复杂地面场景的红外特性建模及仿真效果研究*

夏雄风　李向春　明德烈

(1.华中科技大学自动化学院　武汉　430074) (2.火箭军装备研究院　北京　100085)

复杂地面场景的红外特性建模及仿真效果研究*

夏雄风1李向春2明德烈1

(1.华中科技大学自动化学院武汉430074) (2.火箭军装备研究院北京100085)

针对复杂地面的红外仿真的需求,对地面的红外特性建模和仿真的效果进行了研究。针对复杂的地面场景,预先设置好材质编号和对应材质红外属性之间的映射关系,通过指定材质编号的方式手动对不同材质的区域进行分类。这样对于同一数据,针对不同的仿真谱段进行一次建模通过替换查找表的方式即可满足工程的需求。最后为了充分提高计算的效率,在GPU中进行红外辐射的实时计算,渲染输出的图像能满足工程需求。

红外建模; 材质分类; 红外效果

Class NumberTP391.9

1　引言

目前红外图像被广泛应用于目标检测、精确制导等。但是考虑红外图像的获取通常会比较耗时,费用昂贵红外成像仿真技术的发展解决了这个问题[1]。红外成像仿真的基本流程包括[2～3]：场景红外特性建模、红外辐射计算、大气效应计算、最终量化成灰度图像。但是对于复杂的地面场景,进行高精度的红外特性建模[4]是一项很繁琐的工作,所以一种行之有效的建模方式是非常有必要的[5]。本文对红外特性建模和仿真效果进行了研究。

2　复杂地面场景红外特性建模

本文主要研究的是复杂的地面场景的红外特性建模[6]。对于复杂的地面场景,材质的类别比较多,并且同一材质之间的细节如何区分,这都是需要解决的问题[7]。

2.1材质编号和属性之间的映射

物体的红外材质属性主要包括发射率和反射率,并且还会受到仿真波段的影响。本文使用著名的VEGA软件提供的材质库[8],VEGA材质库包含161种不同的材质。这些材质被分成了12种不同的类别,例如金属、建筑、植被等。材质库的结构如图1。

图1　材质库

为了实现材质编号和对应材质属性之间的映射并且方便后续的计算,使用查找表的方式,使用查找表可以避免对同一个地面场景的多次建模操作。由于在不同仿真谱段同一种材质的发射率与反射率会不同,在这种情况下只需要替换查找表即可。这里使用一张16*16的图片作为查找表,图片的每一个像素中的G通道存放材质的反射率,B通道存放材质的发射率,R通道预留不做任何处理。由于发射率和反射率是介于0～1之间的小数,而RGB颜色值均是介于0～255之间的整数,所以直接采用线性映射的方式将发射率和反射率映射到0～255之间的整数。将从VEGA材质库中读取到的材质从1开始进行编号并且写入到这张16*16的图片中,那么有效的材质编号范围是第1到第161种材质。图2显示的是在3um～5um谱段下的材质编号到材质属性之间映射关系的查找表。材质编号的顺序与VEGA软件中读取的顺序是一致的。

图2　材质编号和属性之间的查找表

2.2材质分类

对于给定的地面场景数据,需要手动对材质进行分类。根据可见光下的纹理可以判断出区域内的材质是那种类别。然后勾勒出该块区域,将纹理的R通道用来存放材质类别。将2.1中设置的材质编号赋值给地面纹理图片的R通道。

由于VEGA材质库中材质的类别为161种,而RGB颜色值中的通道的取值范围是0～255之间的整数,所以R通道能够存放所有的材质类别编号,并且还有一定的剩余。

图3显示的是一片复杂的地面场景区域的可见光纹理图片以及勾勒并进行材质编号处理后的图片。例如在可见光下可以观察到区域1是城市住宅,那么根据材质类别与材质编号的查找表可以发现需要将27号材质编号赋予区域1,那么区域1的R通道应该赋予27。

图3　材质分类

3　红外仿真流程

进行红外特性建模后,根据红外辐射的相关理论[9],对地面场景进行红外仿真。地面场景的红外辐射量由两部分组成,分别是地面场景自身发出的红外辐射和地面场景反射接收到的红外辐射。

3.1自身辐射量

任何温度高于绝对零度的物体都会不断地向空间辐射电磁波,将热能转化为辐射能。工程上可以将物体当作灰体处理,根据Stefan-Boltzmann定律[10],灰体的辐射值计算公式为

Wrad=εσT4

(1)

其中,ε表示物体表面材质的发射率,σ为波尔兹曼常数,T为物体的温度。Wrad则为计算得到的物体红外辐射。

3.2反射辐射量

材质表面反射的红外辐射能量主要分为两个部分。第一是反射的太阳辐射,第二是反射的大气长波辐射。

太阳源源不断地向宇宙发射出电磁波和粒子流,太阳辐射是地球大气的主要热源。太阳辐射主要包括太阳直射辐射、太阳散射辐射以及背景反射的太阳辐射三个部分[11]。

1) 太阳直射：

Wsund=rIscPmcosi

(2)

其中,r为日地修正系统,Isc为太阳常数,P为大气透明度,m为大气质量,i为任意倾斜面上太阳光的入射角。

2) 太阳散射：

(3)

式中,Isc为太阳常数,h为太阳高度角,β为任意倾斜面的倾斜角,P为大气透明度。

3) 地面背景反射：

(4)

Wsund为太阳直射能量,Wsuns为太阳散射辐射能量,βground为地面的平均反射率,α为倾斜面的倾斜角。

4) 大气长波辐射

大气自身具有一定的温度,也在不断地向空间发射出电磁波。大气长波辐射一般和一些气象条件有关,天空无云条件下大气长波辐射为

(5)

式中,a,b为经验常数,a取0.61,b取0.05；ε为材质发射率；σ为Stefan-Boltzmann常数；eα为近地面水汽压。

5) 反射辐射

反射辐射能量计算公式为

(6)

Wsund表示太阳直射,Wsuns表示太阳散射,Wground表示地面背景反射的辐射,θ1表示红外波段的太阳辐射占总的太阳辐射能量的百分比,ε表示材质的反射率,Wsky表示大气长波辐射,θ2表示红外波段的大气长波辐射占总的大气长波辐射能量的百分比。

总的红外辐射能量可以表示为

W=Wrad+Wref

(7)

Wrad表示自发辐射能量,Wref表示反射的红外辐射能量。

得到总的辐射能量W后,可以通过灰度映射的方式生成目标场景的红外图像,灰度映射模型模拟得到的红外图像的转换方式为

(8)

式中,G表示辐射强度W量化后的灰度值；Wmin,Wmax分别表示场景中最高和最低的辐射强度。

4　仿真结果

下面是某一片地形数据的仿真结果。仿真的位置为：东经110.348230°,北纬21.397652°,海拔高度为0m。仿真时刻为某一天不同时段。

图4　9:00仿真结果

图5　1:00仿真结果

图6　15:00仿真结果

5　结语

本文对复杂的地面场景的红外特性建模和仿真效果进行了研究。对于复杂的地面场景,结合手动进行材质分类的方式实现了材质的划分,可以快速实现红外特性建模,并改善红外仿真结果。通过材质编号和属性之间的映射表,可以实现一次建模进行多个谱段的仿真。仿真结果表明,仿真图像与实际的图像比较接近,并符合实际成像条件下的成像规律。

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Infrared Characteristic Modeling and Simulation Effect Research of Complex Scene of Ground

XIA Xiongfeng1LI Xiangchun2Ming Delie1

(1.School of Automation,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan430074) (2.Equipment Academy of the Rocket Force, Beijing100085)

According to the demand of infrared simulation of complex ground,the modeling of infrared characteristic and effect of simulation have been studied. For the complex scene of ground,at first the material ID is maped to the infrared properties,then the material ID is specified to different regions of material manually. By the way, it can just model the data once and can satisfy the demand of different channels by replacing the look up table. Finally,in order to improve the computational efficiency,the calculation of infrared radiation is in the GPU,the output images satisfy the demand of project.

infrared modeling, material classification, infrared effect

2016年4月1日,

2016年5月19日

国家自然科学基金资助项目(编号：61273241)资助。

夏雄风,男,硕士研究生,研究方向：红外仿真。李向春,男,硕士,助理研究员,研究方向：精确制导、虚拟仿真等。明德烈,男,副教授,研究方向：人工智能控制、图像处理和模式识别等。

TP391.9

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.030