基于圖像實(shí)時(shí)繪制的煙幕仿真方法研究*

陸 斌，呂俊偉

(海軍航空工程學(xué)院控制工程系，煙臺(tái)264001)

1 引言

在光電對(duì)抗領(lǐng)域煙幕已成為一種應(yīng)用廣泛的無(wú)源干擾手段，具有成本低、戰(zhàn)術(shù)使用簡(jiǎn)易方便等特點(diǎn)。通常煙幕干擾技術(shù)就是在空氣中釋放大量特定氣溶膠微粒，來(lái)改變電磁波的介質(zhì)傳輸特性，是光電探測(cè)、觀瞄、紅外制導(dǎo)武器干擾的有效手段，尤其對(duì)成像型的光電精確探測(cè)、制導(dǎo)等武器作戰(zhàn)效能產(chǎn)生了很大的影響。煙幕的擴(kuò)散，受大氣、地形等多種因素的影響，一旦釋放，便難以控制。因此煙幕武器的研制離不開理論指導(dǎo)和科學(xué)試驗(yàn)，以及相應(yīng)的測(cè)試和評(píng)估，它對(duì)確保裝備的性能和質(zhì)量及實(shí)戰(zhàn)使用中發(fā)揮最大的潛能具有舉足輕重的作用［1］。然而，利用大量外場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)研究煙幕對(duì)成像制導(dǎo)武器的干擾效果不僅需大量的人力、物力代價(jià)，而且由于外場(chǎng)煙幕試驗(yàn)受到多種不可控因素的影響導(dǎo)致試驗(yàn)效率不高，而單純的室內(nèi)試驗(yàn)又缺乏足夠的依據(jù)。目前比較科學(xué)的方法是綜合野外、半實(shí)物和實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)方法，同時(shí)利用仿真技術(shù)是縮短系統(tǒng)研制與試驗(yàn)鑒定周期、降低效果評(píng)估成本的主要手段。

無(wú)論是對(duì)各光譜頻段還是各種煙幕類型，作為圖像仿真的重要依據(jù)，外場(chǎng)試驗(yàn)是必不可少的。根據(jù)任務(wù)需要及各種方法的特點(diǎn)，采用某型發(fā)煙罐的外場(chǎng)試驗(yàn)方法，采集其定量的多光譜傳感器相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，修正典型的爆炸型、擴(kuò)散型煙幕模型，并根據(jù)外場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境實(shí)際背景，形成典型地貌條件、氣象條件的背景圖像庫(kù)，通過(guò)圖像實(shí)時(shí)繪制技術(shù)形成對(duì)此類發(fā)煙罐各使用情況的視景仿真。程序軟件采用C++Buider2007，視景點(diǎn)陣360×240(不小于典型成像型武器的跟蹤窗口)，幀頻為40幀每秒，可以滿足對(duì)一般成像型制導(dǎo)的仿真實(shí)時(shí)性要求。

2 煙幕仿真各要素模型與圖像庫(kù)

對(duì)在煙幕干擾情況下成像型制導(dǎo)武器的視景仿真至少包括目標(biāo)、背景和煙幕三個(gè)基本要素，在動(dòng)態(tài)圖像中，這三個(gè)要素的特點(diǎn)比較明顯，即各要素本身相對(duì)獨(dú)立，在序列圖像中資相關(guān)性大，與其它要素的相關(guān)性小。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，在視景仿真中，對(duì)各要素進(jìn)行獨(dú)立的模型與圖像庫(kù)建設(shè)，作為實(shí)時(shí)繪制合成的基礎(chǔ)元素。需要說(shuō)明的是，對(duì)各光譜波段，煙幕的影響不相同，各要素的模型也不同，這里以可見(jiàn)光波段為例重點(diǎn)介紹煙幕的模型與圖像庫(kù)的實(shí)現(xiàn)。

2.1 煙幕的模型

煙幕對(duì)可見(jiàn)光的衰減主要體現(xiàn)在散射方面，當(dāng)目標(biāo)與成像傳感器間有煙幕介入時(shí)，由于它的散射作用而降低亮度對(duì)比度［2］，總對(duì)比度用下式加以表達(dá):

式中:a為煙幕的消光系數(shù);c為煙幕的濃度;L為光線在煙幕中的傳送距離;G為煙幕的自身輻射亮度(見(jiàn)圖1)。

圖1 外場(chǎng)試驗(yàn)中煙幕擴(kuò)散過(guò)程

根據(jù)煙幕消光的“朗伯-比爾”定律。和文獻(xiàn)中的擴(kuò)散模型，可以得到煙幕透過(guò)率計(jì)算的方法。一般的煙幕衰減作用表示為:

式中:I為透過(guò)煙幕傳輸?shù)妮椛鋸?qiáng)度(W/sr);I0為進(jìn)入煙幕前的輻射強(qiáng)度(W/sr);a0為煙幕遮蔽物的消光系數(shù)(m2/g);c為煙幕濃度(g/m3);l為煙幕厚度(m)。

一般典型煙幕認(rèn)為是粒子系統(tǒng)［2］，受氣象、地形、環(huán)境等因素影響較明顯，一般模型的建立需采用典型的外部條件。例如假設(shè)地面無(wú)吸收和吸附作用，煙幕本身是無(wú)沉降的被動(dòng)成分，地面對(duì)污染物的作用猶如一個(gè)全反射體，風(fēng)速大于1m/s，風(fēng)向恒定，地面水平均勻，由“梯度傳送理論”及“統(tǒng)計(jì)理論”推導(dǎo)出地面連續(xù)點(diǎn)源濃度高斯(正態(tài))型濃度模式:

式中，C(x，y，z，H)為點(diǎn)(x，y，z)處的煙幕濃度(g/m3)，Q為煙幕的釋放速率(g/s)，u為釋放期間的平均速度(m/s)，H為煙流的有效高度(m)，σy，σz為y方向和z方向的大氣擴(kuò)散方差，其中

式中，γ1，γ2，a1，a2是與大氣穩(wěn)定度及地形有關(guān)的參數(shù)。

2.2 基于視景仿真的某型發(fā)煙罐煙幕模型修正

作為軍事探測(cè)跟蹤的可見(jiàn)光波段圖像，基本為灰度圖像，因此亮度的對(duì)比度要比顏色的對(duì)比度重要得多，對(duì)于成像傳感器而言，煙幕的消光與遮蔽作用反映在信號(hào)的體現(xiàn)就是灰度數(shù)值的變化［3］，即成像面陣的各相關(guān)像素點(diǎn)的灰度值明暗及相互關(guān)系的變化［4］。透過(guò)煙幕成像的面陣與煙幕透過(guò)率的矩陣關(guān)系如下(假設(shè)成像面陣為m×n):

根據(jù)對(duì)某型發(fā)煙罐的材料特性及多次外場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量，測(cè)量過(guò)程中需要考慮天空背景、陽(yáng)光角度等因素，其中煙幕的施放條件影響最為明顯，圖2反應(yīng)了不同煙幕條件下的透過(guò)率影響。

根據(jù)透過(guò)率計(jì)算可以得到成像面陣的相應(yīng)輻照度［5］，相應(yīng)的反映在成像像素即為灰度值，然后需要進(jìn)行相應(yīng)的量化，作為煙幕圖像的依據(jù)，這里采用均勻量化的方法，輻照度與灰度呈線性關(guān)系。找出煙幕輻照度的最大值和最小值，分別用Esmax和Esmin表示。計(jì)算每級(jí)灰度對(duì)應(yīng)的輻射間隔:

計(jì)算各輻照度對(duì)應(yīng)的灰度值:

并以此形成煙幕圖像各像素的灰度關(guān)系。

圖2 不同煙幕條件下的各光譜透過(guò)率

2.3 目標(biāo)與背景

這里目標(biāo)和背景采用Multigen Creator進(jìn)行輻射模型建立，并通過(guò)外場(chǎng)試驗(yàn)中得到的目標(biāo)圖像進(jìn)行特征歸納，得到相應(yīng)的灰度分布特點(diǎn)以及灰度值修正量化閾值。Multigen Creator軟件是 Multigen Paradigm公司專門針對(duì)可視化仿真行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)推出的可視化三維建模軟件系統(tǒng)，它提供了分別運(yùn)行于高端SGI工作站和低端PC平臺(tái)的不同版本，可以最大限度地滿足不同應(yīng)用需求。

目標(biāo)的建立包括以下基本過(guò)程:目標(biāo)自身輻射的三維模型;各種環(huán)境輻射模型;探測(cè)器像元的輻照度模型。其中，在向目標(biāo)三維幾何模型進(jìn)行紋理映射時(shí)，映射的是表征輻射的灰度圖像，其灰度值不代表輻射值，但有一個(gè)映射關(guān)系。事先將這些灰度值轉(zhuǎn)化為輻射值并作為一張浮點(diǎn)紋理映射到目標(biāo)的三維幾何模型上。在渲染時(shí)，對(duì)該紋理進(jìn)行取樣，就得到成像平面上每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)的目標(biāo)表面的輻射值。由于目標(biāo)表面不同部位的反射率是不同的，所以在仿真的時(shí)候需要給目標(biāo)表面的不同部位賦予不同的反射率，將目標(biāo)表面的反射率作為一張浮點(diǎn)紋理映射到目標(biāo)的三維幾何模型上［6］。在圖形渲染的時(shí)候，對(duì)該紋理進(jìn)行取樣，就可以得到成像平面上每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)的目標(biāo)表面反射率。

背景的建立一般以典型的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境為依據(jù)，結(jié)合外場(chǎng)試驗(yàn)的圖像進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整修正。由于條件限制，實(shí)際拍攝的自然地形的紋理圖像大小往往是有限的，必須設(shè)法構(gòu)造大面積的地形紋理。利用圖像拼接可以把針對(duì)同一場(chǎng)景的相互有部分重疊的一系列圖片合成一幅大的寬視角的圖像，而拼接的工作就是搜尋相鄰兩幅圖像中相同的內(nèi)容，從而確定它們的相對(duì)位置。這里采用的方法是在對(duì)基于區(qū)域匹配方法改進(jìn)的基礎(chǔ)上將若干幅平移拍攝得到的地形紋理圖像拼接成一幅大面積的地形紋理圖像，即首先對(duì)相鄰兩幅圖像進(jìn)行直方圖均衡化，增強(qiáng)圖像對(duì)比度;然后在原圖中與待拼接圖像重疊的區(qū)域內(nèi)按照自定義模版尺寸逐像素計(jì)算局部標(biāo)準(zhǔn)差，并將局部標(biāo)準(zhǔn)最大值所對(duì)應(yīng)的區(qū)域作為匹配模版，將此模版與待拼接圖像進(jìn)行區(qū)域匹配，找出相關(guān)度最大值所對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)槠ヅ鋮^(qū)域，然后利用匹配區(qū)域?qū)⒃瓐D與待拼接圖像進(jìn)行縫合(見(jiàn)圖3)。

圖3 目標(biāo)與背景的仿真圖

3 基于圖像繪制的實(shí)時(shí)仿真

作為實(shí)時(shí)圖像仿真的一種實(shí)用方法，實(shí)時(shí)圖像繪制有其明顯的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單靈活，針對(duì)性強(qiáng);但是對(duì)相應(yīng)的圖像素材要求高，不宜實(shí)時(shí)生成，對(duì)硬件尤其是計(jì)算機(jī)內(nèi)存和顯示內(nèi)存有一定的要求。

在項(xiàng)目涉及的任務(wù)中，圖像的仿真具有很強(qiáng)的針對(duì)性要求，同時(shí)外場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┹^豐富的圖像素材，因此可以通過(guò)計(jì)算機(jī)程序預(yù)先加載處理的方法完成相關(guān)的仿真要素圖形庫(kù)，同時(shí)，目前的計(jì)算機(jī)硬件水平已經(jīng)完全達(dá)到了對(duì)一定尺寸仿真窗口實(shí)時(shí)圖像繪制的實(shí)時(shí)性要求。

經(jīng)過(guò)建模與修正后的各仿真要素形成相應(yīng)的圖形庫(kù)，并在仿真程序開始時(shí)進(jìn)行預(yù)加載入內(nèi)存，在仿真程序的控制下在屏幕進(jìn)行分層實(shí)時(shí)繪制，各個(gè)圖層的對(duì)應(yīng)關(guān)系及程序流程如圖4和圖5所示。

仿真程序采用C++Buider2007編程軟件，該軟件有代碼兼容性好、開發(fā)周期短的特點(diǎn)，其前身是Borland C++的典型代表產(chǎn)品［7］。在代碼編寫中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，就是圖像的掩色(key color)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同圖層的透明繪制，這點(diǎn)可以通過(guò)如下代碼實(shí)現(xiàn):

Bitmap1-＞Canvas-＞CopyMode=cmSrc-Copy;//確定繪制透明模式

Bitmap1- ＞Canvas- ＞CopyRect(des1，Bitmap- ＞ Canvas，des);//確定繪制區(qū)域

Bitmap1- ＞Canvas- ＞StretchDraw(MyRect，bp1);//在指定區(qū)域繪制背景圖像

Bitmap1- ＞Canvas- ＞StretchDraw(MyOther，bp2);//在指定區(qū)域繪制目標(biāo)圖像

Bitmap1- ＞Canvas- ＞StretchDraw(MyOther1，bp2);//在指定區(qū)域繪制煙幕圖像

Form1 - ＞ Canvas- ＞ Draw(300，0，Bitmap1);//在屏幕指定區(qū)域繪制以上各圖層的疊加圖像

圖4 分層實(shí)時(shí)繪制的各圖層關(guān)系

圖5 實(shí)時(shí)仿真程序流程

4 結(jié)束語(yǔ)

基于圖像繪制的實(shí)時(shí)仿真方法對(duì)于針對(duì)性比較強(qiáng)、具備一定的仿真對(duì)象圖形圖像特征素材的情況。具有比較明顯的優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)在外場(chǎng)試驗(yàn)條件沒(méi)有完成的一些條件下的試驗(yàn)情況，由于是采用實(shí)際試驗(yàn)對(duì)象的圖形圖像素材作為模型建立的基礎(chǔ)來(lái)仿真不同環(huán)境和條件下的試驗(yàn)過(guò)程，因此具備比較高的可信度。編程軟件采用C++builder2007軟件，使用基于分層實(shí)時(shí)透明繪制的煙幕仿真程序?qū)崿F(xiàn)了窗口為360×240、幀頻不小于40幀的跟蹤與干擾場(chǎng)景，仿真圖像如圖6所示。

圖6 外場(chǎng)試驗(yàn)圖像與仿真圖像

［1］ 焦清介，霸書紅.煙火輻射學(xué)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

［2］ 姚祿玖，高鈞麟，肖凱濤，等.煙幕理論與測(cè)試技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

［3］ 杜石明，曾凱，等.對(duì)紅外煙幕消光機(jī)理及性能的研究［J］.電光與控制，2007，18(1):90-93.

［4］ 賀劍鋒，許俐，嚴(yán)俊武.紅外干擾彈干擾性能測(cè)試系統(tǒng)［J］.兵工自動(dòng)化，2011(6):84-86.

［5］ 李毅.非球形微粒及其形成煙幕的消光機(jī)理研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2001.

［6］ 張濤.動(dòng)態(tài)紅外煙幕仿真方法研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2010.

［7］ C++builder2007 programmer guide［EB/OL］.http://www.codegear.com.