基于Creator和Vega的紅外/SAR成像仿真

劉法龍+劉俊+趙宗貴+谷雨

摘 要： 在此使用Creator軟件建立了帶紋理的目標三維模型，以及利用Vega的TMM和MAT工具分別對目標紋理和大氣環境進行了建模。基于Vega及其擴展模塊遠紅外傳感器仿真模塊對紅外圖像進行了仿真；基于Vega及其擴展模塊雷達仿真模塊對SAR成像進行了仿真。針對同一場景、同一目標的紅外/SAR圖像融合過程中存在的圖像獲取問題，提出一種對同一探測目標的半真實半仿真圖像獲取方法；使用傳感器視效模擬模塊進行同一時刻、場景和大氣條件下的SAR圖像和紅外圖像仿真。使用Cretor和Vega軟件生成紅外/SAR圖像具有周期短、實時性高的特點，可以很好地解決紅外/SAR圖像獲取難的問題，在軍事與民用領域中均有廣泛的應用。

關鍵詞： 紅外圖像； SAR圖像； 計算機仿真； Vega；Creator

中圖分類號： TN919?34； TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）04?0104?04

IR/SAR iimaging simulation based on Creator and Vega

LIU Fa?long1， LIU Jun1，2， ZHAO Zong?gui2， GU Yu1

（1. College of Automation， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China；

2. The 28 institute， China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210000， China）

Abstract： A three?dimensional target model with texture was built with Creator software. The models of the target texture and atmospheric environment were established by means of TMM and MAT tools in Vega. The infrared image is simulated on the basis of Vega and its expansion module （far?infrared sensor simulation module）. The SAR imaging is simulated on the basis of Vega and its expansion module （radar simulation module）. In order to solve the problem existing in the same scene and same target infrared image/SAR image fusion， a acquisition method of the half?real half?simulication image of same target is proposed. The sensor simulication visual module is used to simulate the SAR image and IR image in the same time， scene and atmospheric condition. Using Creator and Vega softwares to generate infrared/SAR images has the characteristics of short cycle and high real?time features， which can solve the problem of IR/SAR image acquisition. It has been widely used in military and civil fields.

Keywords： infrared image； SAR image； computer simulation； Vega； Creator

0 引 言

目前，紅外與SAR圖像在現代化戰爭中都發揮著十分重要的作用，在軍事領域有著廣泛的應用前景。在多源信息融合的研究過程中，需要采集源自多個傳感器的同一場景、時刻和目標數據（如紅外圖像和SAR圖像），以便進行圖像融合，并對已提出的各種算法進行校驗[1]。采用仿真手段來獲取同一場景、時刻和目標的具有較強真實性的各種復雜環境成像條件下的SAR圖像和紅外圖像，以便于縮減測試成本和試驗時間。

虛擬現實技術可分為視景建模和視景驅動。視景建模主要包括：模型設計與實現、場景構造與生成、紋理設計制作、特效設計等，要求構造出逼真的三維模型和制作逼真的紋理和特效；視景驅動主要包括：場景驅動、模型調度處理、分布交互、實時大場景處理等。

1 軟件介紹

Multigen?Paradigm公司的Creator軟件是一個功能強大、交互式的專業虛擬現實建模軟件。它提供了強大的多邊形建模、矢量建模以及大面積地形精確生成等功能，包含了一系列API庫函數[2]，用戶可以讀、寫和建立flt格式文件，能夠高效地生成實時三維模型數據庫，大大降低開發難度，縮短開發周期。Vega作為Multigen?Paradigm公司的旗艦產品之一，也逐漸成為可視化仿真領域的世界領先級應用軟件環境。Vega是一套完整地用于開發交互式、可視化仿真應用的軟件平臺和工具集，它最基本的功能是驅動、控制、管理虛擬場景并能夠方便地實現大量特殊視覺和聲音效果。Vega提供了友好的圖形界面、完整的C語言應用程序接口、豐富的相關實用庫函數和一批可選的功能模塊，能夠滿足多種特殊的仿真要求。使用Vega可以大幅度減少源代碼的編程，使軟件的維護和實時性能的進一步優化變得更加容易，從而大大提高了工作效率。

2 Creator目標建模

可視化仿真實時性和交互性的本質特征和實時渲染的底層實現過程，決定了用于可視化仿真系統的三維模型數據庫需要有不同于傳統三維模型數據庫的一些特點[3]， 主要要求有：

（1） 模型多邊形數量要盡可能少；

（2） 模型數據的構造盡可能簡單；

（3） 模型數據庫的結構要便于進行遍歷操作；

（4） 模型數據庫要能夠被應用程序快速讀取并可以包含各種約束信息[4]。

本文所要生成紅外/SAR圖像具有相同的目標與背景，均是在小鎮模型中加入了飛機、坦克、艦船三個目標，下面以F?35戰機模型為例介紹目標模型的建立過程，如圖1所示。

圖1 飛機建模圖

（1） 首先根據戰機外形尺寸的詳細資料構建幾何模型，層次建模如圖1（a）所示；

（2） 通過戰機的圖片資料制作紋理，根據顏色通道數量和壓縮格式的不同，紋理圖像可以存為各種格式，Creator支持的主要格式包括INT，INTA，RGB，RGBA，TGA，JPEG，GIF，BMP等格式。然后通過紋理調板將獲得的紋理圖像映射到幾何模型中，得到目標的三維模型如圖1（b）所示。

3 紅外/SAR圖像仿真

紅外/SAR圖像視景仿真系統結構圖如圖2所示，首先在Vega提供的用戶界面Lynx中將Creator創建的飛機、坦克、艦船模型

加入到小鎮場景中，初始化窗口、通道、觀察者、環境及環境效果等基本參數，其中Vega的TMM（紋理材料圖生成器）和MAT（大氣工具）的參數設置是紅外/SAR圖像仿真成功的關鍵，然后通過Radar Works與Sensor Vision分別讀取.tmm與.mat文件，結合/SAR紅外傳感器的參數設置情況得到同一時刻、場景和大氣條件下的SAR圖像和紅外圖像。

圖2 仿真系統結構圖

3.1 紅外圖像仿真

在遠紅外傳感器仿真模塊（Vega Sensor Vision）加入目標模型、大氣和紅外材質模型后，Vega軟件會根據大氣質量、光譜、環境輻射、轉化因子、溫度等參數實時計算得到場景的紅外圖像。通過傳感器視效模擬模塊提供的可視化參數設置界面，可以進行探測器仿真，加入光學透過率、孔徑、聚焦誤差、F數、探測器分辨力、探測器元數、系統靈敏閾、線路噪聲等參數，產生各種有實用價值的傳感器特殊視覺效果，得到更加逼真的仿真紅外圖像[5]。

為滿足不同遠紅外探測精度的要求，Vega遠紅外傳感器仿真模塊支持兩種不同的溫度探測模式。

（1） 假設單個模型幾何體都是同一個溫度，這種模式的優點是成像速度快，但效果不如第二種方式逼真。

（2） 對模型對象幾何體的每個頂點都進行準確的溫度探測，使用這種模式可以獲得非常逼真的遠紅外傳感器仿真效果，實際運行時計算強度會成倍增加[6]。

如圖3（a）所示為模型坦克生成的紅外圖像，通過Lynx中的Object Property Editor工具設置坦克不同部位的溫度，從圖中可以看出由于設定坦克履帶與炮管的溫度高于坦克車體溫度，因此履帶與炮管相對車體要更亮一點，與實際情況相符。

在飛行目標的三維紅外仿真中，目標噴射的尾焰是重要的紅外輻射源，研究尾焰紅外特性并對其仿真可以極大地提高仿真場景的真實度[7]。使用Vega特殊效果模擬擴展模塊，可以方便地在視景仿真應用中模擬出各種很難用多邊形建模方式表現出來的特殊視覺效果，包括火焰燃燒效果、煙霧效果及各種爆炸效果。主要采用Vega特效模塊的自定義粒子系統來完成尾焰的生成，Vega特效模塊提供可擴展的粒子系統設置面板，通過在LynX圖形界面中定義的粒子系統支持動態地更改屬性設置，從而能夠交互地創造出自定義的特殊效果[8]。如圖3（b）所示為使用Vega的特效模塊模擬出的戰機尾焰紅外圖像，可以看出模擬的尾焰亮度明顯高于飛機表面蒙皮。

圖3 紅外仿真圖像

3.2 SAR圖像仿真

雷達散射截面積（RCS）是精確生成雷達仿真圖像的基礎，RCS 是對物體微波特性的一種描述，其定義為雷達接收的目標回波功率與發射功率密度之比即：

[RCS=Pp=4π?R2PPT] （1）

式中：P為雷達接收的目標回波功率；[p]為發射功率密度；[PT]為雷達發射功率；R為雷達到目標的距離。RCS 反映的是目標對雷達發射波的反射能力，是回波信號與發射信號的一種比例關系[9]。

Vega中的雷達仿真模塊是基于物理機制的雷達成像仿真，能仿真真實雷達設備。雷達仿真模塊首先根據場景中紋理的材料構成，從材料文件中獲取各種材料的平均后向散射系數及其方差。它們都是頻率、極化方式、入射角的函數。然后再結合場景的幾何信息和雷達參數查找材料數據庫和文化特征數據庫獲取RCS值，生成場景的RCS圖。將所產生的散射分布圖與所定義的雷達參數相結合產生雷達圖像。

由于場景目標的材質屬性直接影響雷達散射截面積計算，因此將目標和背景的幾何模型表面紋理圖片映射為相對應的紋理材質對于SAR仿真圖像的生成是非常重要的。TMM（Texture Material Mapper）是Vega中用來將Creator 三維模型可見光紋理轉換至材質的輻射紋理的工具，它提供了一種方法用來生成從Vega 提供的對象的紋理到材質的映射。TMM 通過設定Creator模型文件紋理和目標材質的映射，從而確定模型中物體的真實材質。利用雷達仿真模塊提供的可視化參數設置界面，通過為SAR傳感器設置各種工作參數，如發射頻率、極化方式、分辨率、運動補償、邊緣增強等。虛擬場景中的模型對象具有了真實的物理材質屬性后，就可以使用Vega雷達仿真模塊在可視化仿真應用中模擬符合實際情況的雷達掃描顯示效果[10]。如圖4所示，在Vega自帶的小鎮場景模型中加入了飛機目標模型，對SAR在不同參數下的飛機模型成像效果進行了模擬。圖4（a）是在雷達工作頻帶為C（4～8 GHz）極化方式VV時的SAR圖像，圖4（b）是在工作頻帶為C（4～8 GHz）極化方式VH時的SAR圖像，圖4（c）是在工作頻帶為K（18～27 GHz）極化方式VV時的SAR圖像，圖4（d）是在雷達工作頻帶為K（18～27 GHz）極化方式VH時的SAR圖像， 由圖4可以看出，在極化方式相同的情況下，高頻帶K（18～27 GHz）得到的SAR圖像要比低頻C（4～8 GHz）下的SAR圖像分辨率要高，這是由于雷達工作頻率越高相應發射的電磁波長越短，能夠對物體進行更加細致的區分觀察，從而得到高分辨率的SAR圖像。在雷達工作頻率相同的情況下，不同極化方式對SAR圖像中飛機目標的RCS有著較大的影響，極化方式為VV時得到的SAR圖像飛機目標成像質量更高。

圖4 SAR仿真圖像

3.3 半實物仿真

針對同一場景、同一目標的紅外/SAR圖像融合過程中存在的圖像獲取問題，提出一種對同一探測目標的半真實半仿真圖像獲取方法，即一種為通過真實傳感器探測得到的圖像，另一種為針對同一探測目標仿真獲得的圖像，圖5（a）為某型紅外熱像儀實際探測得到的吉普車紅外圖像，該紅外熱像儀探測器像元數不小于320×240非制冷紅外焦平面，寬視場≥15°×11°，窄視場≤5.7°×4°，工作波段為8～12 μm，通光孔徑為Φ150 mm。

圖5（c）為基于吉普汽車實際探測得到的真實SAR圖像，圖5（b），（d）分別為根據已有的真實圖像仿真獲得的同一場景、目標、大氣條件下的SAR與紅外圖像，通過對同一目標的真實圖像與仿真圖像的研究可以獲取到更多的目標信息，為多傳感器條件下的圖像融合提供更多的數據參考信息。

圖5 半實物仿真圖像

4 仿真結果

如圖6所示是仿真生成的同一時刻、場景和大氣條件下的SAR圖像和紅外圖像，兩組圖像中的場景均為Vega自帶的小鎮模型，加入的目標模型是由Creator軟件建模生成的飛機、坦克及艦船目標，SAR圖像設置的最大可視RCS范圍為-30～10 dBsm，SAR成像模式選擇為“Stripmap”，頻率設置為“Ku波段”，極化方式為“VV”，雷達到目標中心的地面距離Range設置為“2 050 m”，斜視角度設置為90°。

圖6（b）是在波長為3～5 μm時有傳感器噪聲的紅外圖像，這里對坦克的炮管設置較高溫度，并且在飛機尾部增加了尾焰效果，增強了仿真逼真度。

圖6 同一場景的SAR與紅外圖像

5 結 語

本文分析了紅外/SAR圖像仿真過程中的關鍵技術，以飛機模型為例討論了使用Creator軟件進行建模，對紅外圖像中坦克目標的不同部位設置溫度差，并對飛機目標尾部加入了尾焰特效，成功生成了SAR圖像，紅外/SAR圖像無論在軍事與民用領域中均有廣泛的應用，使用Cretor和Vega軟件生成紅外/SAR圖像具有周期短、實時性高的特點，可以很好地解決紅外/SAR圖像獲取難的問題，通過對比可以發現，在同一傳感器條件下仿真得到的圖像與真實探測結果還是有一定的差距。圖像仿真是一種有效的途徑，但是仿真圖像不能代替真實傳感器探測得到的結果。接下來主要針對生成的同一時刻、場景和大氣條件下的SAR圖像和紅外圖像開展目標識別方面的研究工作。

參考文獻

[1] 高思莉，湯心溢.空中飛行目標尾焰紅外輻射信號的建模與仿真[J].光電工程，2007，34（8）：25?27.

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[5] 任亮.基于Vega的實時紅外視景生成技術研究[D].南京：南京理工大學，2009.

[6] 喬國軍.基于Vega的紅外目標仿真研究[D].南京：南京理工大學，2009.

[7] 王乘，周均清.Vega實時三維視景仿真技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.

[8] 楊述華，廖守億.應用Vega模塊的紅外成像系統仿真建模方法[J].探測與控制學報，2008，30（3）：32?35.

[9] 賀瑞，滕奇志，何霽，等.基于Vega的SAR成像仿真系統設計[J].現代雷達，2007，29（3）：90?92.

[10] 牛杰.視景仿真在雷達系統仿真中的應用[D].成都：電子科技大學，2009.

圖4 SAR仿真圖像

3.3 半實物仿真

針對同一場景、同一目標的紅外/SAR圖像融合過程中存在的圖像獲取問題，提出一種對同一探測目標的半真實半仿真圖像獲取方法，即一種為通過真實傳感器探測得到的圖像，另一種為針對同一探測目標仿真獲得的圖像，圖5（a）為某型紅外熱像儀實際探測得到的吉普車紅外圖像，該紅外熱像儀探測器像元數不小于320×240非制冷紅外焦平面，寬視場≥15°×11°，窄視場≤5.7°×4°，工作波段為8～12 μm，通光孔徑為Φ150 mm。

圖5（c）為基于吉普汽車實際探測得到的真實SAR圖像，圖5（b），（d）分別為根據已有的真實圖像仿真獲得的同一場景、目標、大氣條件下的SAR與紅外圖像，通過對同一目標的真實圖像與仿真圖像的研究可以獲取到更多的目標信息，為多傳感器條件下的圖像融合提供更多的數據參考信息。

圖5 半實物仿真圖像

4 仿真結果

如圖6所示是仿真生成的同一時刻、場景和大氣條件下的SAR圖像和紅外圖像，兩組圖像中的場景均為Vega自帶的小鎮模型，加入的目標模型是由Creator軟件建模生成的飛機、坦克及艦船目標，SAR圖像設置的最大可視RCS范圍為-30～10 dBsm，SAR成像模式選擇為“Stripmap”，頻率設置為“Ku波段”，極化方式為“VV”，雷達到目標中心的地面距離Range設置為“2 050 m”，斜視角度設置為90°。

圖6（b）是在波長為3～5 μm時有傳感器噪聲的紅外圖像，這里對坦克的炮管設置較高溫度，并且在飛機尾部增加了尾焰效果，增強了仿真逼真度。

圖6 同一場景的SAR與紅外圖像

5 結 語

本文分析了紅外/SAR圖像仿真過程中的關鍵技術，以飛機模型為例討論了使用Creator軟件進行建模，對紅外圖像中坦克目標的不同部位設置溫度差，并對飛機目標尾部加入了尾焰特效，成功生成了SAR圖像，紅外/SAR圖像無論在軍事與民用領域中均有廣泛的應用，使用Cretor和Vega軟件生成紅外/SAR圖像具有周期短、實時性高的特點，可以很好地解決紅外/SAR圖像獲取難的問題，通過對比可以發現，在同一傳感器條件下仿真得到的圖像與真實探測結果還是有一定的差距。圖像仿真是一種有效的途徑，但是仿真圖像不能代替真實傳感器探測得到的結果。接下來主要針對生成的同一時刻、場景和大氣條件下的SAR圖像和紅外圖像開展目標識別方面的研究工作。

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[10] 牛杰.視景仿真在雷達系統仿真中的應用[D].成都：電子科技大學，2009.

圖4 SAR仿真圖像

3.3 半實物仿真

針對同一場景、同一目標的紅外/SAR圖像融合過程中存在的圖像獲取問題，提出一種對同一探測目標的半真實半仿真圖像獲取方法，即一種為通過真實傳感器探測得到的圖像，另一種為針對同一探測目標仿真獲得的圖像，圖5（a）為某型紅外熱像儀實際探測得到的吉普車紅外圖像，該紅外熱像儀探測器像元數不小于320×240非制冷紅外焦平面，寬視場≥15°×11°，窄視場≤5.7°×4°，工作波段為8～12 μm，通光孔徑為Φ150 mm。

圖5（c）為基于吉普汽車實際探測得到的真實SAR圖像，圖5（b），（d）分別為根據已有的真實圖像仿真獲得的同一場景、目標、大氣條件下的SAR與紅外圖像，通過對同一目標的真實圖像與仿真圖像的研究可以獲取到更多的目標信息，為多傳感器條件下的圖像融合提供更多的數據參考信息。

圖5 半實物仿真圖像

4 仿真結果

如圖6所示是仿真生成的同一時刻、場景和大氣條件下的SAR圖像和紅外圖像，兩組圖像中的場景均為Vega自帶的小鎮模型，加入的目標模型是由Creator軟件建模生成的飛機、坦克及艦船目標，SAR圖像設置的最大可視RCS范圍為-30～10 dBsm，SAR成像模式選擇為“Stripmap”，頻率設置為“Ku波段”，極化方式為“VV”，雷達到目標中心的地面距離Range設置為“2 050 m”，斜視角度設置為90°。

圖6（b）是在波長為3～5 μm時有傳感器噪聲的紅外圖像，這里對坦克的炮管設置較高溫度，并且在飛機尾部增加了尾焰效果，增強了仿真逼真度。

圖6 同一場景的SAR與紅外圖像

5 結 語

本文分析了紅外/SAR圖像仿真過程中的關鍵技術，以飛機模型為例討論了使用Creator軟件進行建模，對紅外圖像中坦克目標的不同部位設置溫度差，并對飛機目標尾部加入了尾焰特效，成功生成了SAR圖像，紅外/SAR圖像無論在軍事與民用領域中均有廣泛的應用，使用Cretor和Vega軟件生成紅外/SAR圖像具有周期短、實時性高的特點，可以很好地解決紅外/SAR圖像獲取難的問題，通過對比可以發現，在同一傳感器條件下仿真得到的圖像與真實探測結果還是有一定的差距。圖像仿真是一種有效的途徑，但是仿真圖像不能代替真實傳感器探測得到的結果。接下來主要針對生成的同一時刻、場景和大氣條件下的SAR圖像和紅外圖像開展目標識別方面的研究工作。

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