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典型目标场景的红外成像仿真研究

作　者: 江照意
导　师: 彭群生
学　校: 浙江大学
专　业: 计算机图形学
关键词: 红外成像仿真典型目标红外真实感建筑物桥梁水面铁路轨道红外阴影红外大气传输模拟探测器效应模拟
分类号: TN219
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

红外成像制导具有在黑暗环境中目标识别能力强、能夜间打击目标、制导精度高和很强的抗干扰能力等特点，已成为现代精确制导武器的重要组成部分。在红外成像制导武器的研制过程中，需要提供大量的各种场景的红外图像作为输入进行测试。然而，现场实拍得到的只是当时气象条件下的红外图像，并不能表达其它气象条件下的红外场景，若全部实拍需要耗费很长的时间及大量的人力物力，况且许多军事目标是无法拍摄到的。而红外成像仿真技术可为解决这类问题提供一种极为有效、经济的途径，对现代精确制导武器的开发和研制来说具有十分重要的意义。本文围绕典型目标场景的红外成像仿真，对建筑物、桥梁／水面和铁道等典型目标场景红外成像热模型的建立及其场景的红外图像绘制、红外热像系统自动增益和偏移的调整及其大气传输和红外成像系统效应的模拟展开深入的研究。与传统方法不同的是，我们综合了传热学、红外物理和计算机图形学等学科的相关知识，着眼于红外成像仿真的热模型的建立和红外真实感绘制，并利用图形硬件(GPU)进行高质量的快速仿真。在本文的第二章中，我们对建筑物场景的红外真实感成像进行了探讨。根据能量守恒定律建立建筑物外表面的热量平衡方程，采用有限容积法求解外表面的温度场，提出了一个基于物理的红外仿真热模型；在图像分割和红外材质库的基础上，提出了一种由可见光图像生成红外纹理图像的方法；根据红外辐射的原理，重点考虑太阳辐射的影响，把问题简化为固定轨道上的线性光源的光照问题，采用遮挡区间预计算和GPU加速，提出了一种有效的建筑物场景的红外阴影快速绘制算法。桥梁目标的红外特征分析在军事交通领域具有特别重要的意义。本文第三章通过分析桥梁的热过程，使用有限容积法建立桥梁的热平衡方程，经过附加源项和局部线性化处理，得到一个具有统一形式的离散线性方程组，采用交替方向隐式方法(ADI)求解温度场，生成桥梁的红外图像；考虑了水体本身的吸热(或放热)和有效发射率的方向性，提出了一个改进的水面红外辐射计算模型，利用JONSWAP功率谱模型获取水面的高度场，提出了一个基于“不变网格映射”的GPU加速绘制算法，生成桥梁和水面场景的红外合成图像，从而实现了桥梁和水面场景的红外成像仿真。铁路轨道目前仍是交通运输的大动脉，而考虑大气传输和成像系统效应的铁路场景红外成像仿真的研究尚很少有人涉及。本文第四章的前半部分我们分析了影响钢轨发射率大小的因素，提出了一个简化的铁道温度场计算模型，根据发射率的方向性绘制出铁路场景的红外图像；并采用基于温度窗的控制方法，用来模拟红外热像系统随场景变化而自动调整增益和偏移，以使高动态范围的红外图像能进行自适应显示；本章的后半部分，提出了一个基于预计算和MTF相结合的红外辐射大气传输模型，模拟大气的衰减和模糊效应；并采用基于调制传递函数的方法模拟光学系统和探测器的效应。在本文的最后，作者对本文的研究工作进行总结，并提出进一步的研究方向。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-32
  1.1 红外成像技术  10-15
    1.1.1 红外成像概述  10-12
    1.1.2 红外成像发展历史  12-15
  1.2 红外成像系统  15-19
    1.2.1 红外探测器  15-17
    1.2.2 红外成像系统组成与分类  17-18
    1.2.3 系统性能度量  18-19
  1.3 红外成像仿真  19-29
    1.3.1 原理与分类  20-21
    1.3.2 国外发展现状  21-27
    1.3.3 国内研究现状  27-29
  1.4 本文的研究工作及内容组织  29-32
第二章建筑物场景的红外成像仿真  32-54
  2.1 引言  32-33
  2.2 建筑物的红外仿真热模型  33-39
    2.2.1 传热过程分析  33-35
    2.2.2 控制方程  35
    2.2.3 边界条件  35-36
    2.2.4 温度场求解  36-39
  2.3 基于图像的红外纹理生成  39-46
    2.3.1 生成方法分类  40
    2.3.2 可见光图像分割  40-43
    2.3.3 建立红外材质库  43-44
    2.3.4 红外纹理生成  44-46
  2.4 建筑物场景的红外真实感绘制  46-52
    2.4.1 红外辐射及其探测  47-48
    2.4.2 基于遮挡区间的红外阴影生成  48-51
      2.4.2.1 阴影绘制的主要算法  48-49
      2.4.2.2 红外阴影的绘制算法  49-51
    2.4.3 结果分析  51-52
  2.5 小结  52-54
第三章桥梁与水面场景的红外成像仿真  54-76
  3.1 引言  54-56
  3.2 桥梁的红外成像仿真  56-65
    3.2.1 简化模型  56-57
    3.2.2 控制方程与定值条件  57-58
    3.2.3 边界条件  58-59
    3.2.4 运行车辆的影响  59-61
    3.2.5 温度场求解  61-62
    3.2.6 绘制红外图像  62-63
    3.2.7 结果分析  63-65
  3.3 水面的红外真实感成像  65-74
    3.3.1 水面的几何建模  66-68
    3.3.2 水面的温度模拟  68-70
    3.3.3 水面的红外辐射  70-71
    3.3.4 水面场景的红外真实感绘制  71-73
    3.3.5 实验结果  73-74
  3.4 小结  74-76
第四章考虑大气传输和成像系统效应的铁道场景红外成像仿真  76-98
  4.1 引言  76-77
  4.2 铁道的红外仿真模型  77-84
    4.2.1 钢轨的发射率  78-80
    4.2.2 铁道的热模型  80-81
    4.2.3 高动态范围的显示  81-83
    4.2.4 实验结果与讨论  83-84
  4.3 大气传输的效果模拟  84-91
    4.3.1 大气传输软件简介  85-86
    4.3.2 大气传输的物理基础  86-87
    4.3.3 大气传输的效果模拟  87-89
      4.3.3.1 基于预计算的衰减模拟  87-88
      4.3.3.1 基于 MTF的模糊效应  88-89
    4.3.4 实验结果  89-91
  4.4 红外成像系统效应模拟  91-95
    4.4.1 光学系统效应  92-93
    4.4.2 探测器效应  93-94
    4.4.3 实验结果  94-95
  4.5 小结  95-98
第五章总结与展望  98-100
  5.1 本文工作总结  98
  5.2 未来工作展望  98-100
参考文献  100-112
作者在攻读博士学位期间完成的论文  112-114
致谢  114

典型目标场景的红外成像仿真研究

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