（电子科学与技术专业论文）双色红外目标仿真与自动目标识别方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 t h ei ra t r sb a s e do ni n f r a r e do b j e c t ss i m u l a t i o nu s e st e c h n i q u e so fc o m p u t e rg r a p h i c s ， d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，h e a tt r a n s f e rt os i m u l a t ei ri m a g e s ，a n du s e sp a t t e r nt h e o r yt oc o m p l e t e o b j e c tr e c o g n i t i o n t h es i m u l a t i o na n dr e c o g n i t i o no fi ro b j e c t si so n eo fh i g h - t e c h n i q u e si n m i l i t a r y , s os u c had e t a i l e dr e s e a r c hi st h e o r e t i c a l l ym e a n i n g f u la n do fe x t e n s i v ep r o s p e c to fr e a l a p p l i c a t i o n s t h i sp a p e rd i s c u s s e st e c h n i q u e sf o rs c e n es i m u l a t i o nb a s e do n3 dm o d e la n di s s u e so n s y s t e md e v e l o p m e n t w ea l s og i v ean e wi d e af o ra t ra l g o r i t h md e s i g n ，i e ，a “t o p - d o w n ” a p p r o a c hf o ra t ra l g o r i t h m t h ed e v e l o p m e n to fi ri m a g e r yt e c h n i q u e sg i v e si rt e c h n i q u e s ，w h i c hh a v eb e e nw i d e l y u s e di nm i l i t a r y , ar a r ec h a n c e ；a tt h es a m et i m e , t h ec o m e - f o r t ho fs l s ia n ds u p e rp c ，m a k e si t c o n v e n i e n tf o rt h et e s ta n da d j u s t m e n to fi ri n t e l l i g e n c es y s t e mb yu s i n gt h es i m u l a t e di r i m a g e r y i nt h i sp a p e r , w cu s et h ew a v e f r o n t 雪o b jf i l ed a t a ，w h i c hi st h eo u t p u to fc o m m e r c i a l s o f t w a r em a y a ，r e a l i z et h ed u a lb a n d i ri m a g e r ys i m u l a t i o nw i t hh i 曲d e t m lb a s e do n3 dm o d e l t h ed a t ai su s e f u li na t r a l g o r i t h m o nm o d e l i n g , t h i sp a p e rp r o b e si n t ot h er e n d e r i n ge f f e aa n d e f f i c i e n c yi nt h ef o l l o w i n gw a y si no r d e rt og e tb e t t e rs i m u l a t e di m a g e s ：( 1 ) i nc a l c u l a t i n go ft h e t e m p e r a t u r ef i e l d iu s e dt h e “p o i n ts o u r c e h e a tm o d e la n d “s l i c es o u r c e h e a tm o d e ls e p a r a t e l y , a n da l s oa n a l y z e da n dc o m p a r e dt h et w om o d e l sc a l c u l a t ee f f i c i e n c y ；( 2 ) i nt h eu s eo f “s l i c e s o u l c c ”h e a tm o d e l ，t h i sp a p e rc o m p a r e da n da n a l y z e dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so ff o r mf a c t o r t h ep a p e ra l s og i v e sad e t a i li n t r o d u c t i o no nh o wt ou s ev i s u a lc + + t or e a d3 dm o d e l sa n dh o w t oc o m b i n eo p e ng lt or e n d e r i n gt h em o d e l s i nt h ee n d , a f t e rp r e s e n t e dt h eo b j e c tm o d e li n c e r t a i nc o n d i t i o n ，t h ep a p e ra l s og i v e st h es i m u l a t e di m a g e su s i n gt h ew a yid i s c u s s e da b o v e t h e n ，o nt h eb a s i so ft h ei m a g e s ，i na d d i t i o nt o p o i n ts o u r c e m e t h o d sa n d s l i c es o u r c e ” m e t h o d s ，t h es i m u l a t e dr e s u l t so fd u a lb a n di ri m a g e sa r ee x p l a i n e da n da n a l y z e d i nt h ep r e v i o u sd e c a d e ，d o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c h e r sh a v em a d eat h o r o u g hr e s e a r c h o nt h ea t r so fmo b j e c t s a sac o m p l i c a t e ds y s t e m a na t r sm a ym e e tm a n yk i n d so fp r o b l e m s t h em a i nd i f f i c u l t i e si n v o l v e di na t ra r ca sf o l l o w s ：( 1 ) g e o m e t r i cv a r i a b i l i t y ：t a r g e t sm a yt a k e o nd i f f e r e n ta p p e a r a n c e sd e p e n d i n go nt h eo r i e n t a t i o n sa n dp o s i t i o n so ft h eo b j e c t ；( 2 ) i m a g e v a r i a b i l i t y ：t h ed a t ao b t a i n e dm a yv a r yw i t he n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sa n dw i l lb es u b j e e tt ot h e noise一characteristicsof t h es e n s o r , i na d d i t i o n ，t h et e x t u r e sc o m p r i s i n gas c e n ew i l lb ed i f f e r e n t ； 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 3 ) s c o n ev a r i a b i l i t y ：t h eo b j e c t sn u m b e ri su n k n o w a b l ea n dt h e yc a na l s oe n t e ro rl e a v et h e s c o n e t 0b ear o b u s ta t r s y s t e m , b e s i d e se x p r e s s i n gt h ef l e x i b l ea n dr e a lt h en a t u r a ls c e n e s ， i n v a r i a n c ot ot h ea b o v et h r e ep o i n t si sr e q u i r e d 1 1 1 et r a d i t i o n a lr e c o g n i t i o nm a k e su s a g eo f m a c h i n ev i s i o nt e c h n i q u e sb yp r e p r o c o s s i n g ( e d g ed e t e c t i o n ，s e g m e n t i n g ) ，a n dt h e nc o n d u c t sa h i g h e rl e v e li n f e r e n c e ( c h a r a c t e re x t r a c t i o n , c l a s s i f i c a t i o n ，r e c o g n i t i o n ) ；i nr e x m n ty e a r s ，s o m e f o r e i g n e r sc o m b i n e st h em a c h i n ev i s i o na n dg r a p h i c s t og i v ea t o p d o w n a l g o r i t h m ，t h i s m e t h o du s e st h ed e t e c t e dd a t ad i r e c t l y , j o i nt h ek n o w l e d g eo fo b j e c t st om a k ei n f e r e n c e k e yw o r d s ：h e a tt r a n s f e r , m o d e ls i m u l a t i o n ，i n f e r r e di m a g e r y , a t r , p a t t e r nt h e o r y 国防科学技术人学研究生院学位论文 图目录 图1 1 电磁波谱图 图1 2 红外成像系统原理图 图1 3 红外图像与应用 图1 4 采用第三种思路的红外图像仿真 图1 5 视觉和图形学 图2 1 一维导热 图2 2 模型中实体信息的c 语言数据结构 图2 30 1 ，e n c l 应用三维模型高效建模 图2 4 点源法的热传导与平衡状态图 图2 5 面源法的热传导与平衡状态图 图2 6 形状因子的计算 图2 7 层次结构法和常规法比较 图2 8 层次结构法和常规法比较 罔2 9 距离对形状因子计算精度的影响 图3 1 黑体与黑体辐刺 图3 2 绘制流程图 图3 3 面源法目标仿真环境 图： 4 点源法和面源法比较 罔3 5 两种热源的效果 图3 6 中波红外仿真( 3 5 m m ) 图3 7 长波红外仿真( 8 一l3 m m ) 图4 1 ira t r 问题树 陶4 2 跳变过程示意图 表目录 表2 i 直接法的计算效率 表2 。2j 目j 接法的和直接法对比 表2 3 两种模型下的仿真时效比 表 l 艮、与a t 的关系一 一l 4 一4 一8 1 0 l l 1 2 1 4 1 4 1 6 17 1 8 2 l 2 3 2 4 2 5 2 5 2 6 2 7 2 8 3 5 1 8 1 9 2 0 2 2 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明碡的说观并表示谢意 学位论文题目： 里鱼红盐旦挂篮羞复宣动旦捶亟型直垂班在 学位论文作者签名：墨嗑日期：”口牟年，7 月j 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档+ 允许论文被查阅和借阆：可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文 c 保密学位论文在解密后适用本授权书】 学位论文题目： 丛鱼丝盐旦捶篮墓兰皂塾旦捱望型直洼壁窒 日期：p 蝉年，f 月i ，日 日期：弘咖年月f 伯 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 在展开论文的主题研究之前，本章分别就“红外成像技术及其仿真”和“基于模型的 自动目标识别系统概述和方法”给了适当的介绍，然后结合国内外研究近况与现状，陈述 了论文的意义和选题，最后是论文的组织结构。 1 1 红外成像技术与红外成像仿真 1 1 1 红外线与红外成像技术 1 8 0 0 年英国天文学家威廉赫谢尔( ew _ h e r s c h e l ) 为观察太阳在寻找保护眼睛的方 法时发现了一种能产生热效应的光，当时认为它在红光之下，取名为“红外线”( n f r a - l e d j i r ) 。在随后的1 8 6 9 年，英国的罗斯用热电偶测量了月球的红外辐射。1 9 0 0 年，德国的普 朗克提出了光谱辐射定律。1 9 2 0 年代，美国柯布伦茨对一些行星和恒星进行红外测量。在 之后的相当长时间里，由于缺乏有效的红外探测手段，红外技术进展缓慢。直到1 9 4 4 年， 德国将红外夜视技术与坦克的火炮瞄准控制系统结合起来之后，红外技术走进了军事、国 防、遥感探测、医学、安全检查和信息融合等领域，尤其是在夜视、红外制导、红外对抗 等军事领域取得了重大的进展，并且在战场上发挥了巨大的威力。 图1 1 电磁波谱图 红外线位于可见光和微波之间，波长范围为0 7 5 1 0 0 0 t m 。习惯上按其波长分为近红 外0 q m ) ( o 7 5 - 1 即m ) ，短波红外( 1 3 3 毗m ) ，中红外( m m ) ( 3 却m ) ，热红外( 8 - - l 铷m ) 和远 红外( f i r ) ( 8 - 1 0 0 0 , u m ) ( 尤其称波长为弘1 劬m 的为热红外) ，见图1 1 给出的电磁波谱图。 由于不同波段的红外辐射在大气传输中的衰减特性不同，把在大气传输中衰减少的波段形 国防科学技术大学研究生院学位论文 象地称为“大气窗口”，这几个“窗口”分别为短波红外窗h ( 2 0 2 缸m ) ，中波红外窗口 ( 3 0 巧哦m ) 和热红外窗口( 8 吡1 2 叽m ) 。 从热辐射角度考虑，物体热辐射的电磁波波长可以从零到无穷大，然而，在工程上常 见的范围内，0 1 1 0 0 毗m 的波长范围内辐射所占的份额最大，通常把这一范围内的射线 称为热射线。在热射线中，大部分射线位于红外线区( o 7 5 - 2 0 m ) ，可见光占的份额不大。 红外成像技术的应用与发展集中在近代。从1 9 4 0 年代到1 9 7 0 年代中期，称为点热源 阶段，在这个阶段，将目标视为点源，用调制盘或者是圆锥扫描、章动扫描等方式，对点 源信号进行相位、频率、幅度、脉宽等参数进行调制，以获得目标的方位信息。这种方式 的局限在于无法对强辐射干扰和复杂背景的红外目标进行定位和识别。从1 9 7 0 年代中期， 通过光学机械扫描，发明了多元红外探测器为核心的第一代热成像系统，称为热成像阶段。 当探测元性能不变时，系统的探测能力与探测元数量的平方根成正比。随后，发生了从点 源探测到获取目标热成像的飞跃，即第二代热成像系统，利用焦平面阵列f 】f o c a lp l a n e a r r a y , 即f p a ) 成像，这类成像系统具有更远的作用距离，更高的温度和空间分辨率，工作环境要 求相对放宽，可以加入简单的人机界面。近年来，正在研制的大规模f p a 称为第三代红外 传感器，其中，美军设想第三代红外成像传感器分为三类：高性能多色制冷传感器，高性 能非制冷传感器和微型低成本传感器。 图1 2 红外成像系统原理图 红外成像系统的组成如图1 2 所示。红外目标的红外辐射经过大气衰减被光学接收器 接收，通过光学调制器后被光学探测器感知转换成电信号输出，经过一系列信号处理过程 转化为图像信号输出。从图1 2 中可以看出，红外成像系统的核心是红外探测器，它完成 了光信号到电信号的转换工作；信号处理部分完成探测器输出信号到图像信号的转换与加 工工作。整个过程就完成了将人的视觉范围扩展到红外范围的目的。 红外线对目标背景温差具有很强的敏感性、对云雾等恶劣天气具有很强的穿透性、被 动探测的隐蔽性等等特点和优势。根据不同的需求，红外图像在越来越多的领域得到了应 用。归纳起来，应用大致可分为三类。第一种类型是基于辐射计量的，图像主要是温度场 国防科学技术大学研究生院学位论文 的反映，主要用在工业的探伤、过程控制和医学领域：第二种类型用于监视和目标探测， 此类设备固定式的和手持的都有，它和第一类的区别在于分辨率，一台高端的设备可以探 测到1 英里远的人和5 英里远的交通工具；还有一种探测器用于空中监视，也是基于热成 像的，安装在飞行器的陀螺仪里，可以全天候工作。可以这样说。红外技术已经在国防， 遥感，医学，安全检查等多个领域得到了广泛的应用。下图，图1 3 ，列出了几幅在实际 应用中的红外图像，分别用在工业探伤、气象预测和遥感领域。 图1 3 红外图像与应用 1 1 2 红外成像仿真 红外技术的发展，特别是焦平面和双色红外体制的出现，使得目标信息融合、计算机 视觉( 图像理解) 和其它人工智能方法成为自动目标识别系统中的技术手段。然而由于费 用、安全限制等因素使红外数据的获取成为限制其更进一步发展的原因之一，超大规模集 成电路的发展和p c 机性能的提高为模拟红外图像数据提供了可能。红外仿真技术就是缘 于对智能系统进行测试的需求。 红外目标的仿真工作沿着三种思路进行。第一种直接使用目标仿真软件包。这种软件 包目前较多，如v e g a 。的s e n s o rv i s i o n 、美国空军地球实验室的l o w t r a n7 等。文献【1 】 和【2 】就是使用l o w t r a n7 模型成功仿真了空中动态目标的红外图像。由于专业软件研 发机构实力雄厚，这种思路具有模型丰富、仿真结果可信度高、可快速开发等优点，但是 同时也有费用高、不便定制等不足。第二种思路采用实验经验值的方法。文献【3 】用红外目 标的经验亮度直接赋值，获得了红外图像，此法在特定的场景下重现红外图像，具有可信 度高的优点，但对实验条件要求较高，并且还要确保实验可行。第三种思路采用传热学规 律自建模型，结合大气传输模型和红外传感器模型完成仿真工作。文献 4 5 1 1 6 在这方面 做了深入的探讨。这种思路从原理上给出了系统的实现，因而模型复杂、工作量大，当前 的应用热点多在自动目标识别系统的算法验证上，并且多采用简化模型。 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 4 采用第三种思路的红外图像仿真 本文主要讨论了第三种思路的传热模型。见图1 4 ，其中的主要模块按处理过程分为 数据输入、仿真过程和图像应用三部分。“数据输入”部分读入模型数据和一些参数信息。 框图“仿真过程”主要包括五个阶段。首先，根据仿真要求和环境确定热传递模型，计算 出目标表面的温度场分布；接着，得到某温度时的辐射量，然后根据探测器的响应得到输 出，最后即得所需的红外数据；第三部分，仿真结果经处理后用于识别和导航等领域。 1 2 基于红外仿真的自动目标识别技术 图形学解决的是前向仿真的问题，即用模型合成图像：机器视觉解决的是反向问题， 从图像中提取模型。计算机图形学和计算机视觉结合模式理论，具体到本课题上，可以理 解为红外场景仿真和自动目标识别结合。如图1 5 所示。 图1 5 视觉和图形学 1 2 1 基于模型的自动目标识别系统概述 在一个自动识别系统中，可能遇到各种各样的场景，归纳起来，有以下三个难点： 1 ) 几何上的变化：目标随着其位置和姿态的不同而可能呈现不同的外观； 2 ) 图像变化：所得目标的图像与它们所处的自然环境和传感器的噪声统计特性有很 大的关系。另外，场景中纹理的随机性不易获得场景的每一个细节： 3 ) 场景的复杂性交化：所遇目标数目不能提前预知，而且目标还会随机地进入或者 离开场景。 国防科学技术大学研究生院学位论文 对于一个比较完善的a t r 系统，在表示复杂的自然场景或超现实场景的基础上，还应 该对上述的三个变化具有不变性。 1 2 2 基于模型常用的自动目标识别方法 a t r 系统的识别算法，前人已经做了大量的研究。传统的算法使用机器视觉理论“自 底向上”分为低层和高层两个层次，先进行预处理( 边缘检测、图像分割) 后进行高层推 理( 特征提取、分类和识别) 。 近年来，以as r i v a s t a v a 和a d l a n t e r m a n 【6 】【8 】【9 】【1 0 】等为代表的学者另辟蹊径，提出 了“自顶而下”的识别模式，这种模式和传统方法截然不同，直接以已观测到的数据估计 目标的数目和类型，a t r 系统中的“模式”用“模板”来代替，模板通过一系列的数学变 换，和观测数据最匹配的就作为识别对象的类型，所以，对于场景中各种模式的识别能力 依赖于这些模板的表示和变挨能力。 1 3 论文的意义与选题 随着红外热成像器件和高性能计算机的发展，红外图像在卫星探测、武器试验、制导、 目标跟踪与识别等方面得到了大量的应用，尤其是在军事领域，为了提高红外制导能力和 改进武器性能，需要我们在红外仿真和目标识别方面做出不懈的追求。 红外目标的模拟是对红外目标和背景特性研究中的一个重要课题。可以广泛地应用于 战场模拟，图像分析和武器测试等方面。传统的红外目标图像主要由红外传感器( 如红外 c c d ) 直接获得，这样得来的图像虽然真实可信，但是也有一些重要的局限。如( 1 ) 实 验费用昂贵，入力和物力的巨大开销；( 2 ) 由于自然环境的限制不能方便地满足用户的需 求。为了减少或者避免上述问题的发生，使用计算机仿真技术得到红外目标的仿真图像将 可以大大地减少实验费用，更好地满足用户的需求。在目标识别方法上，本文也是在基于 红外目标仿真的基础上做了识别研究，并且识别算法本身就直接借助仿真过程。所以进行 红外目标的模拟具有十分重要的意义，并且基于仿真的识别算法将对提高识别效率具有重 要的实际意义。 结合仿真技术，计算机视觉( 图像理解) 以及其它人工智能方法，做基于双色红外场景 真实感仿真的自动目标识别技术研究，可以提高自动目标识别系统在各种复杂的作战条件 下准确检测和识别特定目标的能力。本文拟就红外图像仿真和自动目标识别技术在特定军 事领域方面的应用做基础性的专题研究。 1 - 4 论文研究背景和现状 制导技术总的发展趋势是着重开发毫米波、红外和多模制导技术，提高系统的自动目 国防科学技术大学研究生院学位论文 标识别能力、抗干扰能力和自适应跟踪能力。作为精确制导武器的主要制导手段，包括红 外、毫米波在内的光电制导武器已占全世界在研和已装备精确制导武器的三分之二强。其 中，红外制导武器更是受到各国包括我国有关部门的重视。论文在此大背景下展开，对于 红外仿真技术和自动目标识别技术的研究和应用具有较高的价值。 1 4 1 国内 目前，在红外仿真方面，国内已有多个研究小组对此进行研究，但是还没有自主研制 的商业软件包。研制手段局限于简单的自建模型或使用国外的软件包，或者结合前两者进 行自己的研制工作。如，严和平等1 1 l 在使用美国空间地球实验室的l o w 耶a n 7 模型的基 础上，介绍了海洋作战环境下动态红外图像仿真系统的系统结构和工程实现：王学伟等【2 】 用同样的模型生成了飞机目标的动态红外图像；周须峰1 5 1 贝i j 使用经验赋值的方法完成了红 外目标图像的计算机生成和控制；张智丰等【4 烷成了基于大气传输模型的动态目标红外成 像仿真；姚涛等 5 1 结合仿真软件s e n s o rl r m i o n 。c r 绍了红外场景的生成方法；王章野等 6 1 根 据自建的地面目标热传导模型，绘制出真实感较强的坦克与背景的红外合成图像，并利用 三维差分法计算并绘制了坦克离去后留下的“红外阴影”效果。 近十年，国内对红外成像制导的小目标检测与识别技术进行了深入的研究，并且积极 推进多光谱多传感器融合寻的制导技术的研制工作。然而现状是由于实验数据、特别是假 想敌目标的数据比较少，多数的研究工作是在有限的数据集上做出来的，导致了研究出来 的方法和技术对不同战区环境的通用性不太理想。而基于3 d 模型的识别方法作为一个重 要的研究方向还没有完全展开。 1 4 2 国外 国外进行红外仿真和目标识别的研究，都比我国起步要早。 近几年来，国外学者已经借助高性能的计算机，利用传热学理论和3 d 技术对红外目 标和场景的仿真工作进行了大量和深入的研究【7 】【9 】【1 3 】。在基于3 d 模型的识别方面，尽管可 查资料不多，但从已有文献可以看出，目前进度大致处于实验室的预研阶段。 j v b l a c k 仿真了简单的红外热像，并在与可见光的融合方法上( 统计的和物理的 方法) 做了深入的研究。g a v i np o w e l l 等使用动画软件s o f t i m a g e o 仿真了前i 句e p b 和光 雷达数据等多传感器数据，并打算在后续的工作中用d e m p s t e r s h a r e r 算法完成融合工作， 以增强空空自动目标识别系统的识别能力。n n a n d h a k u m a r 和j k a g g a r v a l 在热像和 可见光图像的场景理解上做了大量细致的基础性研究。其中，a d l a n t e r m a n 和m i m i l l e r 等人在此基础上将数据库技术与图像目标识别结合起来，结合模式理论，另辟蹊径， 通过仿真展开自动目标识别工作研究。 8 1 1 1 0 】1 1 2 】 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 5 论文的主要工作与结构 论文的主要工作集中在基于3 d 模型红外目标仿真上，对在此基础上的自动目标识别 技术进行了初步的探讨。 第一章，绪论，介绍了课题的研究内容及其基本知识、研究背景和选题，内容较广， 是论文的基础和重要组成部分。 在第二章，进入论文的研究主题，首先结合论文对红外目标仿真的需求运用了基于3 d 模型温度场计算方法所用到的传热学定律和目标的热学模型，结合此模型，推导出了温度 场计算方程和求解方法。在建模方法上，为了得到更好的仿真图像，本文在绘制的真实感 和绘制效率上进行了有益的探讨：( 1 ) 关于温度场的计算，分别使用了“点源”热模型和 “面源”热模型，并比较分析了两种模型计算效率；( 2 ) 在使用“面源法”时，针对形状 因子的计算方法进行了比较分析。其中也对就如何利用v i s u a lc + + 读取3 d 模型，如何结 合o p e n g l 对模型进行渲染进行了细致的介绍。 第三章，在介绍了波段辐射力等概念后，结合传感器模型给出了本文进行双色红外场 景仿真时所用的方法，并具体地给出了本文所用的绘制过程，在细化了第一章中红外图像 仿真框图的基础上，给出了使用v c + + 和o p e ng l 具体编程实现中的流程图，最后给出了 在特定条件下的目标模型以及使用本文所用方法所获得的仿真图像，并在此基础上对使用 “点源法”和“面源法”以及双色红外图像的仿真结果进行了进一步的说明和分析。 第四章，介绍了结合3 d 模型使用模式理论表示三维场景以及进行自动目标识别的研 究方法。本章在概述红外目标识别技术的基础上，较为详细地说明了怎样使用模式理论表 示红外复杂场景，在此基础上利用传感器模型的后验分布完成基于仿真的自动目标识别算 法。 第五章是论文的结束语。总结了本文的工作内容和特色之处，并对需要继续的工作进 行了展望。 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章基于3 d 模型的温度场计算 2 1 传热学基础知识 2 1 1 热传递的基本方式 热传递是一种复杂的现象，为了便于分析，一般认为有三种基本的传热方式，即：热 传导、热对流和热辐射。热传导简称导热，是指两个相互接触的物体或者同一物体的各部 分之间由于温度不同而引起的热传递现象；热对流是指流体由于宏观相对运动到不同温度 区域时而引发的热传递现象；温度大于绝对零度的物体都会向外界以电磁波的形式发射具 有能量的粒子，这个粒子所携带的能量叫做辐射能，热辐射由物体的内能转换而来，温度 越高，辐射能越大。 2 1 2 傅立叶定律 图2 1 一维导热 1 8 2 2 年，傅立叶在其著作中引出了热传导计算的基本公式。图2 1 所示，设坐标中两 侧壁的温度为五和e ，且五，五，则，热量顺着x 轴方向传导。此时通过x 轴方向截面的 热流量为q 。 q 。m 丝 ( 2 1 ) x 其中：a 是导熟系数，反映物质的导热能力，通常由实验求出。 4 是垂直于导热方向的横截面积： 国防科学技术大学研究生院学位论文 单位面积所传递的热量q 为热流密度。由式( 2 1 ) 有 q ：a 生量( 2 2 ) 2 1 3 斯蒂芬一波尔兹曼定律 斯蒂芬( s t e f a n ) 和波尔兹曼( b o l t z m a n n ) 分别于1 8 7 9 年和1 8 8 4 年从实验和理论上 导出了黑体的热辐射，称为斯蒂芬一波尔兹曼定律，或四次方定律。设a 是物体参与辐射 的表面积，r 是物体的表面温度，是黑体辐射常数，且吼；5 6 7 x 1 0 。8 w k ) ，则黑 体向空间发射的辐射能为 q - t y b a t 4 ( 2 3 ) 2 1 4 波段辐射力 根据斯蒂芬一波尔兹曼定律，黑体辐射睨t 6 t 4 。此时要求 一九范围的辐射能量 比( 一屯) a 设该波段辐射能量占全辐射能量的百分比为 = 舞一熟俨吨矿，汜a ， 则波段辐射力为： 睨( 一屯) = f 一屯睨 ( 2 - 5 ) 2 23 d 模型的读取与绘制 2 ，2 。13 d 模型的读取 本文在进行红外目标模拟时，使用了商用动画和效果软件m a y a 输出的w a v e f l o n t o b j 文件造型数据，此文件的造型数据结构比较简单，是a s c i i 格式( 常用的也有二进制 的m o d 格式) ，适合在应用程序中读取和进行3 d 文件格式转换。这种格式的文件模型可 以在文件中定义多边形模型和用参数曲面造型定义自由曲面模型。 国防科学技术大学研究生院学位论文 t y p e d e fs t r u e t g l m m o d e l c h a r * p a t h n a m e ： p a t ht ot h i sm o d e l $ c h a r *m t l l i b n a m e ： n a m eo ft h em a t e r i a l1 i b r a r y + g l u i n tn u m v e r t i c e s ： n u m b e ro fv e r ti c e si nm o d e l g l f l o a t * v e r t i c e s ： a r r a yo fv e r t i c e s g l u i n tn u m n o r m a s ： 一n u m b e ro fn o r m a l si um o d e l + g l f l o a t * n o r m a l s ： + a r r a yo fn o r m a l s + 6 l u i n tn u m t e x c o o r d s ：+ n u m b e ro ft e x c o o r d si nm o d e l g l f l o a t * t e x c o o r d s ： 一a r r a yo ft e x t u r ec o o r d i n a t e s g l u i n tn t m f a c e t n o r m s ： n u m b e ro ff a c e t n o r m si nm o d e l g l f l o a t * f a c e t n o r m s ：f a r r a yo ff a c e t n o r m s | 6 l u i n t n u m t r i a n g l e s ： + n u m b e ro ft r i a n g l e si nm o d e l + g l m t r i a n g l e * t r i a n g l e s ： a r r a yo ft r i a n g l e s g l u i n tn u m m a t e r i a l s ：n u m b e ro fm a t e r i a l si nm o d e l + g l m m a t e r i a l * m a t e r i a l s ：+ a r r a yo fm a t e r i a l s g l u i n tn u m g r o u p s ： 4n u m b e ro fg r o u p si nm o d e l g l i g r o u p *g r o u p s ： l i n k e d1 i s to fg r o u p s g l f l o a tp o s i t i o n 3 ： 一p o s i t i o no ft h em o d e l g l m m o d e l ： 图2 2 模型中实体信息的c 语言数据结构 图2 2 列出了组织造型数据时所用的数据结构。其图中各项依次为：造型数据以及其 材质库的文件名：模型中顶点的数目和顶点序列；法线的数目及法线序列；材质坐标数目 以及材质坐标序列；面的法线以及法线序列；三角形数目以及三角形序列；材质的数目以 及材质序列；群的数目和群列表等。 2 2 2 绘制 o p e n g l 是美国的s g i 公司九十年代初推出的一套开放式的三维图形应用程序接口a 当前，绝大多数显示硬件和和软件平台对o p e ng l 的支持，以及计算机游戏产业、科学计 算可视化、交互式图形教学、虚拟现实等领域的广泛应用，使得基于o p e ng l 的图形绘制 技术已经成为众多应用程序的核心技术之一。 国防科学技术大学研究生院学位论文 一j - 图2 30 p e n g l 应用三维模型高效建模 作为一个跨平台的软件接口，o p e ng l 本身只能绘制点、线、面和少量几种预定义模 型。绘制复杂模型则必须在代码中通过硬编码的方式逐一给出模型的顶点信息。而使用已 有的商用动画软件输出的三维模型可以大大地方便在o p e ng l 中直接绘制复杂模型。o p e n g l 应用三维模型高效建模方法框图如图2 。3 【1 9 】。 读入模型数据后，通过o p e n g l 变换，即观察变换、模型变换、投影变换和窗口变化， 把三维模型转化n - - 维的显示器平面上。渲染时，用光照和材质模拟红外图像，实质就是 用可见光来模拟红外图像，因为在计算机显示器上是显示不出红外线的。o p e ng l 有四种 光照模型，分别是环境光、漫反射光、镜面光和散射光。无论是环境光、漫反射光和镜面 光都属于外界光，即场景中的物体本身不发光，依靠反射外界光来进入人的视野，也就是 说，是外界光把物体照亮了。如果外界光取消，呈现在我们面前的将是一团漆黑，正如伸 手不见五指一样。显然，用上述三种光线来模拟红外光是不合理的，因为红外图像中的灰 度等级都是温度的体现，只要有温度，就发出红外辐射。所以，要模拟红外场景，最合适 的光是散射光。这时的物体可以看成一个辐射光源，自己能发光，不需要外界光来照亮。 对于要模拟的昏际，赋予每个辐射源的材质为自己的发光材质，发光强度就是其对应的灰 度值。 2 3 热学模型 进行目标仿真时，使用简化的热学模型模拟其传热过程。根据热源的简化方式特点， 国防科学技术大学研究生院学位论文 把它分为“点源模型”和“面源模型”。 2 3 1 点源模型 点源法中，设对象的表面温度值受对象内部的点热源和外部的太阳辐射影响。在进行 温度场分布计算时，采用“分开进行计算，合并求解”的方法。 ) 点源对模型面片的影响b ) 外熟源热平衡状态 图2 4 点源法的热传导与平衡状态图 如图2 4 a ) 中，示意了点源与微面元的空间位置，由傅立叶定律，一维情况下热传导 公式为： 其中：留为热流密度； 比例系数a 为导热系数 q = a ( 1 o l ) ， 瓦、l 分别为点热源和模型面片的温度 r 为点源到面元的距离。 ( 2 6 ) 图2 4b ) 中，热源为太阳辐射。其中联为照射方向的太阳辐射：0 为入射线与面片法 线方向的夹角：- ，为面片吸收的热量；呒为对流损失的热量；- r 。为面片辐射的净通 量；弹。是其它原因引起的通量损失；互。和v 分别是气温和风速。 在任一给定时刻，设各面片相互独立，进入面片的热量等于流出的热量，即： = 暇+ + ( 2 7 ) 若再用表示材质表面对目光的吸收率； 国防科学技术大学研究生院学位论文 h 表示表面对流传热系数( 它与风速，材质的热物理属性和表面的几何形状有 关) ： 表示物体表面的红外发射率； 6 表示斯蒂芬一波尔兹曼常数； 弼是太阳的入射热量，睨。一彬q c o s b ： 讳0 皇| i l ( e z 二出) ； ；6 伍一4 ) ； w o r ，k 。，r 可赋经验值。 展开式( 2 7 ) ，整理后，得 据丁? + 疋+ ( r 一1 ) v k a ，c o s e , 一 z - 埘m 一& 瓦m 4 一o ( 2 8 ) 其中对于一般的室外物体，取e = 0 9 。 在解式( 2 8 ) 时，若b ，石2 ，此时太阳辐射不对此面片产生影响，令t z 二：否 则求解式( 2 8 ) ，得瓦。 综合式( 2 6 ) 和式( 2 8 ) ，面片的温度可以表示为 2 3 2 面源模型 王= + 瓦 ( 2 9 ) 国防科学技术大学研究生院学位论文 怼 打r 乙 图2 5 面源法的热传导与平衡状态图 面源法中，对象表面的温度值仍然由内外熟源影响，不过此时内热源用面片表示。当 热平衡时，同理，根据图2 5 得到等式( 2 7 ) ，此时，同时考虑内热源的影响，各个项具 有不同的表达式。其中： 睨k = 。口，。c o s 8 j = e 4 口；c o s o j ； h 0 ；4 | i l ( t z 二，) ； h o 为面元的内表面和外表面的净辐射能之和；由斯蒂芬一波尔兹曼定律得 件乙= 爿，盯如( 露一r 4 ) + 4 8 。盯口一砭，) a r ； 图2 6