地面紅外紋理的動態生成技術研究*

王 彥,謝曉方,曹 建,徐從安,涂曉明

(1 海軍航空工程學院,山東煙臺 264001;2 91960部隊,廣東汕頭 515000)

地面紅外紋理的動態生成技術研究*

王 彥1,謝曉方1,曹 建1,徐從安1,涂曉明2

(1 海軍航空工程學院,山東煙臺 264001;2 91960部隊,廣東汕頭 515000)

為實現紅外導引頭視景仿真中地面視景的動態生成,提出了一種地面紅外紋理的動態生成方法。根據太陽小時輻射量、風速、大氣溫度、相對濕度和不同材質地面溫度的實測數據建立樣本集,并基于該樣本集建立了幾種典型地面材質表面溫度場的工程計算模型。仿真工程中,在地面材質區域紋理的基礎上,結合溫度場工程計算模型和由多譜段圖像法生成的紋理掩膜,在著色器中動態生成地面的紅外紋理。實驗表明,地面溫度場模型的預測結果與實測數據吻合較好,生成的地面紅外紋理比較逼真,滿足三維仿真工程實時性要求。

紅外視景仿真工程;地面溫度場;實測數據樣本集;地面紅外紋理;紋理掩膜

0 引言

地面紅外視景仿真是紅外導引頭視景仿真中的重點和難點。目前,采用第一紅外原理模型[1]已經能夠較準確的計算地面溫度場,但該模型計算量較大,難以應用于實時仿真工程中。因此,雖然半經驗或經驗模型[2-3]的精度不如第一原理模型,但它們在紅外動態視景仿真中更具應用價值。國內關于地面紅外仿真的研究主要是針對某類型地面的紅外特征進行研究[4],成果很少應用于實際的動態紅外場景仿真工程中。

文中首先根據2013年4月至2015年4月期間氣象和幾種典型材質地面溫度的實測數據集,建立了地面溫度場的工程計算模型,進而結合多譜段法,采用GPU著色器編程,在仿真工程中動態生成具有較強真實感的地面紅外紋理。

1 地面溫度場分析與建模

地面溫度的理論建模是個比較復雜的問題。地面溫度除受地面材質的熱物性影響外,還受到諸多環境因素影響。一般來說,這些環境因素中起決定作用的是太陽輻射、空氣溫度、風速和空氣相對濕度(RH)[5]。其中,太陽輻射是白天最強的自然輻射源。風速主要影響地面與空氣的顯熱和潛熱換熱。其中,顯熱換熱以對流換熱為主,干燥地面的顯熱換熱占主要地位,潛熱換熱主要由地表水分的蒸發凝結作用形成,受相對濕度影響較大。理論計算中,常采用式(1)所示模型計算地面溫度場。

(1)

式中:t為時間;c為比熱;Es為地面吸收的太陽輻射;Ec為大氣輻射;Mg為地表自身輻射;Q為顯熱換熱;EL為潛熱換熱;G為從地表向下導熱熱量。該模型是一個非穩態模型,常采用有限差分法求解,計算過程十分耗時,且瞬時溫度的計算精度依賴于給定的初始條件,如果初始溫度誤差較大,則后續計算誤差也可能較大,并不能保證結果的完全精確。

2013年4月至2015年4月期間對氣象條件和地面溫度進行了實測研究。實測中,我們逐小時記錄氣溫、相對濕度、太陽輻照度、太陽小時輻射量、風速以及水泥、瀝青、草地和泥土等典型材質地面的溫度數據。其中,泥土地面被劃分為干燥、較干燥、較濕潤幾個等級進行數據記錄。圖1和圖2分別給出了白天和夜間不同材質地面溫度的實測數據,條件為:2014年5月24日7時至5月25日6時,多云轉晴,北緯36.2°。

圖1 白天太陽輻射、氣溫、風速、濕度和地溫實測值

由圖1,大氣濕度的快速降低對地面溫度可能產生顯著影響。這是因為相對濕度的急劇降低將顯著增強地面的潛熱換熱,從而降低地面溫度。由于泥土的含水量相對較高,受潛熱換熱影響較大,因此降溫幅度最明顯,而干燥的瀝青和水泥等人工地面受濕度影響較小。相同條件下,瀝青的溫度最高,其次為水泥。泥土表面溫度與其含水量有較大關系,當泥土含水量較高時,其溫度可能低于草地溫度。白天地面達到最大溫度的時刻相對于太陽輻照度最大的時刻延遲大約1 h,地面溫度最大值出現在中午1點左右。

圖2 夜間氣溫、風速、濕度和地溫的實測值

由圖2,夜間地面接收的輻射主要是大氣輻射,且地面溫度變化趨勢與大氣溫度變化趨勢基本一致。

顯然,對于某種材質地面,影響其表面溫度的主要因素是大氣溫度、濕度、太陽輻射和風速。實際上,白天太陽輻射的影響主要表現為一定時間內太陽輻射能量的累積對地面的加溫作用,與瞬時的太陽輻照度關系不大。風速主要通過對流換熱系數影響對流換熱量。Jacobs給出了對流換熱系數的計算公式,如式(2)所示。其中,v為風速,b和m可根據壁面與風向的關系確定[6]。

H=bvm

(2)

以氣溫、風速、太陽小時輻射量、大氣濕度和地面溫度的實測結果建立了數據樣本集。考慮到材質和季節因素的影響,樣本集按材質和季節進行了分類,每個季節、每類材質的樣本數為286個。這樣,每一個樣本包括了某種材質某一時刻對應的氣溫、濕度、對流換熱系數、太陽小時輻射量和表面溫度數據。進而基于該樣本集,采用多元非線性擬合法,建立了地面溫度場的數值擬合模型,如式(3)所示:

(3)

式中:Ta為大氣溫度;H為對流換熱系數;Rsun為太陽小時輻射量;RH為濕度;a、b、c、d、f、g、h為擬合系數,取值根據季節和材質確定。限于篇幅,表1給出了春季幾種地面材質的擬合系數。

最終,由式(4)計算地面的紅外輻亮度。

(4)

式中:τ為大氣透過率;εg與ρg分別為地面發射率和反射率,Esun和Esky分別為太陽和天空的輻照度;σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數。

表1 春季不同材質的模型擬合系數

2 動態紅外地面紋理生成方法

當前,幾乎所有的三維圖像引擎都是通過為三維地形文件映射地面紋理來實現復雜地面視景仿真的。因此,地面紅外視景仿真也可由地面紅外紋理的動態仿真實現。根據紅外理論,地面紅外紋理可以由如下方法生成:

1)依據材質對地面紋理(可見光的)進行區域分割,得到地面材質區域紋理。

2)根據式(3)和式(4)計算各區域的溫度和紅外輻亮度。

3)根據輻亮度與紅外灰度的映射關系,為紋理的不同區域映射紅外灰度。

由于目前的圖像處理算法難以實現復雜地面可見光圖像(如遙感圖像)的自動分割和提取,可采用專業的圖像處理軟件(如ENIV等)實現地面紋理圖像中不同材質區域的提取。

上述方法生成的地面紋理各區域的灰度相同,缺乏真實感。我們采用多譜段法生成地面紅外紋理的真實感[7]。該方法一般借由可見光譜段圖像生成的紋理掩膜,實現紅外圖像的真實感仿真,具體方法為:

1)將可見光圖像轉化為灰度圖像,并求同種材質區域的灰度均值。

2)可見光灰度圖像的各區域減去其對應的灰度均值,得到紋理掩膜。

3)紋理掩膜乘以一個調節因子α,用于掩膜深度的縮放。

4)計算材質區域紋理中各區域的紅外灰度。

5)以紅外灰度與掩膜之和作為地面的紅外紋理并進行渲染。

為實現地面紅外紋理的動態渲染,在仿真工程中,模型實際加載的只是地面材質區域紋理和紋理掩膜這二重紋理。區域紋理可由預處理方式生成,各區域采用不同的均一灰度以區別不同的地面材質。在仿真系統的著色器中,同時使用兩個紋理采樣器采樣區域紋理和掩膜:區域紋理采樣器根據像素的初始灰度判定區域材質類型,進而根據式(4)計算紅外輻亮度并映射像素灰度;掩膜采樣器用于采樣掩膜紋理。最終在片元著色器中由像素值混疊計算得到地面的紅外紋理。由于地面溫度計算基于較簡單的數值擬合模型,且地面輻亮度和紋理灰度由著色器計算并渲染,地面紅外視景仿真具有較好的動態性和實時性。圖3給出了公路及草地地面的紅外紋理仿真結果。

圖3 地面真實感紅外紋理

3 模型效果評價

將地面溫度的模型預測結果與實測值進行對比,以評價溫度場模型的計算精度,如圖4所示。表2給出了對應的均方誤差。圖4中,數字標號表示仿真日期,其中,1為2015年4月14日,晴天,2為2015年7月30日,晴天。根據圖4和表2,地面溫度的模型預測結果與實測值基本一致,精度滿足工程計算要求。

圖4 模型預測結果與實測值

日期均方誤差/K瀝青水泥草地泥土11.51920.79470.69450.616421.78900.95790.53120.3703

圖5給出了三維紅外視景中地面的視景仿真效果,仿真平臺基于OSG3.0搭建,地面材質主要為草地和瀝青路面,并引入地面建筑物作為尺度參照。由圖5知,地面的紅外仿真效果較為逼真。

圖5 地面紅外場景仿真

表3給出了改變仿真時間時系統的幀速。隨著仿真時間的改變,地面溫度將發生變化,因此地面紅外紋理的灰度值也將發生改變。由表3可知,改變仿真時間條件時,系統幀速可保持在60幀/s左右。顯然,文中方法滿足紅外視景仿真的實時性和動態性要求。

表3 改變仿真時間時的系統幀速

4 結論

文中首先基于氣象條件和地面溫度的實測數據集,建立了幾種典型材質表面溫度場的工程計算模型,進而根據地面的材質區域紋理和紋理掩膜,采用著色器實時計算地面紋理的紅外灰度。實驗表明,文中動態生成地面紅外紋理的方法可行,生成的地面紅外紋理不僅具有較強的真實感,計算速度也滿足動態實時仿真要求,具有較強的工程實際意義。

[1] 魏璽章, 黎湘, 莊釗文, 等. 紅外目標溫度場及輻射通量的計算 [J]. 系統工程與電子技術, 1999, 21(9): 13-14.

[2] OWENS M A, WELLFARE M R, FOSTER J, et al. Irma 5.0 multisensor signature prediction model [C]. Proc. SPIE 3699, 1999(4): 249-267.

[3] BALFOUR L S, BUSHLIN Y. Semi-empirical model-based approach for IR scene simulation [C]. SPIE Proceedings, 1997, 3061.

[4] 季園園. 典型地物紅外特征仿真關鍵技術研究 [D]. 大連: 大連海事大學, 2014.

[5] 宣益民, 韓玉閣. 地面目標與背景的紅外特征 [M]. 北京: 國防工業出版社, 2004: 124-126.

[6] JACOBS P A M. Convective heat exchange of a three-dimensional object placed in the open field [J]. Archives for Meteorology, Geophysics, and Bioclimatology: Series B, 1984，33(4): 349-358.

[7] 邵曉鵬. 地面紅外場景模擬 [D]. 西安: 西安電子科技大學, 2002.

Research on Dynamical Generation Technique of Ground IR Texture

WANG Yan1,XIE Xiaofang1,CAO Jian1,XU Congan1,TU Xiaoming2

(1 Naval Aeronautical and Astronautical University, Shandong Yantai 264001, China;2 No.91960 Unit, Guangdong Shantou 515000, China)

In order to dynamically generate ground IR scene in simulation of IR seeker scene, a method for dynamically generating IR texture of ground was provided. First, the sample set was built based on data of total solar radiation in one hour, wind speed, air temperature, relative humidity and ground temperature made by measurement, and the engineering calculation model was built for ground surfaces with different materials based on this sample set. In the simulation engineering, based on texture of different material area, and according to the temperature field calculation model and mask texture made by multi-spectral imaging method, the ground IR texture was dynamically generated by shader. According to experiments, the predicted results of the temperature field model agree well with real measured date, and the IR texture of ground with good fidelity meets the demands of instantaneity in 3D engineering simulation.

engineering of IR scene simulation; temperature field of ground; sample set of measured data; IR ground texture; mask texture

2015-08-17基金項目:國家自然科學基金(61205200)資助

王彥(1982-),男,湖北襄陽人,工程師,博士研究生,研究方向:紅外仿真技術。

TP79;P407

A