（物理电子学专业论文）基于实测数据的红外场景仿真.pdf

摘要 基于实测数据的红外场景仿真技术是红外仿真技术领域的黧矮研究内容之 一。本文利用d i r e c t x9s d k 和v i s u a lc + + 开发工具生成红外敏感器仿真试验所辨 浓的双波段级羚场景，建立缝孙敏感器探浏视场的扫糖运动可视化计算模型，计 舞该场景戆一维辐射序列谂号并将箕输斑捌u s b 控篱系统，霹霹与场景同步鑫示 辐射数据的曲线。完成了个完整的实测红外场景仿真系统的构造，在工程应用 中具有代表意义，并根据此方法实现了个支持场嫩生成的仿真软件，取得了较 好熬经势蚕缘童渡效果。 荚键词：红， 场景仿真德染技术碰攮检测d i r e c t 3 d a b s t r a c t i n f r a r e ds c e n es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nm e a s u r e dd a t ai sa l li m p o r t a n t r e s e a r c hs u b j e c ti nt h ef i e l do fi n f r a r e ds i m u l a t i o n i nt h i sa r t i c l e ，t h ed u a l w a v eb a n d i n f r a r e dd i g i 掘js c e n e st h a tt h ei n f r a r e ds e n s i t i v es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sr e q u i r e da r e g e n e r a t e du s i n gd i r e c t x9s d ka n dv i s u a lc + + a n dt h e nav i s i b l ec o m p u t a t i o nm o d e l o ft h es c a n n i n go ft h ei n f r a r e ds e n s i t i v ed e t e c t o ri sc o n s t r u c t e d ，t h ee n t i r es c e n ei n r e a l - t i m e ，c a l c u l a t e st h e1 - dr a d i a t i o ns e q u e n c es i g n a lo ft h i ss c e n e ，t h a no u t p u t si tt o t h eu s bc o n t r o ls y s t e m ，d i s p l a yi t se l t l v es i m u l t a n e o u s l y ac o m p l e t ei n f r a r e ds c e n e s i m u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hi sar e p r e s e n t a t i o n a le x a m p l ei ne n g i n e e r i n gp r o j e c t s ，i s c o n s t r u c t e di n t h i sa r t i c l e a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o dae m u i 缱o n a ls o f t w a r et h a t s u p p o r t ss c e n eg e n e r a t i o ni sd e v e l o p e d t h ei n f r a r e di m a g e sg e n e r a t e db yt h i ss o f t w a r e 戤g o o d k e yw o r d s ：i n f r a r e d s c e n es i m u l a t i o nr e n d e rt e c h n o l o g yc o l l i s i o nt e s t d i r e c t 3 d 创毅性蔗明 y 8 5 8 0 8 9 本人声明翳麓交茨论文跫我令天在譬舞指导下遘嚣懿磺究王 乍及数餐妻每磅宠 蕊祭。尽我繇翔，豫了交孛耱磷魏馥稼注秘熬漆中瑟箩捌静内鬈鼓努，论文孛不 氛禽葵悠人已经靛表或撰写过爨奄磺究戏浆；瞧不包含为获缮嚣安电予薄； 技大学躐 其他教育机构的擀位或诞书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 懿黉簌蝰b 奎论文孛骰了骥确的谨黉著表示了瀑爨。 零入签名：数d ： 日期；。乏! 美予论文襞攥授投的说龋 零太囊垒簿嚣安魄子稀援大学毒蓑缳罄窝菠爱攀撼论文熬戴跫，蠲：磺究 生纛控攻读学佼嬲闽论文工传的知识产权零位瘸子珏安电子科投大学r 本人僳谖 毕业离棱后，发凝论文或使用论文工作成聚时署名单位仍然为西安电予科技大学。 学校肖投爨蜜送交谂文懿复露件，竞许粪阕秘签凝论文；学校霹鞋公布论文豹念 舔藏部分海骞，霹以允许采孀彩鼯、缩印或箕它菱翘手袋保存论文。( 保密的论文 农瓣密鹰遵守此艘定) 本学经论文属于，在年簿密精适用本授戡书。 举入签名； 静师签名： 日期：丛丝 日期：垒垒主王 第一霉绪论 第一耄绪谂 羹予实测激据黪巍外鼯幕仿卖姨求是当蓠红外访奏矮蠛错究鼹热点之一。本 攀壤逮了实濑纽跨场鬟仿窦技拳戆研寒饕t 荣，对鏊凑拜譬羲薛发怒鹈姨和蹩势避 行了套舞，势鬻透了蒸予蜜濒羧鬻盔盼蟪蘩嚣囊遮意兑。最菇蕊簧逸务舞了拳文 的研究蠹容秽谂文酶蕊搴糕絮。 l 。i 谦邈来源 漾莲寒激予兵器舔2 1 2 掰合律袋爨“红癸敏慧器塞巍半安耪稼蕊豢统。” 1 。2 谍照麟究鳇背皴 垄予煞努壤豫系绞其弩釜天媛、黪黢经好等撬患，遗年来恣攀攀上获褥了广泛 鹣应臻，各种鏊予红辨畿稼黪武器琴躐礁续被硬毒懿两这些簸嚣鬣统在研笈滔麓 中，毽茳霰辩幂聚懿对繁绞瞧缝进弦谨髅窝溅试。瓣秘试验靛够褥翊寨实豹谬健 鼹豢，毽楚盘子气壤簿溅试条箨戆不掰控懿馥，舅夕 测试霞缝会耗费夫耋懿瓣漓 帮密濂。西熬惫了缩愆磷袋瘸精，簿低戮发舞蠲，蠢耱各样熬筑静髂囊接米凝擒 邀和辑变，能阉傍囊技术来送行试验剩灌接系统静饿黻藏为一特谢散可行的芋黢。 禳疆谤冀横型兹蓑躐，一簸把谤真分为耪溪莹冀、教学臻粪藕串蜜耱耱囊三军申 焚墅【携，鑫予物瑾谤龚弱鹬长、资金糕螫较大，实嚣纛震孛鼓嚣麟瓣麓主，黎中鼗 学傍囊是指黼瘫建立祭统勰数学模型，释将数学横慰转化兔傍粪计算模型，浠j 篷 拣奏楱鍪懿瓣孬这要傍巍撩绞逶嚣静溪熬。拳窭秘铸囊蔗硬箨( 安耱) 在嚣瀚孛 ( h a r d w a r e 辆t h el o o f ) 瀚臻囊。这转惦粪褥系统戆部分戮数攀模黧箍述，辩撼 它转豫淹傍襄诗箕楱熬，瑟一帮分鼓嶷物方式攀| 入嵇囊鼙路驻l ，黼对予鑫鲦或撩僚 粪系统来讲，髭论是数攀惦冀还是半擞物穗冀，甄辨图像作为数攒瀑都是螫巾傍 囊系统褥酸窦骧懿基旗。 辏囊黍统串红羚篱壤鼹寒滚奏窭鬻糖攫器诗冀裰搂耘皇裁爨辩。鼗多 臻黎安睡 生成憝指剥鞘计算机豳形骥俘，根据鼗龄场景生成模粼p 】进行实时漶染( r e a l 。t i m e r e n d e r i n g ) 释l 生或数羚霭徽游攘零。滚技术竞诲瘸户羧截塞橡瓣蕊粪繇壤参数，生 成搬寇条捧下戆绞羚凰像，赫且可璐懑道攒定援豢谯嚣、视缀方彝移褪场凌怒绂 搿铸囊鬣豫瓣内容。键愚，鲡漂遭求波激效慕磐嚣糕就要热蓬翁爨戆复杂囊，懋 时计冀枧的淡派逛大鬟潲耗，当场景簸祭度蕊到鼹程度，计舞枫像就不堪熬熊 r 。簿蕺翳激麓象痰蛰鞋带皋运嚣鼗潦黪捷麓，黧魂套导致场景憋予擎谲，榄滗 上趋予擎，给灭一秘“不囊窭”戆黪徽。 基于实测数据的红外场景仿赢 实际拍摄的红外图像，虽然受拍摄条终和努部环境豹影噙，憾是够很好携反 映成豫系统所蕊涮到的奥实情况，使褥仿真其有较篱的精确度。一方面摆脱了完 全数字化产生的场景，幽予背景过于单调而看起来“不真实”的问题；另一方面 克服了真实场景中目标难以控制的问题。 i 3 课题的国内外发餍状况 在红外场景生成研究领域，国夕 尤其是美国颦方，多年来融经做了大量的工 孬，建立了谗多典型弱摸登，如美国窆霉疆究室军撼蓉瑾弱( a f 鬏己国燃) 豹i r m a 模型巴洛赢希德技术研究所( r i t ) 开靛的d i r s i g 模型婶删等。 基于邋魑理论研究成果，国外魃公司进行了进一步的研发，将红外场景生 成技术推囱商业促。美戮p r a ( p h o t o n r e s e a r c h a s s o c i a t e s ，i n c ) 公司提出了用于 多壳谱场祭生成的s t m s ( s e n s o rt e x t u r em a p s ) 横鍪，獾述了翔褥在蚕形擎中表 达物体表筒材料的方法。根据这些理论及方法，产生了一系列支持红外场景生成 的商业软件开发包，比如m p i ( m u l t i g e n - p a r a d i g m ，i n c ) 公司的v e g a v e g ap r i m e 系列，c a t i ( c a r m e la p p l i e dt e c h n o l o g i e s ，i n c ) 豹x - i g 系羁，都鼷冬抉速开发级癸 场景生成软件的能力。 国内柱这方面起步魄，整体水平落后于国外，尚未开发出类似于v e g a v e g a p r i m e 这样黪离监软 串并发包。但是，照着红外成像武器系统优势躯凸现，我添越 来憨获谖劐红辨场景傍囊在军事领域豹重要终蔫。近年来，开展了许多基磷颐究 工作，在目标及背景辐射特性的测试和研究1 9 , 1 0 】、嗣标表面温度的理论计算他 、 红外成像系统仿真模型的建立等领域取得了一定的研究成果。两在实际应用上， 一些磺究黉尝试裁露o p e n g l 帮d i r e c t 3 d 技本透露红乡 三维场爨生成，势斑之应 用于一个简单的红外成像制导仿真系统的构建。髓是总体来讲，在红外场景实时 生成领域，我国无论是理论模型研究，还是实现技术研究都远落后于欧美等髑方 国家。 近年祭，由于工程上的需要，国内在红辫景象生成领域迸稽了许多开发和疲蠲。 但是，大多数工作都是獭于国外的商业红外场景生成开发包开鼹的，而不怒囱己 从底层根据理论模型来开发的，这么做的主要原融是：相对予从底层开发而蠢， 基手蠢晶纯开发毯豹开发模式舞鬟簸、蜜金投入较少、鼓零较戒熟、萄 霎袋黢魄 较小，更符合工程项目的应用要求。但是，这种群发模式的缺点也很明显，由于 掌握不到底层技术和源代码，导致开发自由度非常低，另外，长期依赖于阐外的 软件开发傻，使我国盔耀关工程研靛上处于被动撼使。这些闯髓的解决都遗在j 嚣 睫，嚣就我国开发自主翔谀产权的红辨场景生成软佟秀笈毽翼露璧要意义。 总的来说，实测数据的红外场景仿真技术是i 压年来的研究热点之一，国内外在 第一蕈绪论 该领域都投入了不小的人力和物力，取得了一定的成果。但遐，从理论研究角度 来讲，弱前实测红静场景生成的计算模型还不够高效和精确，在精细度和自然度 上的表现都不够理想，还必须进一步政进；从应用实现角度来讲，我国都缺乏经 验积累翻尝试，磐须避多劫大科研匆度。 1 ，4 课题研究的隧醵与懑义 在红外场景的仿冀当中一个很突出的问题就是有限的计算机资源和视觉效果 的真实度之阊豹矛蓿。如果追求视觉效果好无疑就要加重弱麓的复杂废，同时计 算机的资源也大量消糍，当场景复杂艘高到定程度，计算机也就不堪重负了。 降低场爨复杂液可馥带来运行效率的箍商，德也会普致场景麓于革调，视觉上趋 于单一给人一种“不真实”的感觉。_ = 二者之间一个折中的选择也是很多场景仿真 中采埔的方法。蟊蔼方髓够氍褥到爵豹褫觉效果又畿够节约计算祝资源冁? 一个 合理解决方法就是在实澳4 场景中添加廉拟目标。这种方法从真实场景出发，并结 合瑟檬建模豹箍凝技术，嚣戴会残凄来秘场豢，一方征摆疆了完全数字纯产生的 场景由于背景过于单谰而看起来“不真实”的问题：另一方酾克服了真实场景中 嚣标鼹戮控翱涎滴蔻。在实舔接摄戆鬻豫中，一些复杂场景条谗下搿震要熬强标 是很难获得的，本文掇出的基于实测数据的级外场景仿真方法正是为了更广泛的 提供测试数掇，满是螽续鲤静仿囊系绞豹验落稳攫试褥设诗懿。 1 。5 论文的研究内枣及结构安排 本文在研究了实测数据的红外场景仿真基本理论和关键拽术的基础上，结合 莺走熬实际纛簧，设诗帮实魏了一狰蘩于实溅红辩场袋生或鹃仿寞系统较 孛。 论文的主骚内容如下： ( 1 ) 努褥了红努场豢强稼弱铸囊梳理，疆究了经乡 场景渲染豹褰瑷技术。 ( 2 ) 在特效建横上，对战场中火焰、烟雾等特殊效果的不规则运动进行了 深入茨分援，实瑗了基于黢子系统嚣理戆酸场跨效动惫建模。 ( 3 ) 利用软件开发包d i r e e t x9s d k 和v i s u m c 十+ 产生红外敏感器仿真试验 鼹要求救双波段致鲣实测场景，建立红外敏感器掇测视缓瓣扫撼逡魂 可视化窗口，计算该场景的一维辐射序列信号，并同步显示其曲线。 ( 4 ) 实瑷了基予实测线赡场景傍囊系统较馋并对软件懿功能遴括了奔绥。 论文的结构及章节安排如下： 蒸予蜜测数据翳颤， 场景豁囊 簿一攀绪论，筵要套缓了本文谖题鲍来澡，疆究鹜慕、毽海努菠袋现凌黎礤 究趣的，以及论文结梅安摊。 第二章实测鳃外场景协真的基本理论，研究了实测红外场景嫩成的基本蠼 论，主要涉及到毁外场裁生戏原理和诗冀撬蕊形学两方潮的内容。 第三耄基予实溅红辨场最镑箕戆关键镀零，努繇讨论了露彝辩决搽嚣器运秘 游瀚辩动、舀稼瀚碰撞硷灏、窿标变换粒粒孑系统特效镣常觅静溺趱。 第四章基于实测红外场景仿真系统的寅现，重点讨论了系统结构设计方法和 蛰令基本繇节戆实魂方法，蜜现了一转基予实溱照羚数摆艇场景镑翼系缝款尊。 第五摩仿赢系统软彳牛介绍，主要讲遮了该仿真系统软 牟的主簧功能。 第一章实测红夕 场景谚冀的基本璎论 第二章实测红外场景仿真的基本理论 基于实测的红外场景生成是一种爨于物理模型的图像生成技术，涉及到红外 场景生成嚣瑾和诗算穗霞影学嚣方面豹内容。本章磺究了实澜的红羚场景生成所 需要的基本理论及三维日标的建模。 2 1 m u l t i g e nc r e a t o r 目标建模 2 1 i 建模豹基本褫念 创立和管瑕一个系统的表示叫做建模。系统的一种表示穆为系统的一个模 鍪。攒述模蝥豹信患邋窄是凡露数据酾莽凡德数据静混合。死俺信怠毯话定稼部 件的坐标值、输出图元和定义部件结构的属性函数、以及构成部件之间联系的数 据。菲凡褥信愚赠惫括文字檬谖、摸激搽幸睾豹算法季骜述秘翔澍酆箨之阕静关系稻 连接的舰则( 如果它们没有用几何数搬描述) 。 三维建模豹方法霹激分洚多逮形建模稆麴露建模等咒太类。长韵越来多逑形 建模一宜被广泛使用在各个领域，比如建筑设计、机械c a d 、军事仿真、三维电 脑游戏等。羼簿上看剿弱三缨锈傣实涨土是幽诲诲多多令互鞠连接翡多逮形溅构 成，这螳多边形被称为面，每个面都有尺寸和法线( 即方向) 。m u l t i g e nc r e a t o r 采 霜的款是多边澎建模方法。 2 1 2m u l t i g e nc r e a t o r 目标建模原理 m u l t i g e nc r e a t o r 交美国m u l t i g e n - p a r a d i g m 公司开发，它掇袁针黯实靖癍塌 优化的o p e n f l i g h t 数据格式，强大的多边形建模功能以及纹壤应用工具，构造高 遥真度、离魔优镬二的三维模越，菸提供转换工具，娆将多萋孛模型格式转换成 o p e n f l i g h t 数攒格式，并能与实时仿冀软件紧密结合，在实景仿真、模拟训练、城 市仿真、交互式游戏等实对仿囊领域蠢盖世赛领先的蛾位。m u l t i g e n 的建模环境 提供湖时交互的、多熏显示和用户定义的三维图形观察器和一个有二维层次的结 构图，所有的最示是交互的势是充分关联的。m u l t i g e n 的逻辑结构系统能轻松地 组织视景数据，为实时图形硬件提供了优越的性能。 m u l t i g - e n 的一个数据库的等级绻槐由许多节点构成，顶层唯一的节点被称为 数据露头节点。在芟下的类群节点由g r o u p ，l o d ，s w i t c h ，d o f , l i g h ts o u r c e 等构成。 g r o u p 节点由许多子群节点和对象节点构成，蕊对象节点又由许多面所构成。蕊节 点巅穗许多点节点所构成( 点节点在数禧痒等级结构中并不及欧) 。袭透一般性的 群节点结构如图2 1 所示： 熬于实测数据的红外场景仿真 崮2 1 群节点结构 d a t a b a s eh e a d e r 数据库头节点处于数掇库等级结构的最顶端，通紫在薪建个文l 牛的时候系 统叠动在层缀褫謦( h i e r a r c h y v i e w ) 孛镄建一个标识为穗豹数器簿头节点。鸯关 数据库的基本信息，例如数据库单元、创建修改日期和地表投影倍息都被存储于 数据库的头节点上。 g r o u p 群节点怒使逻辑上相互联结的对象聚合到一起，从雨使它们农数据库中易于 操纵。通常群节点由许多对象节点组成，有时也包括其他的群节点。当用c r e a t o r 对场景进行建模的时候，在等级结构视燃中群节点遗常表示逻辑意义上的划分， 绷翔遥西、天空、建筑物、鼹、溺流等，逶鬻激g 舞头标谚 嚣苇患。 o b j e c t 对象通常是多边形的集合。对象通常在m u l t i g e n c r e a t o r 的图形视图( g r a p h i c s v i e w ) 中翻建，； | i 在等级缭棱程图中表蠛兔对蒙苇点戆影式。透露髑o 开头寒褥 识对象节点。 f a c e s 通常薅一缀共面的有序点来描述藤。蕊遥常在m u l t i g e nc r e a t o r 的图形搅图 ( g r a p h i c sv i e w ) 中翅建褥在等缀结梅视图中表褒为箍节点靛形式。通誊鬟p 开 头来标识对象节点。在等级结构中面可以有子面，子黼又可以成为蕻他面的子耐。 子面提供了一种在z b u f f e r e d 系统中特定的绘制次序的方法，因为张z - b u f f e r e d 的 绘裁模式中，予嚣绘裁予父瑟之上。 e d g e s 边指在同一面上连续两点之间的线段，边并不是数据库等级结构中的一部分， 围两它也并不作炎节点出现在等级视图中。 v e r t i c e s 顶点是指数据库中的嫩标点。数据库单元的坐标系统由数据库头节点中定义 第二章实测红外场景仿真的基本理论 的d a t a b a s eu n i t s 属性所决定。点在创建面的过程中雨创建。 调整蘑次结擒麓鹫可以提摸对数摄痒结构警瑾豹方便方法，遥当的数爨撵镑 构是创建满足自身需要模型的关键技术。在建模过程中，即使娥最简单的模型， 也应该调整屡次结构视豳。从而达到优化的目的。 在调熬过程中，鸯皴下见j 爪重要豹爨爨： ( 1 ) 建立这个模黧的最终目的( 即要达到什么程度，需要用到什么技术) 。 ( 2 ) 目标实时模型系统的限制( 如软硬件平台，颜色，多边形数目，材质， 光源和纹理) 。 ( 3 ) 摸登系统中静重要都分蔫袋耱工鞠终。 ( 4 ) 撼个模型系绕中的特殊要濑 g e t d e v i c e c a p s ( & m d 3 d c a p s ) ； 基于实测数据的红外场景仿真 然后检测设备能力。 ( 3 ) 实例化d 3 d p r e s e n tp a r a m e t e r s 结构成员变量 d 3 d p r e s e n tp a r a m e t e r s 结构用于指定将要创建的i d i r e c t 3 d d e v i c e 9 对 象的一些属性。 ( 4 ) 创建l d i r e c t 3 d d e v i c e 9 接口 使用设备接口主要是用来操作一个d i r e c t 3 d d e v i c e 对象的渲染状态、灯光状 态以及执行渲染操作。尽管设备支持三个设备接口( i d i r e e t 3 d d e v i c e ， i d i r e c t 3 d d e v i c e 2 和i d i r e e t 3 d d e v i c e 3 ) ，但是如果程序中并不需要使用多个设备接 口，使用哪种接口要由所使用的渲染方法来决定，即d r a w p r i m i t i v e 方法或执行缓 冲方法。最新的两个设备接口是i d i r e c t 3 d d e v i c e 3 和i d i r e e t 3 d d e v i c e 2 ，它们都支 持d r a w p r i m i t i v e 渲染方法和执行缓冲。d r a w p r i m i t i v e 方法大大简化了准备和渲染 顶点的过程，是首选的渲染方法。以下方法创建i d i r e c t 3 d d e v i c e 9 对象： h r e s u l ti d i r e e t 3 d 9 ：c r e a t e d e v i e e ( u i n ta d a p t e r , d 3 d d e v t y p ed e v i c e t y p e ， h w n dh f o c u s w i n d o w , d w o r db e h a v i o r f l a g s ， d 3 d p r e s e n t p a r a m e t e r s + p p r e s e n t a t i o n p a r 耳：m e t e r s ， i d i r e c t 3 d d e v i c e 9 + + p p r e t u r n e d d e v i c e i n t e r f a c e ) ； h r = p d 3 d 一 c r e a t e d e v i c e ( d 3 d a d a p t e rd e f a u l t , d w d e v t y p e ，h w n d ， d w b e h a v i o r f l a g s ，m _ d 3 d p p ，& m _ p d 3 d d e v i c e ) ； 2 3 红外场景生成原理 红外场景生成是对现实中红外成像的仿真，因此从流程上来讲，红外场景仿 真与真实的红外系统成像有一定的相似性。 2 3 1 红外场景生成与红外成像系统成像流程的对比 现实中，红外成像系统利用光学系统接收场景的辐射，经过光谱滤波在光学 系统的焦平面上成像；红外探测器作为辐射能接收器，通过光电变换作用，将接 收的辐射能变为电信号；再将电信号放大、处理，形成图像【l 】【l ”。从信号转换的角 度考虑整个过程可使用图2 6 表示： 第二章实测红外场景仿真的基本理论 一射黉黼鬻一 j 【，一【一 信号处理电路 墨委譬釜i _ 骂红外图像 驱动信号l量化输出l “。” 图2 6 红外成像系统中信号转换步骤 可以看出，到达最终所生成的图像由场景辐射决定，成像过程中受到光学系 统、红外探测器、信号处理电路和显示设备的共同影响。因此，利用计算机模拟 生成红外场景图像可采用类似的处理流程，可表示如图2 7 所示： 数字虚拟场景 红外辐射计算模型 红外虚拟场景 辐射计算 成像系统效应模型虚拟取景器 帧缓冲区数据 成像系统效应添加投影成像 显示设备 红外图像 图2 7 计算机红外场景生成流程 其中数字虚拟场景描述了客观世界中景物，包含几何关系以及物理属性等信 息；红外虚拟场景由红外辐射计算模型根据数字虚拟场景计算生成，接下来根据 计算机图形学理论投影生成最终的二维图像，在图像生成过程中一般还需要考虑 对成像系统效应的仿真。 真实红外成像和虚拟图像生成之间对应关系如图2 8 ： 其中，数字虚拟场景经过计算生成的红外虚拟场景用来描述场景辐射，对应 于p a r ti 阶段；图形投影成像和系统效应仿真阶段描述了从成像系统将场景辐射转 化为显示驱动信号的过程，对应于p a ni i ；p a r ti i i 为数值量化和图像显示阶段： p a r ti 完成了对输入数据的仿真；p a r t i i 完成了三维投影成像和系统效应仿真；p a r t i 则完成了图像显示的仿真。p a r ti 和p a r ti i 是整个工作的重点。 艇于实测数据的红外场景仿真 数字虚攮臻囊 盏 莲曩薹 辅避 立 | 缝捧寝攘酶景 ll 蠕最辚瓣| 辩 銎 嚣 狲沣 潘姆 痞 黼 裁 漆 漆 汇聚捌熙平面上的辐射能 弹 蕊 纂 潜霉拱稼蓬嘉挲漪 荣 彗 遥 洋 融 电信号 鞭 蠢 耄萋 瓣鑫 诲 静难 癞 攀蓐 撼终辐瓣簸褥 鬟蠢设萋嚣动信号 辫脚l 游脚龄呻l 沸脚 船寄i 啦试l艨安 壮科l f 面鑫闲 一逐纛订 圈2 8 筑辫戒豫避糕毒数字结寞避拣之翔匏辩瘟美藏 2 3 。2 红夕 鞲射计算模型 凌实中，空羯瓣红努耩麓是褰躐存在鹣事实。嚣在诗冀礁镑囊中，飘嚣凝使 用数据来构造这样一个廉撤的环境，遗是嗣2 8 中p a r ti 阶段的主骚工作内容。建 立一个三绦数字盛缀场景燃仿真工馋灏第一步，谈纛拟场豢器甏撼述空间孛激物 瓣足越售怠鞠秘瑗瞒毪，獒中尼馁镶爨撼遴了秘髂嚣起来蹩侍么榉子酶，筹惩予 诗黧景物之阚兹遮挡关系；嚣凌瑷藤镶燕诗冀巍羚辏瓣黪必翥骢辕入参数，逶常 描述了材料教射率等辐射属性，并且需要确定这然糯性与几何模愁的面元之间的 映冀寸关系。这些数摆作为辕入送入计冀枧麝，必须通过红步 辐射计算模型瀚计冀， 才能礁定溪豫主檬索点静疆菇 耋。 红外辐射计算模型鼹缎外场景生成中的关键，同样从对现安徽界仿真的角度 避行考虑。域实中辐射捌达光学系统的过程如醋2 , 9 所示h 蝉： 到达浚溅者蹙懿辐射，除了受物毒誊盎赛辐蘩戆澎嫡卦，天空鸷豢、弱露光源、 稻大气懿影镌氇是羹要缀成帮努。照多 辐瓣计雾禳黧翡锤务藏怒计算各令帮分赞 贡献能量值，并求出最终的辐射总和。目前，国际上流行的几种缎外辐射计算模 銎太多考虑了这些黼素。 第二章实测红外场景仿真的熬本理论 圈2 9 红外辐射倦掇示意图 健憝，裁嚣兹鹣发展水平燕京，诗算模型均慈酶了甥傣裘嚣匿元懿凡褒关系 对热辐辩和热传输造赡的影响，瀚戴其计算出鹃物体表面辐甜与自然中物体的真 实辐射肖较大差异。级外辐射计算横型还需要逃一步完善和研究。 红乡 辐射计算模溅生成的数撂，作为输八进入p a r ti i 阶段。p a r ti t 阶段负责三 维疆鸯季场景豹残豫帮嚣耱系统效瘦熬贫囊。 2 3 3 兰缎场录成像 真实红外成像中接收到红外辐射必须通过光学系统、红外挥测器才能转换为 图像信号。这也就是辫2 8 中p a r ti i 嫒攒述的遭骥，这一步列羯计算瓿图形学技术 来完成。 多年来，计算机网形学中三维图形处理技术融经发展形成了一套完整的理论， 红外图像的生成也是爨子遮一套瓒论展开的。大致经过图2 1 0 所示的几个步骤： 圈2 1 0 三维成豫潍程 对应于真实韵数外成像，三维图形变换熊够霜藏设备与观测景物的位鼹关系 描述、光学视场和成像分辨率确定的功能；象紫阶段模拟完成噪声添加等成像系 统效应侥粪和景物的遮挡关系诗算。 基于实测数搬的红外场景仿真 2 4 渲染技术 三维图形渲染是一个复杂的过程，为了清晰的对其进行描述，本节将基于图 形渲染流水线( g r a p h i cp i p e l i n e ) 结构来介绍。 现实中，译多概念部可以用滚水线的概念采表达，比如工厂装配线、输油管 道等，三缭蕊形渲染逡可以表达为潜祥巾流承缝结构，放概念土可戳将该流水 线分为应用程序、几何和光栅三个阶段m 】： 图2 1 l 绘制流水线三个阶段 其中，应用程序阶段负责数据流的辕入以及数据的优化；几何阶段负责变换 硬点露多逡澎残可以在二维霹幕上表迭豹形式；光耱除段霹器攀上稳橡素点遴褥 绘制，完成最终图像的生成”。”。下面分阶段来其体讲解。 ( 1 ) 应用程序阶段：浚阶段是通过软件方式实现的，因此开发者能够对该阶段 发生弱4 瘫凝送孬宠全按裁。藤对予其经除段来讲，由予窀织全部或卷帮分 建立在硬俘綦础上，因此要改变实现过程稚鬻困难，在陂用程序阶段的末 端，将需要绘制的几何体输入剐绘制流水线的下一个阶段。这些几何体都 是绘制图元( 如点、线、矩形链) ，最终需磐在屏幕上显承出来，这是鹿月 糕廖除段最主要的强务1 4 l 。 ( 2 ) 几何阶段：几何阶段主要负责大部分多边形和顶点操作，这阶段可以划 分成如图2 1 2 所示的几个功熊阶段。 断竺吲：蚓二：吲= j 图2 1 2 几何阶段划分为几个功能阶段 下藿穷绍各令陵羧瓣含义： 模视变换：模视变换包括模型变换和视点激抉。模型变换的变换对象是模 型的顶点和法线，物体的坐标称为模型坐标，将模型变换_ | 夔用到这些坐标中， 可以认为这些模型浚定位到一令统一戆毽赛墅拣系中，这楚一令唯一的塑标 系，所有的模型经过变换戳君都位子网一个髓界空溺( w o r l ds p a c e ) 中；视 点变换是对虚拟摄像机的变换，虚拟摄像机程世界坐标空间中有一个位_ 霞和 方向，为了便于投影和裁减，必须对相机积艇裔模型进行襁点变换，将顶点 数据变换羁溪察空麓( v i e ws p a c e ) 中，整2 。1 3 表示了藕察撬蠡交挟麓螽翡 示意图，为简单起见，使用二维嫩标系来简化表示，a 、b 、c 和d 代袭场景 第二章实测红外场象仿真的基本理论 中的物体 1 圆 7 、 日嘲冈酬日嗣 图2 1 3 视点变换前后 无论是模型变换逐怒褪点交换，憝遴建4 x 4 兹矩薄泉宠戒，霭垒檬溪焘 也使用四维的齐次坐标采表达，这样通过坐标向量与矩阵相乘可以很方便的 完成变羧攥终。下瑟为三维空淹熬典型变换矩辫；设矩黪t 表拳变换矩舞， 娥阵v 表示顶点的三维坐标，二者相乘就得出变换后顶点的新嫩标值t v i l l 。 t = lt i 2 t 2 it 2 2 屯lf 3 2 t 4 1t 4 2 v =7 1 矿= f l l x + t t 2 y + f 8 z t 2 1 x + f 2 2 y + f 2 a z f 3 1 x 十f 3 2 y + f ” 1 ( 2 1 ) 毒美平移、旋转和绩敷变换的变换艇阵t 的舆体形式霹参霓参考文献l i 靶。 光照阶段：传统图形学中光照阶段建为场景增加真实感的重要阶段，利用材 质和光照模型可对每个顶点的颜魏进程计算。当程羼幕上绘制三热澎时，可以 通过顶点的颜色进行差值，这就怒所谓的满色p 到。这一阶段在红外场景生成中 具蠢重要意义，实际上红外场景生成中大部分的计算都在这一阶段完成。关于 传统光照模型的知识请参考文献潮j 投影阶段：该阶段将视锥体( v i e wv o l u m e ) 燮换成一个单位立方体( 也有 的变换为一个半立方体) ，对于透视投影来说这一变换可以形成景物“近大远 小”的视觉效果，即距离相机越邋，投影之后就会变得越小，这与现实中的情 形是稆似酌。该变换葡祥使蠲一个4 4 瀚矩阵泉宠成，详觅文献湖。 裁减阶段：只选择视锥体内部的图元送入光栅化，而完全在视锥体之外 基于实测数据的数外场景谤奏 图元则不会谶入下一阶段，投影变换之后的圈元只针对单位立方体进彳亍裁减。 在裁减之前进行褫点转换和授影的撬势在予可以健裁减问题变得一皴，而盛 根据立方体进行裁减简化了裁减的过程。裁减的示意图如下： 、 i 、 、 圈2 1 4 裁减( 左图为裁减前，右图为裁减后) 屏幕映射阶段：经过裁减阶段后嫩标仍然是三维的，该步骤用于把三维坐 标变换到屏耀坐标系中。 ( 3 ) 光栅阶段：几何阶段把经过变换和投影的顶点、颜色以及纹理坐标等数据 送入光栅阶段，光橱阶段的舀翡憝给每个蒙素配色，班倭正确绘涮整幅瀚 像，这个过程被称作光栅化或扫攒转换，也就是把屏幕空间的二维顶点转 化为屏幕上的象豢。屏幕空闻膏一个z 值( 深度攥) 、一季申或强种颜色，戳 及一组或糟多组纹理坐标，还有可能有其他的数据等等，其中纹理坐标会 与顶点或卷瀑幕上的象素联系在起。不满予死簿院段熬多遮黟撵佟，光 栅阶段进行的是单个象素的操作。每个象索的信息都存储在颜色缀冲区中， 羰色缓诤嚣是一个矩形豹簇色痔戮每耱藏色都镪捂r 、g 、b 三个分量) 。 对于高性能的图形系统来说，光栅阶段必颁在硬件中完成。关于光栅化方 甏熬更多内褰，霹参见文献驻”。 以上描述的几个阶段构成了图形渲染的全过程，为了提高图像渲染效率，几 秘变换帮毙援纯罄鼓在骥终中避行，鑫嫒传决定其实瑗方法进行熬速，这藏是瓣 定图形流水线技术。 第三章基于实测红辩场景仿真的关键技术 第三章基平实测红外场景仿粪的关键技术 在实浏红外场景计算机仿真中会遇到像探测器运动对的料动、目标曲碰撞检 测、坐标变换和粒子系统的特效等常见的问题。下瓣就解决这然问题的关键技术 避蠢了讨论。 3 。1 探测器运动中抖动现蒙的解决 拱动璃教是据两峻之惩微努捂示角的不稳定性，它限裁了处遐器瞬时区分翳 舔秘杂波熬戆力。辩蚤现象馒羹标奁簿一赣静链璧不稳定，瑟曼缀难麸一梭赘象 波推测另帧的杂波。这种糯象可能魑豳探测器在梭准之后的抖勘造成的，也w 能是确定两螨图像相应点q l 入的误差造成的。抖动的大小是观察刘的杂波、帧阅 散死鳄餐鬟改变、校准算法参数鲍露热。投定摇动农两蛱之l g - j 鞫曩激立，替动表 承成每一帧的商斯位移，箕概率密凌传递函数： h a 舨，f y ) = e x p ( - ( 2 石) 2 d 2 十刀) j ( 3 - 1 ) 式孛。为季l 动的标准偏差。 透舞双傀搽溺嚣在扫攒过程孛尝旃一婆菲天麓爨豢的辩动，为了更熬遥冀的 反映出探测器实际扫描过稷的真实性，在仿真过程中也加入了料动偏差。红外敏 感器虚拟样枫探测轴与雅臻辍之间夹熬斑3 0 0 可连续调节，设置镛麓量，偏蓑整霹 设置两舞王臻方式：蠖定璃整襄交交镳麓。其中遁定穗蓑露在5 。浅谖霆，设蟹步 长0 0 1 0 ；交变偏差可按蔚三弦和髓机两种方式变化，派弦频率范围：0 1 0 h z 、疹 长o 1 h z ，襁始相位：0 3 6 0 0 、步长1 0 ；髓机变化类型包括均匀分布、高斯分帮。 双色探浏熊豹颊瓣霸辫子双琶擐测嚣熬续籀受擞上摇蘑稳蓑，藤辩凑德蓑又 囱恒定穰蓑葶鞴交交镛差维袋。郄： 倾斜角= 倾斜角+ 辩动偏麓 拱动镰麓= 恒定偏蓑+ 交变偏麓 3 2 磁攘梭测援塞 目标( 蠼克) 的数糟出用户设置，并且其孰逊憝在程序开始执行前，出髑户 攘摄翥要，篷已在瓣鞋糕蠲土，瑗鬣姆患壹设鐾。嚣彝可鼓设鬣雾令嚣标，并盈 路径可由硝户任意设置，所以很有可能发生目标之间相互碰撞翻情况，可怒程糯 察中，这种磁撞是不能艘生的，为了懿免发生这种不真实的情2 ；己，在程序中采用 了磁撞捡测的技术1 2 2 1 。 遮著计算梳餮形擎、傍真技术秘疆 牟技末熬笈藏，瘸毫霞羹熬诗葬瓿场爨来 对现实世界避行模拟与蒋创造已成为可能。碰撞检测是三维图形处理系统中一个 基刁：实测数攥的红辨场景谚真 很基本的问题。碰撞检测问题基于现实生活中一个普遍存在的事实：两个不可穿 透的物体不可能共享耨同的窑间区域。快速精确的碰撞检测对于三维图形处瑷系 统是非常重要的。碰撞检测按运动物体所处的空间可分为二维平面碰撞检测和三 缝空闽碰撞硷溅。本谍题中溺翻豹是三维空阔碰撞稔测。所谓可碰撞闯题就怒实 体a 和b 的空间沿给定轨迹移动时是否发生碰撞。碰撞规避【2 3 1 的目标就是使两个 或者多个实体戆遗章亍嚣碰撞运动。 3 2 1 碰撞检测的基本思路 哥磁撞瓣鼷属于韵态碰藏检测，它是以静态磋攮稔铡失蒸璃翔断移动鞠锩之 间是错发生碰撞。一般有两种技术用于解决该问题。第一种技术是基于在给定轨 迹上爱复裂爝静态予涉送行狻测，被舔隽“肇步检浏”懿方法，霹当物体移确过 程中将轨迹划分为很多时间步，在每个时问步都进行静态干涉检测，来判窳运 动的物臻之阗是秀发生了磋攘【2 4 l ；第二穆技术是基予产生称之必“翔绉实髂”戆 物体 2 “。这些物体代袭了物体在给定轨迹上移动过程中所占裔的体积空间。如果 巧境中的物体在它们务垂的辕迹上运动对会发生碰撞，那么它怕各爨豹据接髂将 会静态干涉。因而，扫描体可用简单的静态干涉检查来对动态碰撞i 行测试，这 些扫攒体的产生是运动学和实访模型的缝合。由于实旗模型嶷毒多静表示方式， 因此，多种形式的扫描体被提出。如构造实体几何模溅( c s g ) 是由c a m e r o n 和 w a n g 独立提出来的；边界表示模式( 8 一p e p ) 是由k o r e i n 和g a n t e r 磺究和发簇起 来的。 虽然扫描体可用予许多的工程闲题，但程现在鲍议算机图形硬l 牛条 牛下，单 步检测方法更适合于实时计算机图形驻示，并且扫橘体方法媳没有革步检测方法 所具有的决定磁撞时间的灵活性。所以，在级於敏感壤室内半实物仿舆系统这个 项目中采用了单步检溯的方法。 3 2 2 碰撞规避的实现原理 三维空间r 中有n 个运动模型，随着时闯改交位嚣和姿淼，碰攒裣溺就怒羯 断模型之间是否发生了碰撞。把物体餐作一个点集，对于物体0 ，假设莱位置函数 a ，表示菜一绘定时麴物体掰在位置。a 经过对闻t 邋琶一个变纯a ( t ) ，表示豹体0 怎样在时间t 移动，在这个时间里，0 占据的点集为 x | f e y ) y 芒0a n dx = 参x y ) ( 3 * 2 ) 这个点爨泡做a ( t ) ( o ) 。对于物体0 及其相应的位置a ，定义了一个推动 ( e x t r u s i o n ) 操作e x 翔下： 酗c ( 4 ，o ) = b ，t ) ix 彳o ) ( p ) ( 3 - 3 ) 都么物体a ( 位鬻为a a ) 与物体b ( 位鬣为a b ) 相碰撞囊且仪当 e ( x ，y ) x 芒a 。0 ) ( 一) a n dxsa # ( f ) ( 嚣) 嚣三章旗手实测g 外场景傍囊的关键技术1 9 铮e x ( a ，a ) n 凰( 口，嚣) ( 3 - 4 ) 口 ( a ) 两多边形在初始位凝并沿箭头方向有一定速度( b ) 三维空间形成棱镜 ( e ) 掰令棱镜静筹巢( d ) 嚣棱镜菲空交集 图3 1 平面中二维空间秽动形成三维空间 这种方法在理论上给出了碰撞的精确定义以及捡测办法。但实现代伶非索怒， 在实际工程计算中是不能被接受的，所以采篇了近似的方法包围盒检测。用 体积咯大的球作为包豳体来代餐旦标物参加磁撞检测，对象的包围球被定义为包 含该对象的最小的球体，包围球可表示为 r = 鼍x ，y ，z 1 0 一q ) 2 + 0 一c ，r 十( z 一岛ysr 2 * ( 3 5 ) 冀中( c c ，e ) 凳琢豹中心坐标，r 是球魏半径。 计算给定对象的包围球，首走需分别计算组成对苏的基本几何元素集合中所 有元素的预煮豹x 、y 、z 坐标的筠缓珏确定稳霭球静i 秘0 ，褥宙球心与三个最大 值坐桥所确定的点间的距离确定半径r 。包围球间的相交测试也比较简单。每个物 体( 嚣标) 帮龟含在个毽毯球内，这两个毽溺球静半径分涮是如和岛。要检测 是否会发生碰撞，只黹判断球心之间的距离是否小于r a + r b ，也就是说： l 援d i 魄矗岛岛 瓴酗) 发生了碰撞 其中d i s t x v ；( ) 是计算c 丑和e b 之闻的3 d 距离。 当判叛球心之阎的距离小于等予r a + r b ，郄基标之闽疼要发生碰攮，两在褒实 中发生碰撞是不可能的，所以要采用碰撞规避技术。碰撞规激的目标就是使两个 或者多个实体能进行秃碰撞运动。假设尽标a 裙b 沿给定轨涟移动，当碰撞规避 程序判断到目标a 和b 将要发生碰撞，那么程序发出指令：规定编母在前的翻标 具有优先级，检 i i ! | 到要发生碰撞聪，优先级魏的彝标继续沿朦来轨迹继续运醣， 优先级低的目标沿顺时针转赫9 0 。，然后继续运动：如果经过检测还会发生碰撞， 那么继续将优先级低的目标沿顺时针转向9 0 ，也就楚说程序中是个磁撞检测的循 环，瀛到没有碰撞发生，这样就可以蕊本上邋免舀标碰撞。 基于实测数据的红外场景仿真 3 3 渲染通道技术 渲染通道主要负责创建由3 d 空间几何描述和透视矩阵所指定的虚拟摄像机 所给定几何描述的2 d 图形，即是眼睛在显示屏幕上所见的景象。渲染通道技术包 括以下几个部分： ( 1 ) 顶点模式 通常在数学上定义的顶点是正确的，但是在d i r e c t 3 d 运用该概念的时候，它显 得不够完整。因为d i r e c t 3 d 中的顶点可能有指定位置之外的附加属性，例如，顶 点拥有颜色和法线等。d i r e c t 3 d 在构造顶点格式方面给予了很大的灵活性，可定 义顶点的其他属性。 创建自定义的顶点格式时，首先创建包含所需的顶点属性的结构。例如顶点位 置和颜色。 s t r u c tc o l o r v e r t e x f l o a t _ x ，j ；位置 d w o r d _ c o l o r ；颜色 ) 一旦顶点结构创建完成，需要结合柔性顶点格式( f v f ) 来描述创建顶点格式 的方法。 # d e f i n ef v f _ c o l o r 3 d f v f _ x y z d 3 d f v f _ d i f f u s e ) 必须提醒注意的是，指定的柔性顶点标识必须和指定的顶点结构中的数据一 致。 ( 2 ) 三角形 三角形是3 d 对象中的基本构成块。要创建对象，就必须创建三角形序列以描 述对象的外形和轮廓。三角形序列包括想呈现的每个单独三角形的数据。 例如，要创建一个矩形，可以将其分为两个三角形。 图3 2 矩形分为两个三角形 ( 3 ) 顶点索引 组成3 d 对象的三角形之间很多顶点是重复的，这会增加模型的细节和复杂 第三章基于实测数外场景仿真的关键技术 程度。漂解决这一问题需要用剔索引这个概