[发明专利]基于GPU编程的红外反射特性仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机仿真技术领域，具体涉及红外反射特性仿真方法，可用于红外成像系统的研发、测试与评估。 

背景技术

在军事领域，需要大量不同时刻、不同天气条件、不同波段下的红外图像进行实验测试。红外图像的获取主要有两种方法：一种是通过各种热成像仪器对不同地域、不同环境进行实测得到，但这需要大量的人力和物力，且受地理环境、气候条件等因素影响较大，实现起来比较困难；另一种方法是通过红外场景仿真技术，对不同时刻、季节、天气和地域的场景进行仿真，输出模拟的红外图像。红外场景仿真方法能有效克服时间、环境、地域的限制，降低成本，缩短红外武器系统研发周期，提高红外成像系统设计、测试评估和应用的效率，因而具有重要的研究意义。 

目前红外场景仿真技术已经建立起了目标、背景、大气以及红外成像系统的综合模型，国内外也开发出不少仿真软件。然而大多数软件只考虑了目标的自身辐射特性，很少将目标对环境的反射效应集成到仿真中。没有反射效应的红外场景，且细节不丰富，与背景环境相脱离，严重地影响了真实感。于是，在仿真系统中添加目标对环境辐射的反射成了一个重要的部分。 

在目标对环境背景的反射效应研究与仿真方面，吴英等在哈尔滨理工大学学报上发表的“空间目标的可见光散射特性建模与仿真研究”中，针对空间目标的散射特性进行了建模和仿真，但只停留在可见光波段；梁欢在“地面背景的红外辐射特性计算及红外景象生成”中，在研究地面背景的红外辐射特性时，考虑了其对太阳和天空背景的反射，并生成了红外图像，但其仿真比较粗糙，不具有动态性和实时性；黎建军“基于实测数据的目标红外图像仿真”中，在做基于测量数据的目标红外图像仿真过程中，也考虑到了目标对太阳和天空背景辐射的反射，但只是简单的镜面反射与漫反射的叠加，不具有物理真实性。 

可以看出，国内关于目标对环境的反射效应仿真还比较粗糙，没有将精细的反射模型集成到仿真系统中。对目标光散射特性的研究有的停留在可见光波段，有的虽然引用了一些BRDF模型，但并没有建立起适合高速仿真的反射模型。影响了红外场景 的物理真实感，达不到仿真的实时性要求，进而影响红外成像系统设计、测试评估和应用的效率。 

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GPU编程的红外反射特性仿真方法，以提高红外场景仿真的真实感，满足仿真的实时性要求，进而提高红外成像系统设计、测试评估和应用的效率。 

实现本发明目的的技术原理是：以Schlick BRDF反射模型为基础，计算出目标对背景辐射的反射量，并利用顶点程序和片段程序，将反射模型集成到仿真的场景中，实时模拟红外反射效应。其实现方案包括如下步骤： 

（1）用大气辐射传输计算软件Atmosphere获得后缀为压缩纹理图像格式DDS的太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L和大气透过率纹理T； 

（2）通过实验或测量仪器测量，获得计算BRDF需要的所有材质参数M； 

（3）利用材质参数M，根据简化的Schlick BRDF反射模型，计算不同角度下不同像素点对太阳直射辐射的反射量E₁； 

（4）利用材质参数M，根据简化的Schlick BRDF反射模型，计算不同角度下不同像素点对天空背景辐射的反射量E₂； 

（5）利用图形编程语言Cg将太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L、大气透过率纹理T写入材质脚本的纹理单元中，在片段程序中利用太阳直射辐射的反射量E₁和天空背景辐射的反射量E₂，生成能仿真红外反射效应的材质脚本； 

（6）通过可编程图形处理单元GPU完成材质脚本的解析和编译并载入显存中，形成可编程图形处理单元GPU的执行代码，利用这些代码实时模拟红外反射效应。 

本发明与现有技术相比，具有如下显著优点： 

1）本发明综合考虑目标对环境辐射的反射特性，用简化的Schlick BRDF反射模型计算目标对环境辐射的反射量，并将这些反射量集成到红外场景仿真中，物理真实性更高； 

2）本发明通过将预计算的纹理写入材质脚本，并利用GPU完成材质脚本的解析， 仿真时GPU并行处理这些材质脚本，满足仿真的实时性要求。 

附图说明

图1为本发明的总流程图； 

图2为本发明生成的太阳直射辐照度纹理R通道量化图； 

图3为本发明生成的天空背景辐射亮度纹理R通道量化图；