近红外目标仿真模型建模技术

张培忠，胡林亭，宁金贵，苏伟丽，张 鹏



近红外目标仿真模型建模技术

张培忠1，胡林亭1，宁金贵1，苏伟丽2，张 鹏1

（1. 中国白城兵器试验中心，吉林 白城 137001；2. 白城师范学院，吉林 白城 137001）

为了检验近红外制导炸弹的命中精度，通常在实验室进行半实物仿真试验，需要研究近红外目标仿真模型，将其置入目标模拟器中，由近红外导引头跟踪目标，仿真制导炸弹识别、跟踪、击中目标的全过程。基于仿真建模原理、理论和方法，研究了环境建模、地形地物建模、天空背景建模、海天背景建模、雨雪特效建模和近红外目标建模等技术，建立了多种静态、动态仿真模型，以及仿真模型的驱动程序，实现动态、逼真地显示仿真模型，用于近红外制导炸弹的半实物仿真试验。

近红外目标；仿真；建模

0 概述

美国和前苏联早在20世纪五六十年代就率先开展了红外目标和背景的反射特性研究，建立了他国军队典型目标与背景的红外光学数据库，并提供了光电武器装备研制仿真用的红外目标与环境光学特性的理论模型，得到了实验验证，模型趋于成熟。国内从九十年代开始跟踪研究、探索被动近红外目标探测手段，此类导引头逐步应用于巡航导弹、制导炸弹等武器装备上，尚未见到用于检测该类导引头的仿真模型的公开报道。

为了检验近红外制导炸弹的命中精度，通常在实验室内对其进行半实物仿真试验，将近红外目标仿真模型置入目标模拟器中，形成动态、逼真的虚拟环境，透射到制导炸弹的近红外导引头上，由近红外导引头跟踪目标仿真模型，仿真制导炸弹识别、跟踪、击中目标的实际过程。

近红外制导炸弹攻击的目标有野战工事、建筑堡垒、交通枢纽、机场、码头、水坝、电站、油库、舰艇等，其背景环境包括了平原、山地、丘陵、河流、天空、海洋，以及雾霾、雨雪天气等。因此，必须建立动态、逼真的近红外目标模型，由目标模拟器透射到导引头上，供制导炸弹的导引头识别、跟踪。

1 仿真建模理论

1.1 仿真软件组成与运用

仿真软件包括仿真环境、仿真驱动程序、动态链接库3部分组成[1]，如图1所示。仿真环境主要由模型、场景效果、纹理设计、特效演示等组成，构造出逼真的模型以及生动的纹理和特效；仿真驱动程序主要有模型调用、场景驱动、大地形处理、分布式交互等程序，动态逼真地显示仿真环境，实时交互响应等；动态链接库DLL是一个包含可由多个程序同时使用的代码和数据的库，是共享的程序资源。

图1 仿真软件组成

1.2 环境建模

环境是基于客观真实内容，通过图形图像工具和建模工具建立的景像几何模型和纹理，并通过蒙皮的手段将环境的纹理映射到模型上[2]。环境建模过程分为8个阶段，是一个复杂的过程，其中特征数据提取阶段是决定图像逼真程度高低的主要阶段，既要保证图像高度逼真的物理特性，又要保证纹理完美地反映环境表面特征，环境建模流程如图2所示，环境模型见图3所示。

处理数字高程数据：应采用数字高程信息处理软件对具体格式进行相应的解码转换和高程解析，截取所需大小的场景，生成Creator可识别的DEM（Digital Elevation Model）数据，最终用三角形面的拼接来实现三维化。同过对高程数据作二次采样，选择一个适当的算法，实现地形的三角化，地形网格见图4。

1.3 地形地物建模

地形地物建模的主要流程见图5所示。

确定纹理和地形精度：根据地形的节点在显示环境中所处的位置和重要度，设计物体渲染的资源分配，降低非重要物体的面数和细节度，从而获得高效率的渲染运算，地形地物模型见图6。

1.4 天空背景建模

首先利用MODTRAN模型预先计算给定环境参数条件下晴空背景的三维辐射分布数据，按照坐标为方位角坐标为天顶角存储为二维矩阵，然后利用随机中点位移算法来生成云纹理，随机中点位移算法是一种分形曲面的生成算法，适用于生成山地高程图和云图等具有复杂形状的自然景物图像。

图2 环境建模流程

图3 环境模型

图4 地形网格

图5 地形地物建模的流程

图6 地形地物模型

利用分形算法可以生成二维平面上的随机分布，利用分形算法来生成大片的云模型，天空背景的建模流程见图7所示，生成的卷积云模型见图8所示。

图7 天空背景建模流程

图8 卷积云模型

1.5 海天背景建模

海天背景的建模不同于场景中的其他实体的创建，它有面积广大、实时变化，光学效应复杂等特点。首先创建出表示海面的几何模型，通过投影网格算法创建海面的网格，作为海面高度场的采样点。

在创建海面网格模型时，采用投影网格算法来创建海面模型。如果用一个点光源，以一定的角度，照向一个画有规则的正方形网格透明材料，那么格子在地面上的投影就会便形成不规则的四边形，格子顶点间的间距也会随着视点的远近而变化，见图9。落在地面上的投影点1,2, …,6之间的间距随着离电光源的距离增大而增大，符合人眼视觉系统的透视投影规律，人脑会根据投影图像的大小来判断物体的远近，从而产生三维空间的感受，这就是投影网格的基本原理。因此，如果用笔标识出地面上1,2, …,6这些投影点，然后去掉平面p上的格子点，人眼从光源向投影在地面上的格子看过去，就好像看到平面p上有规则的正方向网格正排列在前面。

在计算投影网格之前，先要进行3D空间中的顶点变换，图10给出了顶点变换过程，将一个在世界空间里的点world变换到透视投影空间里的点projector，需要进行视变换和投影变换：

world＝[viewperspective]－1projector(1)

令：projector＝[viewperspective]－1，则：

world＝projectorprojector(2)

投影网格算法主要步骤是首先在投影空间中创建一个规则的平面网格，它与视景体中心线垂直。再把它投影到平面base上，再利用公式(2)把base上网格点的坐标变换到世界空间，从而得到了世界空间中的静态海洋模型网格。再根据海洋学的公式或其他经验公式，把海水起伏的数据表示为海面的高度场，并且高度场数据随着时间推进而不断地变化，就能产生运动的海面。

图9 投影原理

图10 顶点变换过程

Fig.10 Process of changing vertexes

1.6 雨雪特效建模

模拟雨雪等自然现象是难点，目前的做法是采用粒子系统来构建自然现象的产生、发展、消亡的过程模型，从而实现自然现象的模拟[3]。采用OpenGL融合技术生成雨、雪粒子，模型中模拟雨、雪过程的粒子系统的流程如图11。物体从高空下落时，将受到空气阻力作用，这种阻力与物体的大小、形状和速度等有关，速度越大，阻力越大。从空中下落的雪花、雨点等，只要高度足够，最终都将做匀速运动。软件中将雨滴、雪花的下落过程均简化为匀速下落，水平方向的变化受软件设置条件风向、风速影响有水平移动；粒子每时每刻都会有不同的位置（，，），软件用粒子下落过程中轴与轴方向上的随机增量与给定；当雪花落到地上时，有个淡化消失的过程，这个属性通过使淡化系数Alpha 逐渐减小来模拟。

图11 模拟雨、雪的流程

1.7 近红外目标建模

近红外目标仿真需要根据目标的种类、图像的大小、形状、辐射强度等特性，进行实时快速调整，实现仿真目标离待测导引头的相对距离、目标姿态、干扰、背景的最佳状态。模型的近红外特性是用具有近红外特征的纹理蒙皮实现的，近红外纹理的灰度起伏反映的是物体表面近红外辐射的空间分布情况。

近红外目标仿真模型中首先需设置目标和背景的反射率[4]、背景的反射率起伏方差、目标反射率的起伏方差，设置不同天候条件下的环境光强度参数，光辐射计的相关参数、采样频率、波段、目标参数等。给定这些参数，得到目标和地物背景回波信号随扫描时间变化的一维被动强度像：

考虑到背景和目标反射率的起伏，近短波红外光辐射计输出一维被动强度像存在强度的起伏，假设强度的起伏满足高斯分布形式，则近短波红外光辐射计输出一维被动强度像满足如下统计形式：

式中(3)给出的目标和背景上的全带宽一维强度像，近红外目标仿真流程见图12。

图12 近红外目标仿真流程

近短波红外光辐射计光电探测放大电路为有限带宽信号，引入数字滤波的方法，这里采用理想的低通滤波器，其冲击响应函数如下所示：

则有限带宽一维被动强度像为它们的卷积：

()＝()*() (6)

式中：()即为通过数值滤波得到与近短波红外光辐射计带宽一致的一维被动强度像。根据一维被动强度像的仿真模型，给出近短波红外光辐射计扫描探测一维被动强度像的仿真流程。文献[5]给出了自然环境中太阳辐照度为7500lx，地物背景反射率为30.1%的草地，目标反射率为13.4%时，905nm波段一维扫描被动强度像，目标相对草地幅度差为0.8153V，噪声均方电压为0.076V，由此可得目标信噪比10.61。

近红外目标模型的光影效果类似可见光，与太阳等光源的光线入射角有直接关系，随着光源变化，仿真模型上的光影效果在方向、尺寸、灰度都要有相应变化。

1.8 仿真模型驱动过程

仿真模型的驱动过程包括：模型的真实感显示、场景管理、地形调度、交互及实时维护等。根据功能需求分为3层：界面层、管理层和数据层，层次结构如图13所示。管理层包括建模管理、仿真管理和系统管理。建模管理包括模型的管理（创建、添加和删除）、过程模型的管理（创建、添加和删除）；仿真管理包括仿真时间管理；系统管理包括系统组织与维护。数据层主要用于提供数据的存储和读写，包括：仿真模型库和仿真数据库。仿真模型库提供仿真模型，通过COM接口实现“即插即用”，由系统进行统一的管理。仿真数据库提供地形数据接口、天气系统等接口，可以方便用户进行自定义场景模型的调用。

2 建模实例

2.1 素材准备

资料的收集：收集3个不同时段（早、午、晚）、不同角度近红外目标图片，收集目标的物理参数，物理参数指的是建筑物占地面积和建筑高度以及形体特征。

校核与提取：收集来的图片进行归类整理，使用Photoshop对图片资料进行校正，对近红外照片进行单通道提取，提取出近红外波段的信息，如图14(a)、(b)所示，再将不同材质的近红外图像信息进行分离融合处理，作为后面制作近红外模型的贴图素材[6-7]。

把收集来目标的物理参数制作成平面图。使用AutoCAD制作目标正、侧、后、顶4个方位的平面图，把4张平面图一导出成DWG格式文件，作为后面模型建设的辅助图像。

图13 驱动仿真模型的过程

图14 对近红外图像进行单通道提取

2.2 建模方法

建仿真模型时尽量使用几何形态构建法进行建模，优化模型，看不见的地方不用建，如图15所示。对于复杂的造型，可以用贴图表现，为了得到更好的逼真效果与更高效的运行速度，在视景仿真场景中可以用Plane替代复杂的模型，用贴图来表现复杂的结构，如建筑物上的窗户和外置空调等，如图16所示。

建模的基本流程：

①导入AutoCAD文件。打开Autodesk 3ds Max，文件菜单栏里点击导入所需的DWG文件。

图15 删除底面的建筑

图16 保留高细节的简模

②使用Polygon模型进行模型制作。先创建一个box几何形体，再把box转化为Polygon模型，以DWG文件为标尺对Polygon模型进行挤压和桥接等命令，制作出建筑物每个方向的平面模型，把各个平面模型进行相应的优化，之后合并成模型。

③拆分UV。将模型导出为obj格式文件，然后,打开UVlayout插件，利用UVlayout 的UVW模块对模型进行拆分，把模型转化为平面UV，之后再次保存obj格式文件。

④导出UV。在3ds Max中利用其UV展开模块把UV转换为PNG图格式进行导出。

⑤贴图制作。使用Photoshop打开导出PNG图片，把收集的素材与模型UV进行优化和拼接。

⑥验证仿真效果。对比仿真实时渲染画面与真实拍摄画面，修正仿真模型，如图17所示。

图17 近红外目标的仿真模型和真实图片

3 结论

制导炸弹半实物仿真试验的目的是在实验室动态检测导引头的识别、跟踪仿真目标的性能，目标模拟器动态、逼真地显示了虚拟的目标及其环境背景，使导引头在近似实战的环境中完成对目标识别、跟踪，检验其性能。通过对近红外目标模型建模技术研究表明：运用仿真建模原理、理论、技术和流程，既可以建立环境、地形地物、近红外目标等静态模型，也可以建立天空背景、海天背景、雨雪特效等动态模型，使虚拟目标、环境背景更加近似实际战场的目标与环境背景；以驱动程序控制目标模拟器，动态、实时地显示模型及其背景，透射到导引头上，可以逼真地仿真导引头识别、跟踪目标的实际过程。

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Technology of Modeling Near-infrared Region Target

ZHANG Peizhong1，HU Linting1，NING Jingui1，SU Weili2，ZHANG Peng1

(1.,137001,; 2.,137001,)

In order to check the attack accuracy of guided bombs, ahardware-in-loop experiment was conducted in the laboratory. The model simulating the near-infrared region target, which is inputinto the target simulating equipment,requires additional research. The seeker scans and tracks the target model. The process of a guided bombscanning, tracking, and attacking a targetwas simulated. Based on simulation principles, theories, and methods, the technologies forenvironmental modeling, including the particular effects of terrain and features such as modeling a sky background, sea background, rain,or snow in the near-infrared region target,wereresearched. Several static and dynamic simulation models were established, including the driving programs of the simulation. The simulation models are displayed dynamically and approximately. These models were used in the hardware-in-loop experiment for guided bombs.

near infrared region target，simulating，model

TN219

A

1001-8891(2017)07-0642-06

2016-12-03；

2017-07-03.

张培忠（1966-），男，研究员，研究方向为试验鉴定技术。

总装备部试验理论与技术研究项目。