復雜地面場景的紅外特性建模及仿真效果研究*

夏雄風　李向春　明德烈

(1.華中科技大學自動化學院　武漢　430074) (2.火箭軍裝備研究院　北京　100085)

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復雜地面場景的紅外特性建模及仿真效果研究*

夏雄風1李向春2明德烈1

(1.華中科技大學自動化學院武漢430074) (2.火箭軍裝備研究院北京100085)

針對復雜地面的紅外仿真的需求,對地面的紅外特性建模和仿真的效果進行了研究。針對復雜的地面場景,預先設置好材質編號和對應材質紅外屬性之間的映射關系,通過指定材質編號的方式手動對不同材質的區域進行分類。這樣對于同一數據,針對不同的仿真譜段進行一次建模通過替換查找表的方式即可滿足工程的需求。最后為了充分提高計算的效率,在GPU中進行紅外輻射的實時計算,渲染輸出的圖像能滿足工程需求。

紅外建模; 材質分類; 紅外效果

Class NumberTP391.9

1　引言

目前紅外圖像被廣泛應用于目標檢測、精確制導等。但是考慮紅外圖像的獲取通常會比較耗時,費用昂貴紅外成像仿真技術的發展解決了這個問題[1]。紅外成像仿真的基本流程包括[2～3]：場景紅外特性建模、紅外輻射計算、大氣效應計算、最終量化成灰度圖像。但是對于復雜的地面場景,進行高精度的紅外特性建模[4]是一項很繁瑣的工作,所以一種行之有效的建模方式是非常有必要的[5]。本文對紅外特性建模和仿真效果進行了研究。

2　復雜地面場景紅外特性建模

本文主要研究的是復雜的地面場景的紅外特性建模[6]。對于復雜的地面場景,材質的類別比較多,并且同一材質之間的細節如何區分,這都是需要解決的問題[7]。

2.1材質編號和屬性之間的映射

物體的紅外材質屬性主要包括發射率和反射率,并且還會受到仿真波段的影響。本文使用著名的VEGA軟件提供的材質庫[8],VEGA材質庫包含161種不同的材質。這些材質被分成了12種不同的類別,例如金屬、建筑、植被等。材質庫的結構如圖1。

圖1　材質庫

為了實現材質編號和對應材質屬性之間的映射并且方便后續的計算,使用查找表的方式,使用查找表可以避免對同一個地面場景的多次建模操作。由于在不同仿真譜段同一種材質的發射率與反射率會不同,在這種情況下只需要替換查找表即可。這里使用一張16*16的圖片作為查找表,圖片的每一個像素中的G通道存放材質的反射率,B通道存放材質的發射率,R通道預留不做任何處理。由于發射率和反射率是介于0～1之間的小數,而RGB顏色值均是介于0～255之間的整數,所以直接采用線性映射的方式將發射率和反射率映射到0～255之間的整數。將從VEGA材質庫中讀取到的材質從1開始進行編號并且寫入到這張16*16的圖片中,那么有效的材質編號范圍是第1到第161種材質。圖2顯示的是在3um～5um譜段下的材質編號到材質屬性之間映射關系的查找表。材質編號的順序與VEGA軟件中讀取的順序是一致的。

圖2　材質編號和屬性之間的查找表

2.2材質分類

對于給定的地面場景數據,需要手動對材質進行分類。根據可見光下的紋理可以判斷出區域內的材質是那種類別。然后勾勒出該塊區域,將紋理的R通道用來存放材質類別。將2.1中設置的材質編號賦值給地面紋理圖片的R通道。

由于VEGA材質庫中材質的類別為161種,而RGB顏色值中的通道的取值范圍是0～255之間的整數,所以R通道能夠存放所有的材質類別編號,并且還有一定的剩余。

圖3顯示的是一片復雜的地面場景區域的可見光紋理圖片以及勾勒并進行材質編號處理后的圖片。例如在可見光下可以觀察到區域1是城市住宅,那么根據材質類別與材質編號的查找表可以發現需要將27號材質編號賦予區域1,那么區域1的R通道應該賦予27。

圖3　材質分類

3　紅外仿真流程

進行紅外特性建模后,根據紅外輻射的相關理論[9],對地面場景進行紅外仿真。地面場景的紅外輻射量由兩部分組成,分別是地面場景自身發出的紅外輻射和地面場景反射接收到的紅外輻射。

3.1自身輻射量

任何溫度高于絕對零度的物體都會不斷地向空間輻射電磁波,將熱能轉化為輻射能。工程上可以將物體當作灰體處理,根據Stefan-Boltzmann定律[10],灰體的輻射值計算公式為

Wrad=εσT4

(1)

其中,ε表示物體表面材質的發射率,σ為波爾茲曼常數,T為物體的溫度。Wrad則為計算得到的物體紅外輻射。

3.2反射輻射量

材質表面反射的紅外輻射能量主要分為兩個部分。第一是反射的太陽輻射,第二是反射的大氣長波輻射。

太陽源源不斷地向宇宙發射出電磁波和粒子流,太陽輻射是地球大氣的主要熱源。太陽輻射主要包括太陽直射輻射、太陽散射輻射以及背景反射的太陽輻射三個部分[11]。

1) 太陽直射：

Wsund=rIscPmcosi

(2)

其中,r為日地修正系統,Isc為太陽常數,P為大氣透明度,m為大氣質量,i為任意傾斜面上太陽光的入射角。

2) 太陽散射：

(3)

式中,Isc為太陽常數,h為太陽高度角,β為任意傾斜面的傾斜角,P為大氣透明度。

3) 地面背景反射：

(4)

Wsund為太陽直射能量,Wsuns為太陽散射輻射能量,βground為地面的平均反射率,α為傾斜面的傾斜角。

4) 大氣長波輻射

大氣自身具有一定的溫度,也在不斷地向空間發射出電磁波。大氣長波輻射一般和一些氣象條件有關,天空無云條件下大氣長波輻射為

(5)

式中,a,b為經驗常數,a取0.61,b取0.05；ε為材質發射率；σ為Stefan-Boltzmann常數；eα為近地面水汽壓。

5) 反射輻射

反射輻射能量計算公式為

(6)

Wsund表示太陽直射,Wsuns表示太陽散射,Wground表示地面背景反射的輻射,θ1表示紅外波段的太陽輻射占總的太陽輻射能量的百分比,ε表示材質的反射率,Wsky表示大氣長波輻射,θ2表示紅外波段的大氣長波輻射占總的大氣長波輻射能量的百分比。

總的紅外輻射能量可以表示為

W=Wrad+Wref

(7)

Wrad表示自發輻射能量,Wref表示反射的紅外輻射能量。

得到總的輻射能量W后,可以通過灰度映射的方式生成目標場景的紅外圖像,灰度映射模型模擬得到的紅外圖像的轉換方式為

(8)

式中,G表示輻射強度W量化后的灰度值；Wmin,Wmax分別表示場景中最高和最低的輻射強度。

4　仿真結果

下面是某一片地形數據的仿真結果。仿真的位置為：東經110.348230°,北緯21.397652°,海拔高度為0m。仿真時刻為某一天不同時段。

圖4　9:00仿真結果

圖5　1:00仿真結果

圖6　15:00仿真結果

5　結語

本文對復雜的地面場景的紅外特性建模和仿真效果進行了研究。對于復雜的地面場景,結合手動進行材質分類的方式實現了材質的劃分,可以快速實現紅外特性建模,并改善紅外仿真結果。通過材質編號和屬性之間的映射表,可以實現一次建模進行多個譜段的仿真。仿真結果表明,仿真圖像與實際的圖像比較接近,并符合實際成像條件下的成像規律。

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Infrared Characteristic Modeling and Simulation Effect Research of Complex Scene of Ground

XIA Xiongfeng1LI Xiangchun2Ming Delie1

(1.School of Automation,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan430074) (2.Equipment Academy of the Rocket Force, Beijing100085)

According to the demand of infrared simulation of complex ground,the modeling of infrared characteristic and effect of simulation have been studied. For the complex scene of ground,at first the material ID is maped to the infrared properties,then the material ID is specified to different regions of material manually. By the way, it can just model the data once and can satisfy the demand of different channels by replacing the look up table. Finally,in order to improve the computational efficiency,the calculation of infrared radiation is in the GPU,the output images satisfy the demand of project.

infrared modeling, material classification, infrared effect

2016年4月1日,

2016年5月19日

國家自然科學基金資助項目(編號：61273241)資助。

夏雄風,男,碩士研究生,研究方向：紅外仿真。李向春,男,碩士,助理研究員,研究方向：精確制導、虛擬仿真等。明德烈,男,副教授,研究方向：人工智能控制、圖像處理和模式識別等。

TP391.9

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.030