質(zhì)映射工作帶來(lái)了很大的不便。為解決這個(gè)問(wèn)題，可以考慮根據(jù)衛(wèi)星遙感圖像制作全矢量地圖，即采用不同屬性的面矢量覆蓋整個(gè)地形表面。這樣不僅減少了地形紋理的數(shù)量，還增加了地形紋理的清晰度，同時(shí)模型的渲染速度也會(huì)得到提高。

紋理材質(zhì)映射工作是一項(xiàng)技巧性工作。TMM工具提供多種選擇工具用來(lái)對(duì)紋理圖片上的像素或區(qū)域進(jìn)行選擇。如矩形框選擇工具，對(duì)圈定的矩形框進(jìn)行選擇；索套選擇工具，對(duì)圈定的任意形狀進(jìn)行選擇；相似像素選則工具，能對(duì)整個(gè)紋理范圍內(nèi)的一定閾值顏色范圍的像素進(jìn)行選擇。要合理地利用這些工具來(lái)對(duì)紋理圖片上的像素進(jìn)行材質(zhì)映射。當(dāng)紋理圖片較為復(fù)雜但顏色分明時(shí)，可先利用相似像素選擇工具來(lái)指定多種相似像素的材質(zhì)，然后利用Smart Create功能完成全部像素的材質(zhì)映射。當(dāng)紋理圖片區(qū)域分明時(shí)，則可用區(qū)域選擇工具對(duì)各個(gè)區(qū)域整體指定紋理材質(zhì)。

3 仿真驗(yàn)證與測(cè)試

3.1 某島嶼部分區(qū)域紅外圖像實(shí)時(shí)生成

首先，利用SASPlanet軟件下載某島嶼部分區(qū)域3.7km×2.4km約9km2面積0.46m/pixel分辨率的Bing Maps衛(wèi)星遙感圖像并保存為ecw格式，如圖3所示。用Global Mapper軟件載入該圖像，下載相應(yīng)區(qū)域SRTM高程數(shù)據(jù)并保存為GeoTIFF格式，如圖4所示。在ArcMap軟件中載入衛(wèi)星圖像，根據(jù)圖像手動(dòng)繪制矢量，如圖5所示，矢量數(shù)據(jù)保存為shp格式。

然后，將該區(qū)域的衛(wèi)星遙感圖像、高程數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)載入到Terra Vista中。利用Interviewer工具對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)置，將整個(gè)目標(biāo)區(qū)域分為6個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊包含多邊形數(shù)量1024個(gè)，LOD層數(shù)為2層。利用矢量編輯工具對(duì)矢量進(jìn)行賦值和修正，編譯以生成地形。利用Creator查看所生成的地形模型，如圖6所示。

最后，利用MAT工具配置大氣傳輸文件，設(shè)置大氣模型為溫帶夏天，風(fēng)速為中等，濕度中等，響應(yīng)波段為中波3～5mm。利用TMM工具對(duì)地形模型的所有紋理制作紋理材質(zhì)映射文件。利用Lynx面板配置Vega和SensorVision參數(shù)，設(shè)置場(chǎng)景更新溫度方式為自動(dòng)，轉(zhuǎn)換因子為1500。利用Active Preview工具查看，視場(chǎng)角60°×60°，如圖7所示，其中(a)圖為不添加傳感器效果，(b)圖為添加傳感器效果。

為模擬導(dǎo)引頭視場(chǎng)，更改視場(chǎng)角為5°×5°。如圖8所示，(a)圖是視點(diǎn)距目標(biāo)地區(qū)9km，高度750m觀察目標(biāo)地區(qū)的紅外圖像；(b)圖是視點(diǎn)距目標(biāo)地區(qū)2.7km，高度100m觀察目標(biāo)地區(qū)的紅外圖像。

3.2 性能測(cè)試

考慮到基于電阻陣列的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外仿真系統(tǒng)對(duì)紅外圖像實(shí)時(shí)生成的要求，利用VC開(kāi)發(fā)工具編寫(xiě)了紅外圖像實(shí)時(shí)生成與測(cè)試軟件，如圖9所示。該軟件通過(guò)載入Lynx文件來(lái)配置和運(yùn)行Vega，其Vega窗口大小設(shè)置為256×256，運(yùn)行時(shí)顯示當(dāng)前幀頻和幀耗時(shí)并將幀耗時(shí)寫(xiě)入txt文件中保存。該軟件運(yùn)行時(shí)所計(jì)算的幀耗時(shí)為Vega渲染一幀圖像與將該幀圖像數(shù)據(jù)從顯卡讀到內(nèi)存中所用時(shí)間的總和。在惠普Z(yǔ)820圖形工作站上運(yùn)行該軟件，使大部分目標(biāo)區(qū)域能夠在窗口中得到渲染，測(cè)得幀耗時(shí)如圖10所示。該圖形工作站的性能參數(shù)為：操作系統(tǒng)Windows 7 64位；CPU Intel Xeon E5-2609 4核2.4GHz；顯卡NVDIA Quadro K5000；內(nèi)存4GB。

由以上結(jié)果可以看出，在商用圖形工作站上渲染該地物背景，圖形工作站完全能夠在5ms內(nèi)完成紅外圖像生成工作。故采用該方法生成地物背景紅外圖像能夠滿足戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外仿真系統(tǒng)圖像生成要求。

任何仿真結(jié)果人們首先都會(huì)關(guān)心其可信度，對(duì)于圖像生成來(lái)說(shuō)，人們會(huì)關(guān)心生成的圖像是否逼真、是否和實(shí)際情況一致的問(wèn)題[8]。影響本文生成圖像逼真度和準(zhǔn)確性的因素主要包括：三維地形建模的準(zhǔn)確性、紅外輻射計(jì)算的準(zhǔn)確性和大氣傳輸計(jì)算的準(zhǔn)確性，其中三維建模的準(zhǔn)確性根據(jù)仿真的需求，可以做到比較精確，而后兩者涉及到SensorVision模塊對(duì)紅外輻射和大氣傳輸解算的準(zhǔn)確性。澳大利亞Ninh T. Duong開(kāi)展了SensorVision生成紅外圖像的可信度評(píng)估工作，得出的結(jié)論是[9]：在澳大利亞地區(qū)使用SensorVision進(jìn)行紅外圖像生成，影響其可信度的主要因素是大氣環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，如果采用SensorVision自帶的北美大氣數(shù)據(jù)庫(kù)，則會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，這種偏差一般在±6℃以內(nèi)，但只要將大氣環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)換成澳大利亞本地的數(shù)據(jù)庫(kù)，則生成的紅外圖像逼真度較高，偏差可在±3℃以內(nèi)。

圖3 衛(wèi)星遙感圖像

圖4 高程數(shù)據(jù)

圖5 矢量數(shù)據(jù)

圖6 地形模型

圖7 Vega添加傳感器效果前后對(duì)比圖

圖8 5°×5°視場(chǎng)角不同位置觀察目標(biāo)地區(qū)

圖9 紅外圖像實(shí)時(shí)生成與測(cè)試軟件

圖10 幀耗時(shí)測(cè)試結(jié)果

結(jié)合本文的工作，可以認(rèn)為，圖像的逼真性同樣也會(huì)受到大氣數(shù)據(jù)庫(kù)的影響。一旦能夠獲得目標(biāo)地區(qū)實(shí)際的大氣數(shù)據(jù)庫(kù)，則紅外圖像的精度可進(jìn)一步提高。

作為工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)，本文的方法可以提供可工程化使用的紅外圖像動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)生成方法并可形成相對(duì)容易操作使用的軟件系統(tǒng)，可解決地物背景紅外圖像的實(shí)時(shí)生成問(wèn)題，因而具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

為構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外仿真系統(tǒng)并最終實(shí)現(xiàn)紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的效能評(píng)估，本文提出了一種基于Terra Vista和Vega軟件的地物背景戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外圖像生成方法，該方法工程實(shí)用性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)，可滿足復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外圖像生成中地物背景仿真的需要。

但是，由于SensorVision模塊本身所帶大氣數(shù)據(jù)庫(kù)的原因，其紅外圖像渲染的真實(shí)性有待進(jìn)一步提高。對(duì)于目標(biāo)的紅外成像建模，利用OpenGL[10]、OSG[11]、OGRE[12]等渲染引擎來(lái)生成紅外圖像或許可以實(shí)現(xiàn)更為精確的紅外輻射亮度計(jì)算。但對(duì)于具有復(fù)雜地物背景的紅外圖像渲染而言，類似于Vega的商業(yè)軟件在實(shí)用性和通用性上無(wú)疑具有一定的優(yōu)勢(shì)[13]。因此，對(duì)于地物背景戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外圖像的生成，可采用Vega與OpenGL相結(jié)合的方法，即地形模型用Vega進(jìn)行渲染，目標(biāo)模型通過(guò)Vega回調(diào)函數(shù)利用OpenGL進(jìn)行渲染。這樣，既保證了目標(biāo)模型渲染的真實(shí)性，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)地物背景紅外圖像生成建模的快速性，是一種高效、易于工程化實(shí)現(xiàn)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境紅外圖像實(shí)時(shí)生成方案。

[1] 李卓, 李平. 動(dòng)態(tài)紅外圖像生成技術(shù)綜述[J]. 紅外與激光工程, 2006, 35(增刊): 283-294.

[2] 馬斌, 程正喜, 翟厚明, 等. 國(guó)產(chǎn)電阻陣列技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 紅外與激光工程, 2011, 40(12): 2314-2327.

[3] 王超范. 一種地面場(chǎng)景動(dòng)態(tài)紅外仿真方法研究[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2009.

[4] 廖守億, 蘇德倫, 張金生, 等. 紅外成像目標(biāo)模擬器圖像生成系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性措施[J]. 紅外與激光工程, 2010, 39(3): 377-382.

[5] 楊春偉, 廖守億, 蘇德倫, 等. 電阻陣列非均勻性測(cè)試與校正[J]. 紅外技術(shù), 2013, 35(6): 345-349.

[6] 蘇德倫, 廖守億, 張金生, 等. 電阻陣列非均勻性校正算法實(shí)時(shí)性研究[J]. 紅外技術(shù), 2009, 31(11): 634-638.

[7] 張尚弘, 張超, 鄭鈞, 等. 基于Terra Vista的流域地形三維建模方法[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2006, 25(3): 36-39.

[8] 王宇慶, 王索建. 紅外與可見(jiàn)光融合圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)光學(xué), 2014, 7(3): 396-401.

[9] Ninh T Duong, Michael Wegener. SensorVision validation: diurnal temperature variations in northern Australia[C]//, Orlando, Florida, USA: 2000, 4027: 329-340.

[10] 婁樹(shù)理, 董言治, 周曉東. 基于OpenGL的艦船目標(biāo)紅外圖像生成[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2007, 27(5): 71-74.

[11] 黃建峰, 范小禮, 王俊. 基于 OSG 的紅外動(dòng)態(tài)場(chǎng)景仿真[J]. 紅外與激光工程, 2013, 42(增刊1): 18-23.

[12] 王波. 基于OGRE的紅外成像實(shí)時(shí)仿真方法研究[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2010.

[13] Jean Latger, Thierry Cathala, Nicolas Douchin, et al. Simulation of active and passive infrared images using the SE-WORKBENCH[C]//, Orlando, Florida, USA: 2007, 6543: 1-15.

Real-time IR Image Generation Technology of Terrain Background Battlefield

ZHANG Zuo-yu1，LIAO Shou-yi1，YU Gong-jian1，SU De-lun1,2

(1.,,710025,；2. 96111,715400,)

Hardware-in-the-loop simulation experiment based on the realistic battlefield simulation is an effective way to realize the performance test and evaluation of IR imaging guidance system, while real-time IR image generation technique of terrain background battlefield is one of the key technologies to simulate the infrared character of real battlefield. First, the design of a battlefield IR simulation system is introduced. Then, to enhance the engineering practicability and generate infrared image of target area, the satellite map is used as the data source, Terra Vista is used to model the target region, and SensorVision module is used to simulate the infrared character of target region. Also, the method to speed up the image rendering and enhance the image authenticity is introduced. Last, the software of real-time IR image generation and test is written under VC development environment. The results indicate that the solution can meet the battlefield IR simulation system’s requirements of real-time, good effect and engineering practicability.

IR image generation，hardware-in-the-loop，SensorVision，Terra Vista，terrain background

TP391.9

A

1001-8891(2015)08-0642-06

2015-04-11；

2015-06-15.

張作宇（1992-），男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)閷?dǎo)航、制導(dǎo)與控制。

中國(guó)博士后科學(xué)基金，編號(hào)：2012M512150。