[发明专利]基于纹理的红外粗糙海面动态仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机仿真技术领域，具体涉及基于纹理的红外海面动态仿真，可用于海面背景的全景仿真，为海面目标的红外特征识别提供红外辐射主背景。

背景技术

随着红外技术的不断发展，红外成像系统被广泛应用于军事领域，采用红外成像技术的武器系统具有精度高、抗干扰能力强、使用灵活等特点，因此备受各国重视并得到大力发展。新的成像系统的研制，往往需要不断对系统的各项性能指标进行测试和评估。简单的实验室测试无法真实地反映实际情况，若通过野外靶场试验的方法则消耗大量的人力、物力和时间，并且只能获得数量有限的特定时间特定气象条件下的图像场景，无法保证红外成像系统在不同天气条件、不同观测距离的实战性能。因此，找到能降低成本、缩短周期，同时生成大量不同状态的红外图像的技术，成为一个迫切的需求。

红外成像场景仿真技术正是在这种背景下提出和发展起来的。利用计算机图形学和虚拟现实技术，以红外物理学及传热学为理论基础的红外场景仿真技术可有效缩短军方红外武器系统研制周期、降低研发成本，克服时间、环境、地域变化方面的限制，大大提高红外成像系统设计、测试、评估和应用的效率。红外成像场景仿真技术通过预先建立目标和背景几何模型、红外材质库，模拟大气传输、红外探测器效应，完整再现成像链的每个环节。仿真系统具有高度的灵活性，允许用户输入季节、时刻、气象条件、周围环境和成像系统效应等各种仿真参数来逼真地生成各种条件下的红外场景图像。仿真生成的图像为红外成像系统的性能评价和改进提供了分析依据。

红外海面仿真在军事上具有重大意义，建立海面背景的全景仿真对海面目标，如舰船、武装平台、船坞、石油平台等的红外特征识别提供红外辐射主背景。目前获得海面背景红外图像主要有两种途径：1)在真实环境条件下采用红外热像仪实际拍摄；2)利用计算机仿真技术模拟生成。前者获得的红外图像数据真实可靠，但由于气象条件的复杂性，以及战场目标的多样性和非合作性，要获得特定条件下特定目标的红外图像数据是不可能的。因此，运用现代计算机仿真技术进行红外图像模拟具有极其重要的军事价值。近几年国内在这方面也进行了大量的科研投入，取得了许多研究进展，但没有形成系统。之前人们做的很多海面仿真方面的工作都是使用纹理贴图对模型进行映射，所获得海面物理真实性和仿真实时性较差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于纹理的红外粗糙海面动态仿真方法，以提高对动态海面仿真的真实性和实时性。

本发明的目的是这样实现的：

一．技术原理是：本发明采用Torrance-Sparrow光照模型，利用双向反射率分布函数BRDF和经验模型Wilson公式，建立海面的红外辐射模型；用大气辐射传输计算软件Atmosphere计算海面发射率、微面元分布概率、太阳辐射、天空辐射、大气路径以及大气透过率，并将计算结果存储为DDS纹理图；利用Cg语言，将DDS纹理图写入材质脚本中；通过GPU完成材质脚本的解析和编译，载入显存，形成GPU的执行代码，利用执行代码完成对红外粗糙海面的实时仿真

二．技术方案

本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)采用Torrance-Sparrow光照模型，并利用双向反射率分布函数BRDF和经验模型Wilson公式，建立海面的红外辐射模型：

L＝τε(ω)L₁(T)+τ(ρ₁L₂+ρ₂L₃)+L₄，

其中，τ为海面到传感器之间的大气透过率，ε(ω)为海面发射率，ω为辐射方向与水面法线间的夹角，L₁为黑体辐射亮度，T为海水温度，ρ₁为天空辐射在海面上的反射率，L₂和L₃分别为天空背景在海面上的辐射值和太阳辐射入射前在海面上的辐射值，ρ₂为太阳辐射在海面反射的双向反射率，L₄为传感器到海面的大气路径辐射值；

（2）设置大气辐射传输计算软件Atmosphere中辐射方向与水面法线间的夹角ω，ω的取值为0～90度，计算海面发射率ε(ω)，并将该计算结果存储为海面发射率纹理E；

（3）设置大气辐射传输计算软件Atmosphere中微面元法线H与水平面法线N的夹角α，α的取值为0～90度，计算海面模型微面元分布概率P(α)，并将该结果存储为微面元分布概率纹理P；