一种基于理论/半经验方法的红外图像仿真方法

摘要

本发明公开了一种基于理论/半经验方法的红外图像仿真方法，包括以下步骤：建立红外成像全链路模型、模拟大气传输效应、模拟目标和背景以及量化辐射亮度，输出红外图像，从而实现红外图像的仿真。本发明还设置红外图像仿真系统，在红外图像仿真系统中，可以方便的更改影响成像质量的参数，增加需要的功能模块，直观的获取效果图，红外仿真系统对硬件要求低，容易实现，实用性强，能够将复杂的过程简单化，大大降低了红外图像的仿真时长，有利于红外图像的仿真，并且能够根据当前场景计算红外辐射亮度值，实时生成红外图像。

权利要求

1.一种基于理论/半经验方法的红外图像仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立红外成像全链路模型；

①：红外图像仿真系统设计；

②：场景建模；

建立红外成像全链路模型过程中，分析得出影响红外成像的因素，进而构建出红外入瞳前辐亮度方程式公式，公式如下：Lλ＝(Lobj(ε，T)+Lsλ+Ldsλ+Lbsλ+Ldελ+Lbελ)并且，红外波段需要同时考虑太阳辐射和地物热辐射的影响，式中Lobj(ε,T)表示地物的自身辐亮度，Lsλ表示太阳辐射，Ldsλ和Ldελ分别表示天空光和天空热辐射，Lbsλ和Lbελ分别表示背景光和背景热辐射，Lλ表示红外入瞳前辐亮度；

S2：模拟大气传输效应；

S3：模拟目标和背景；

建立材质库和纹理库；

S4：量化辐射亮度，输出红外图像；

计算得到的红外辐射度数据，在其值域内是连续的，进行红外视景仿真时，将得到的红外辐射度数据显示到生成红外图像中，实现红外图像的仿真。

2.根据权利要求1所述的基于理论/半经验方法的红外图像仿真方法，其特征在于，材质库包括材质的热力学特性和光学特性，热力学特性包括材质的温度参数、发射率参数，光学特性包括材质对不同波长的各种反射系数，包括漫反射系数和BRDF参数，纹理库包括纹理图。

3.根据权利要求1所述的基于理论/半经验方法的红外图像仿真方法，其特征在于，输出红外图像时，红外图像仿真系统所用信号模拟器的红外功能是灰度的，对场景进行渲染得到的红外图像就需要是灰度的，将红外辐射度映射到灰度的颜色中时，需要将连续的红外辐射度值划分为256个等级，根据辐射度的分布范围，对其进行量化。

4.根据权利要求3所述的基于理论/半经验方法的红外图像仿真方法，其特征在于，在量化过程中，分别用Lmin和Lmax来表示辐射的最小值和最大值，将Lmin和Lmax分为256个等级，公式表示如下：其中d为辐射度间隔，以H表示灰度值，在计算辐射度对应灰度值时，用如下公式计算：其中 为向下取整符号，根据每个像素点灰度量化值最终生成红外图像，L表示在量化过程中的辐射值。

说明书

一种基于理论/半经验方法的红外图像仿真方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种红外图像仿真技术领域，具体是一种基于理论/半经验方法的红外图像仿真方法。

背景技术

[0002] 随着科技的进步，红外图像仿真技术广泛应用到国防、军事、航空和航天等领域，利用计算机生产逼真复杂的虚拟场景，完成既定目标的仿真，不仅成本低廉，而且容易实现。此外，对场景的目标、背景、材质和时间可以根据需求进行任意变化和增添删减，既可以仿真高速的目标运动及过程，如飞行、导弹发射、追踪等，又可以仿真雨、雪、阴、云等多种天气变化和爆炸、碎片、烟雾等特效，对场地地形的要求既可以简单又可以复杂，总之，红外图像仿真技术已经成为军事领域重要的建模和仿真手段。

[0003] 红外图像的仿真方法有多种，但是现有的仿真方法中成本较高，过程复杂，红外图像仿真耗时较长，不利于红外图像的仿真，因此，亟需一种基于理论/半经验方法的红外图像仿真方法来解决上述问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种基于理论/半经验方法的红外图像仿真方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0006] 一种基于理论/半经验方法的红外图像仿真方法，包括以下步骤：

[0007] S1：建立红外成像全链路模型；

[0008] ①：红外图像仿真系统设计；

[0009] ②：场景建模；

[0010] S2：模拟大气传输效应；

[0011] S3：模拟目标和背景；

[0012] 模拟目标和背景的前提需要建立材质库和纹理库；

[0013] S4：量化辐射亮度，输出红外图像；

[0014] 计算得到的红外辐射度数据，在其值域内是连续的，进行红外视景仿真时，将得到的红外辐射度数据显示到生成红外图像中，实现红外图像的仿真。

[0015] 作为本发明进一步的方案：建立红外成像全链路模型过程中，分析得出影响红外成像的因素，进而构建出红外入瞳前辐亮度方程式公式，公式如下：

[0016] Lλ＝(Lobj(ε，T)+Lsλ+Ldsλ+Lbsλ+Ldελ+Lbελ)

[0017] 并且，红外波段需要同时考虑太阳辐射和地物热辐射的影响，式中Lobj(ε,T)表示地物的自身辐亮度，Lsλ表示太阳辐射，Ldsλ和Ldελ分别表示天空光和天空热辐射，Lbsλ和Lbελ分别表示背景光和背景热辐射，Lλ表示红外入瞳前辐亮度。

[0018] 作为本发明进一步的方案：材质库包括材质的热力学特性和光学特性，热力学特性包括材质的温度参数、发射率参数，光学特性包括材质对不同波长的各种反射系数，包括漫反射系数和BRDF参数，纹理库包括纹理图。

[0019] 作为本发明再进一步的方案：在量化过程中，分别用Lmin和Lmax来表示辐射的最小值和最大值，将Lmin和Lmax分为256个等级，公式表示如下：

[0020]

[0021] 其中d为辐射度间隔，以H表示灰度值，在计算辐射度对应灰度值时，用如下公式计算：

[0022]

[0023] 其中 为向下取整符号，根据每个像素点灰度量化值最终生成红外图像，L表示在量化过程中的辐射值。

[0024] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0025] 本发明通过建立红外成像全链路模型、模拟大气传输效应、模拟目标和背景以及量化辐射亮度，输出红外图像，从而实现红外图像的仿真，并且本发明还设置红外图像仿真系统，在红外图像仿真系统中，可以方便的更改影响成像质量的参数，增加需要的功能模块，直观的获取效果图，红外仿真系统对硬件要求低，容易实现，实用性强，能够将复杂的过程简单化，大大降低了红外图像的仿真时长，有利于红外图像的仿真，并且能够根据当前场景计算红外辐射亮度值，实时生成红外图像。

具体实施方式

[0026] 下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0027] 实施例一

[0028] 一种基于理论/半经验方法的红外图像仿真方法，包括以下步骤：

[0029] S1：建立红外成像全链路模型；

[0030] ①：红外图像仿真系统设计：在红外图像仿真系统中，可以方便的更改影响成像质量的参数，增加需要的功能模块，直观的获取效果图，红外仿真系统对硬件要求低，容易实现，实用性强，能够将复杂的过程简单化；

[0031] ②：场景建模：场景建模是红外图像仿真的基础，包括目标建模、大气建模、红外材质建模、背景辐射建模以及运动建模，通过建模来创建丰富逼真的拥有优良实时性能的模型数据库，提高红外图像仿真系统的实时性能和视觉效果；

[0032] S2：模拟大气传输效应；

[0033] 红外辐射在大气中的传输特性对红外成像质量有着极其重要的影响，红外辐射通过大气传输的实际过程非常复杂，取决于引起吸收和散射的分子类型、浓度、大气中悬浮微粒的大小、特性、浓度以及沿传输路径上各点的温度和压强；

[0034] S3：模拟目标和背景；

[0035] 模拟目标和背景的前提需要建立材质库和纹理库；

[0036] S4：量化辐射亮度，输出红外图像；

[0037] 计算得到的红外辐射度数据，在其值域内是连续的，进行红外视景仿真时，将得到的红外辐射度数据显示到生成红外图像中，实现红外图像的仿真。

[0038] 需要具体说明的是，本发明通过建立红外成像全链路模型、模拟大气传输效应、模拟目标和背景以及量化辐射亮度，输出红外图像，通过上述步骤即可实现基于理论/半经验方法的红外图像的仿真。

[0039] 实施例二

[0040] 一种基于理论/半经验方法的红外图像仿真方法，包括以下步骤：

[0041] S1：建立红外成像全链路模型；

[0042] ①：红外图像仿真系统设计：在红外图像仿真系统中，可以方便的更改影响成像质量的参数，增加需要的功能模块，直观的获取效果图，红外仿真系统对硬件要求低，容易实现，实用性强，能够将复杂的过程简单化；

[0043] ②：场景建模：场景建模是红外图像仿真的基础，包括目标建模、大气建模、红外材质建模、背景辐射建模以及运动建模，通过建模来创建丰富逼真的拥有优良实时性能的模型数据库，提高红外图像仿真系统的实时性能和视觉效果；

[0044] 建立红外成像全链路模型过程中，分析得出影响红外成像的因素，进而构建出红外入瞳前辐亮度方程式公式，公式如下：

[0045] Lλ＝(Lobj(ε，T)+Lsλ+Ldsλ+Lbsλ+Ldελ+Lbελ)

[0046] 并且，红外波段需要同时考虑太阳辐射和地物热辐射的影响，式中Lobj(ε,T)表示地物的自身辐亮度，Lsλ表示太阳辐射，Ldsλ和Ldελ分别表示天空光和天空热辐射，Lbsλ和Lbελ分别表示背景光和背景热辐射，Lλ表示红外入瞳前辐亮度。

[0047] S2：模拟大气传输效应；

[0048] 红外辐射在大气中的传输特性对红外成像质量有着极其重要的影响，红外辐射通过大气传输的实际过程非常复杂，取决于引起吸收和散射的分子类型、浓度、大气中悬浮微粒的大小、特性、浓度以及沿传输路径上各点的温度和压强；

[0049] S3：模拟目标和背景；

[0050] 模拟目标和背景的前提需要建立材质库和纹理库；

[0051] S4：量化辐射亮度，输出红外图像；

[0052] 计算得到的红外辐射度数据，在其值域内是连续的，进行红外视景仿真时，将得到的红外辐射度数据显示到生成红外图像中，实现红外图像的仿真。

[0053] 优选的，在本实施例中，红外辐射衰减包括如下三种现象：①：大气中气体分子的吸收；②：大气中分子、微粒的散射；③：因气象条件而产生的衰减；并且，气象条件包括云、雾、雨、雪和沙尘，在进行红外图像仿真时，必须考虑上述三种现象。

[0054] 需要具体说明的是，相比实施例一，通过上述步骤能够更好实现基于理论/半经验方法的红外图像的仿真。

[0055] 实施例三

[0056] 一种基于理论/半经验方法的红外图像仿真方法，包括以下步骤：

[0057] S1：建立红外成像全链路模型；

[0058] ①：红外图像仿真系统设计：在红外图像仿真系统中，可以方便的更改影响成像质量的参数，增加需要的功能模块，直观的获取效果图，红外仿真系统对硬件要求低，容易实现，实用性强，能够将复杂的过程简单化；

[0059] ②：场景建模：场景建模是红外图像仿真的基础，包括目标建模、大气建模、红外材质建模、背景辐射建模以及运动建模，通过建模来创建丰富逼真的拥有优良实时性能的模型数据库，提高红外图像仿真系统的实时性能和视觉效果；

[0060] 建立红外成像全链路模型过程中，分析得出影响红外成像的因素，进而构建出红外入瞳前辐亮度方程式公式，公式如下：

[0061] Lλ＝(Lobj(ε，T)+Lsλ+Ldsλ+Lbsλ+Ldελ+Lbελ)

[0062] 并且，红外波段需要同时考虑太阳辐射和地物热辐射的影响，式中Lobj(ε,T)表示地物的自身辐亮度，Lsλ表示太阳辐射，Ldsλ和Ldελ分别表示天空光和天空热辐射，Lbsλ和Lbελ分别表示背景光和背景热辐射，Lλ表示红外入瞳前辐亮度。

[0063] S2：模拟大气传输效应；

[0064] 红外辐射在大气中的传输特性对红外成像质量有着极其重要的影响，红外辐射通过大气传输的实际过程非常复杂，取决于引起吸收和散射的分子类型、浓度、大气中悬浮微粒的大小、特性、浓度以及沿传输路径上各点的温度和压强；

[0065] S3：模拟目标和背景；

[0066] 模拟目标和背景的前提需要建立材质库和纹理库；

[0067] S4：量化辐射亮度，输出红外图像；

[0068] 计算得到的红外辐射度数据，在其值域内是连续的，进行红外视景仿真时，将得到的红外辐射度数据显示到生成红外图像中，实现红外图像的仿真。

[0069] 在量化过程中，分别用Lmin和Lmax来表示辐射的最小值和最大值，将Lmin和Lmax分为256个等级，公式表示如下：

[0070]

[0071] 其中d为辐射度间隔，以H表示灰度值，在计算辐射度对应灰度值时，用如下公式计算：

[0072]

[0073] 其中 为向下取整符号，根据每个像素点灰度量化值最终生成红外图像，L表示在量化过程中的辐射值。

[0074] 在整个辐射能量计算中，计算的基本单元为场景中的三角面元，随着三维场景的增大和精细化，会有百万甚至千万数量级的面元，对于这种大规模的计算，使用基于GPU的并行计算方式将极大地提高计算速度。

[0075] 优选的，在本实施例中，红外辐射衰减包括如下三种现象：①：大气中气体分子的吸收；②：大气中分子、微粒的散射；③：因气象条件而产生的衰减；并且，气象条件包括云、雾、雨、雪和沙尘，在进行红外图像仿真时，必须考虑上述三种现象。

[0076] 优选的，在本实施例中，材质库包括材质的热力学特性和光学特性，热力学特性包括材质的温度参数、发射率参数，光学特性包括材质对不同波长的各种反射系数，包括漫反射系数和BRDF参数，纹理库包括纹理图。

[0077] 需要具体说明的是，本发明通过建立红外成像全链路模型、模拟大气传输效应、模拟目标和背景以及量化辐射亮度，输出红外图像，从而实现红外图像的仿真。

[0078] 并且本发明还设置红外图像仿真系统，在红外图像仿真系统中，可以方便的更改影响成像质量的参数，增加需要的功能模块，直观的获取效果图，红外仿真系统对硬件要求低，容易实现，实用性强，能够将复杂的过程简单化，大大降低了红外图像的仿真时长，有利于红外图像的仿真，并且能够根据当前场景计算红外辐射亮度值，实时生成红外图像。

[0079] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

[0080] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。