基于圖像實時繪制的煙幕仿真方法研究*

陸 斌，呂俊偉

(海軍航空工程學院控制工程系，煙臺264001)

1 引言

在光電對抗領域煙幕已成為一種應用廣泛的無源干擾手段，具有成本低、戰術使用簡易方便等特點。通常煙幕干擾技術就是在空氣中釋放大量特定氣溶膠微粒，來改變電磁波的介質傳輸特性，是光電探測、觀瞄、紅外制導武器干擾的有效手段，尤其對成像型的光電精確探測、制導等武器作戰效能產生了很大的影響。煙幕的擴散，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和科學試驗，以及相應的測試和評估，它對確保裝備的性能和質量及實戰使用中發揮最大的潛能具有舉足輕重的作用［1］。然而，利用大量外場試驗來研究煙幕對成像制導武器的干擾效果不僅需大量的人力、物力代價，而且由于外場煙幕試驗受到多種不可控因素的影響導致試驗效率不高，而單純的室內試驗又缺乏足夠的依據。目前比較科學的方法是綜合野外、半實物和實驗室的試驗方法，同時利用仿真技術是縮短系統研制與試驗鑒定周期、降低效果評估成本的主要手段。

無論是對各光譜頻段還是各種煙幕類型，作為圖像仿真的重要依據，外場試驗是必不可少的。根據任務需要及各種方法的特點，采用某型發煙罐的外場試驗方法，采集其定量的多光譜傳感器相關測量數據，修正典型的爆炸型、擴散型煙幕模型，并根據外場試驗環境實際背景，形成典型地貌條件、氣象條件的背景圖像庫，通過圖像實時繪制技術形成對此類發煙罐各使用情況的視景仿真。程序軟件采用C++Buider2007，視景點陣360×240(不小于典型成像型武器的跟蹤窗口)，幀頻為40幀每秒，可以滿足對一般成像型制導的仿真實時性要求。

2 煙幕仿真各要素模型與圖像庫

對在煙幕干擾情況下成像型制導武器的視景仿真至少包括目標、背景和煙幕三個基本要素，在動態圖像中，這三個要素的特點比較明顯，即各要素本身相對獨立，在序列圖像中資相關性大，與其它要素的相關性小。根據這個特點，在視景仿真中，對各要素進行獨立的模型與圖像庫建設，作為實時繪制合成的基礎元素。需要說明的是，對各光譜波段，煙幕的影響不相同，各要素的模型也不同，這里以可見光波段為例重點介紹煙幕的模型與圖像庫的實現。

2.1 煙幕的模型

煙幕對可見光的衰減主要體現在散射方面，當目標與成像傳感器間有煙幕介入時，由于它的散射作用而降低亮度對比度［2］，總對比度用下式加以表達:

式中:a為煙幕的消光系數;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(見圖1)。

圖1 外場試驗中煙幕擴散過程

根據煙幕消光的“朗伯-比爾”定律。和文獻中的擴散模型，可以得到煙幕透過率計算的方法。一般的煙幕衰減作用表示為:

式中:I為透過煙幕傳輸的輻射強度(W/sr);I0為進入煙幕前的輻射強度(W/sr);a0為煙幕遮蔽物的消光系數(m2/g);c為煙幕濃度(g/m3);l為煙幕厚度(m)。

一般典型煙幕認為是粒子系統［2］，受氣象、地形、環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。例如假設地面無吸收和吸附作用，煙幕本身是無沉降的被動成分，地面對污染物的作用猶如一個全反射體，風速大于1m/s，風向恒定，地面水平均勻，由“梯度傳送理論”及“統計理論”推導出地面連續點源濃度高斯(正態)型濃度模式:

式中，C(x，y，z，H)為點(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方向的大氣擴散方差，其中

式中，γ1，γ2，a1，a2是與大氣穩定度及地形有關的參數。

2.2 基于視景仿真的某型發煙罐煙幕模型修正

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

根據對某型發煙罐的材料特性及多次外場試驗測量，測量過程中需要考慮天空背景、陽光角度等因素，其中煙幕的施放條件影響最為明顯，圖2反應了不同煙幕條件下的透過率影響。

根據透過率計算可以得到成像面陣的相應輻照度［5］，相應的反映在成像像素即為灰度值，然后需要進行相應的量化，作為煙幕圖像的依據，這里采用均勻量化的方法，輻照度與灰度呈線性關系。找出煙幕輻照度的最大值和最小值，分別用Esmax和Esmin表示。計算每級灰度對應的輻射間隔:

計算各輻照度對應的灰度值:

并以此形成煙幕圖像各像素的灰度關系。

圖2 不同煙幕條件下的各光譜透過率

2.3 目標與背景

這里目標和背景采用Multigen Creator進行輻射模型建立，并通過外場試驗中得到的目標圖像進行特征歸納，得到相應的灰度分布特點以及灰度值修正量化閾值。Multigen Creator軟件是 Multigen Paradigm公司專門針對可視化仿真行業應用特點推出的可視化三維建模軟件系統，它提供了分別運行于高端SGI工作站和低端PC平臺的不同版本，可以最大限度地滿足不同應用需求。

目標的建立包括以下基本過程:目標自身輻射的三維模型;各種環境輻射模型;探測器像元的輻照度模型。其中，在向目標三維幾何模型進行紋理映射時，映射的是表征輻射的灰度圖像，其灰度值不代表輻射值，但有一個映射關系。事先將這些灰度值轉化為輻射值并作為一張浮點紋理映射到目標的三維幾何模型上。在渲染時，對該紋理進行取樣，就得到成像平面上每一個像素對應的目標表面的輻射值。由于目標表面不同部位的反射率是不同的，所以在仿真的時候需要給目標表面的不同部位賦予不同的反射率，將目標表面的反射率作為一張浮點紋理映射到目標的三維幾何模型上［6］。在圖形渲染的時候，對該紋理進行取樣，就可以得到成像平面上每一個像素對應的目標表面反射率。

背景的建立一般以典型的戰場環境為依據，結合外場試驗的圖像進行相應的調整修正。由于條件限制，實際拍攝的自然地形的紋理圖像大小往往是有限的，必須設法構造大面積的地形紋理。利用圖像拼接可以把針對同一場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容，從而確定它們的相對位置。這里采用的方法是在對基于區域匹配方法改進的基礎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，即首先對相鄰兩幅圖像進行直方圖均衡化，增強圖像對比度;然后在原圖中與待拼接圖像重疊的區域內按照自定義模版尺寸逐像素計算局部標準差，并將局部標準最大值所對應的區域作為匹配模版，將此模版與待拼接圖像進行區域匹配，找出相關度最大值所對應的區域為匹配區域，然后利用匹配區域將原圖與待拼接圖像進行縫合(見圖3)。

圖3 目標與背景的仿真圖

3 基于圖像繪制的實時仿真

作為實時圖像仿真的一種實用方法，實時圖像繪制有其明顯的特點，實現簡單靈活，針對性強;但是對相應的圖像素材要求高，不宜實時生成，對硬件尤其是計算機內存和顯示內存有一定的要求。

在項目涉及的任務中，圖像的仿真具有很強的針對性要求，同時外場試驗能夠提供較豐富的圖像素材，因此可以通過計算機程序預先加載處理的方法完成相關的仿真要素圖形庫，同時，目前的計算機硬件水平已經完全達到了對一定尺寸仿真窗口實時圖像繪制的實時性要求。

經過建模與修正后的各仿真要素形成相應的圖形庫，并在仿真程序開始時進行預加載入內存，在仿真程序的控制下在屏幕進行分層實時繪制，各個圖層的對應關系及程序流程如圖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、開發周期短的特點，其前身是Borland C++的典型代表產品［7］。在代碼編寫中的一個關鍵技術，就是圖像的掩色(key color)技術，可以實現不同圖層的透明繪制，這點可以通過如下代碼實現:

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

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

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

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

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

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

圖4 分層實時繪制的各圖層關系

圖5 實時仿真程序流程

4 結束語

基于圖像繪制的實時仿真方法對于針對性比較強、具備一定的仿真對象圖形圖像特征素材的情況。具有比較明顯的優點，可以彌補在外場試驗條件沒有完成的一些條件下的試驗情況，由于是采用實際試驗對象的圖形圖像素材作為模型建立的基礎來仿真不同環境和條件下的試驗過程，因此具備比較高的可信度。編程軟件采用C++builder2007軟件，使用基于分層實時透明繪制的煙幕仿真程序實現了窗口為360×240、幀頻不小于40幀的跟蹤與干擾場景，仿真圖像如圖6所示。

圖6 外場試驗圖像與仿真圖像

［1］ 焦清介，霸書紅.煙火輻射學［M］.北京:國防工業出版社，2009.

［2］ 姚祿玖，高鈞麟，肖凱濤，等.煙幕理論與測試技術［M］.北京:國防工業出版社，2004.

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

［4］ 賀劍鋒，許俐，嚴俊武.紅外干擾彈干擾性能測試系統［J］.兵工自動化，2011(6):84-86.

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

［6］ 張濤.動態紅外煙幕仿真方法研究［D］.西安:西安電子科技大學，2010.

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