基于OpenGL红外视景仿真研究

文章编号:1004Ο8820(2004)02Ο0129Ο06基于Open G L 红外视景仿真研究①娄树理1,杨咏东2,周晓东1(1.海军航空工程学院自动控制系,山东烟台264001;2.烟台大学光电信息科学技术学院,山东烟台264005)摘要:在建立目标三维温度场和红外辐射场的基础上,考虑相应的大气传输修正,提出了基于Open G L 的目标和背景模拟方法;简单介绍了基于Open G L 工具创建三维图形的步骤,并依据创建步骤对目标、背景模拟生成进行具体分析;借助于专业的CAD 软件对目标进行几何建模,并将计算的辐射亮度量化为灰度值进行渲染处理;依据数据库技术,选用合适实拍背景图像处理后纹理映射生成背景;并利用Open G L 的双缓存技术实现红外视景的动态生成.关键词:Open G L ;计算机成像;视景仿真;红外图像中图分类号:TP391 文献标识码:A红外成像制导提供了丰富的目标和背景信息,有利于目标的搜捕识别与跟踪,具有很强的抗干扰性能,特别是具有目标选择和命中点选择能力,是导弹精确制导的重要发展方向之一[1].红外成像制导技术与以往点源成像制导技术有本质的区别,检验设计中图像处理、图像识别、图像跟踪算法可行性,靠最后的靶场实验不可能进行全面的检验,需要加强对红外成像制导的仿真研究.目前所采用的红外成像半实物仿真有景像投影和信号注入式两种[2],不管那一种方式都是将红外场景图像信号提供给导引头的探测器或处理器部分,仿真的关键在于提供红外场景图像信号[3].红外场景可以用红外热像仪在现场拍摄获得,这样得到的图像最直接、最真实,无需作其它处理.但实际的气象条件多种多样,很难拍摄到各种气象条件下的目标的红外图像,要获得特定气象条件下外军目标的红外图像几乎是不可能的.另一种途径是:在理论和实验的基础上,建立目标及背景的红外理论模型,利用计算机技术生成反映实战情况、各种气象条件、各类背景、各种干扰情况、各种目标、各种运动轨迹的多目标红外图像,这种方法为获得红外图像提供了经济有效的手段,也是目前各国重点研究的方法.计算机成像仿真可以采用大型软件Multigen 与Vega 进行仿真,特别是目前Vega 具有红外软件包,使用方便,但需要大量的经费,并需要运行在专用图形工作站上,可移植性不强.本文基于Open G L 工具,在建立目标三维温度场和红外辐射场的基础上,考虑相应的大气传输修正,并采用背景图像数据库技术,利用PC 机在Visual C ++环境下对红外视景进行了仿真.①收稿日期:2003-09-09作者简介:娄树理(1976-),男,山东蒙阴人,在读硕士研究生,研究方向为光电制导、图像处理、红外图像生成.第17卷第2期烟台大学学报(自然科学与工程版)Vol.17No.22004年4月Journal of Y antai University (Natural Science and Engineering Edition )　Apr.2004　1　Open G L 简介Open G L 即开放性图形库(open graphics library ),是SGI 公司推出的一个三维的计算机图形和模型库.Opne G L 已发展成为性能优越的开放式三维图形标准,可以创作出具有照片质量的、独立于窗口系统、操作系统和硬件平台的三维彩色图形和动画.Open G L 包含几百个用于3D 图形操作的函数,主要提供物体的绘制、各种变换、光照处理、着色、反走样、融合、雾化、图像的操作、纹理映射以及动画等.基于Open G L 创建一个三维图形的基本步骤大体可以包含以下4个主要环节[4]:(1)对物体进行建模,包括几何建模和行为建模;(2)设置视点,描述观察者的空间位置;(3)设置环境,如设置光源、空气能见度等;(4)光栅化,将景物模型的各种信息转换至计算机屏幕上的像素.图1　Open G L 基本图形操作过程从几何造型的建模到动画生成的全部过程中,Open G L 要求所有的几何图形都用几何顶点来描述,几何顶点数据经过求值器和顶点计算和操作后,光栅化形成图形片元;对于像素数据,像素操作结果存储在纹理组装用的内存中,再象几何顶点那样光栅化形成图形片元.最后,图形面元经过一系列的逐个顶点操作后,像素值送入帧缓存中实现图形的显示.图2是Open G L 基本操作的工作流程描述[5]:图2　Open G L 的工作流程2　红外视景生成的基本方法由于红外场景的特殊性,场景图像的生成不仅要考虑目标、背景及干扰的物理特性、辐射特性、运动特性等,还要考虑到武器系统、大气、环境等的复杂性、多变性,因此生成动态的红外场景相对来说具有一定的难度.在VC 环境下使用Open G L 对红外视景仿真主要包括目标模拟、背景模拟、视景图像生成几部分.2.1　目标模拟・031・烟台大学学报(自然科学与工程版)第17卷　2.1.1　目标建模　三维实体建模是整个图形学的基础,要生成高逼真度的图像,首先要生成高质量的三维实体模型.Open G L 提供了一系列的函数以绘制点、线、多边形、曲线、曲面等基本图元,然后利用基本图元按照一定的空间位置形成复杂的几何物体.采用这种方法对于形状简单的物体是较为容易的,但对于军舰、飞机等形状复杂的物体,单纯利用这种方法其工作量是非常大的,而且不可能一次性的在内存中编写所有绘图语句,不是有效方法.本文借助专业的建模软件3DS MAX 进行建模,然后通过Open G L 函数在程序中进行绘制模型,建模逼真度高且简单,易控制.3DS MAX 是专业的三维建模、渲染和动画制作应用软件包,并且是一个中型软件,可以在PC 机上工作,又能达到工作站级的性能和特征,在节省大量工作量的同时能达到较好效果.程序读取3D 模型文件时考虑到Open G L 直接读取模型数据较为繁琐,因而使用软件polytrans 进行转换,该软件不仅将模型顶点数据转换到C 文件中,还可以根据需要将法线向量、纹理坐标、模型的颜色信息及材质、光照及其它渲染、动画信息均转换到C 文件中.转换的模型数据是以数组存储顶点,然后根据顶点和法线(或者颜色、纹理坐标)来填充Open G L ,绘制较为容易.2.1.2　计算目标的温度场和红外辐射场　在红外视景仿真中目标的红外辐射特性是最重要的属性,物体温度和红外辐射特性是整个仿真的关键.在建立目标几何模型之后,还必须赋以一定的灰度值来表示目标的红外辐射特征,形成目标的零视距离辐射图.确立目标的辐射图是一个较为复杂的处理过程,需要确立目标的温度场和红外辐射场.在确立目标的温度场和红外辐射场时,分别考虑外界环境(太阳、天空、海面、大气等)对目标的辐射、对流,以及目标内部热源、本身各部分之间的辐射、传导、对流等各种相互作用,建立较为完善的目标红外物理模型,并使用辐射角系数的面元温度计算方法计算出目标各部分的温度分布.计算出目标温度之后,下一步就要根据温度分布计算目标的辐射亮度.采用普朗克定律等红外公式,在给定波段上进行积分计算求得辐射亮度,这个辐射亮度是没有考虑目标与探测器之间的大气传输过程中透过率和程辐射,也就是零视距离辐射亮度.大气传输中的透过率和程辐射可以通过理论公式计算获得,但是这种方法考虑的大气因素毕竟是有限的,所以难以保证足够的精度.在实际系统设计中采用LOWTRAN7进行计算,LOWTRAN 是主要适用于低、中频谱分辨率的大气传输模型,考虑了雾、能见度、气温、相对湿度、云层高度、地理经纬度、日期和一天中的时间等天气与环境因素,并且具有足够的精确度、速度和分辨率.设目标所在处大气到达探测器的的辐射亮度为B ,透过率为τ,零视距离辐射亮度为J ,这样目标到达探测器的辐射亮度D 就可以由下式得到D =J τ+B.(1)2.1.3　灰度量化　对红外图像的模拟是采用可见光图像模拟红外图像,图像的灰度值代表辐射亮度,因此需将计算出的辐射亮度量化成灰度值.Jonathan Michel 和N.Nandhakumar 采用一种非均匀量化方法[6],其方法是建立目标表面温度和灰度等级之间关系式,能够得到准确的热像图,缺点是这种方法是没有考虑大气吸收作用效果.为简单处理,本文采用均匀量化的方法,这种方法主要考虑的是辐射亮度和灰度是线性关系.这种方法首先确定图像灰度的上下限,由于图像反映的是图像中目标及背景的各像素点相对灰度值,因此重要的是把握灰度范围,而上下限并不很重要.设下限为G min ,上限为G max ,则灰度范围为Grange =G max -G min .然后找出每帧图像中最大辐射亮度值R max 和最・131・　第2期 娄树理,等:基于Open G L 红外视景仿真研究小辐射亮度值R min ,并计算出每级灰度对应的辐射间隔r :r =R max -R min Grange .(2) 最后,计算各辐射亮度值对应的量化灰度级G =R -R min r +G min ,(3)并取整即可.将量化的灰度赋给目标各部分即可获得目标的红外模拟图像.2.2　背景模拟2.2.1　背景模拟方法　对于背景的模拟是比较复杂的,一方面不同背景具有不同的几何外形,另一方面其红外特性也较复杂.通常的模拟方法是采用与目标模拟相似的方法[7],利用计算机CAD 技术生成背景几何视图,然后计算背景的温度分布,然后赋以背景几何视图灰度值,得出背景图像的零视距离辐射图.这种方法能生成各种背景,适应性强,但工作量大,而且图像相对粗糙.因为本文仿真的是红外图像,红外图像的最大特点是温度信息的反映,而不是强调的视觉信息,同时考虑到图像生成的实时性,采用实拍背景图像处理的方法来生成场景中的背景.对实际外场获得的真实红外图像进行编辑处理,去除其中无用的目标,去除探测器作用及大气作用效果的影响等,反推至红外背景图像的零视距辐射图,然后将目标与背景图像进行合成.由于合成时气象等条件要求严格一致性,并考虑到背景图像序列的有限以及红外辐射传输路径上的大气作用,对背景红外图像的缩放、插帧和灰度调整等处理,处理后使用Open G L 纹理映射生成红外背景.2.2.2　背景图像数据库建立　由于在红外图像仿真中根据不同的地理、气候、天气等条件需要不同的背景图像,因此需要事先将用红外摄像仪拍摄的红外图像保存、管理,采用人工操作非常繁琐,在此需要建立背景图像数据库.数据库采用关系型数据库结构,并根据图像的特征加以分类,分类原则有多种,如:背景的类型:天空、海洋、海天背景、陆地等;图像采集的条件:采集时间、季节、气象等;红外波段:3～5μm ,8～12μm ;图像的数字特征:对比度、尺寸、形状等.由于背景图像包含的信息非常丰富,因此数据库要能根据各种分类参数信息进行多级检索,检索出的一幅或一类背景图像可以预览,根据实际需要进行选择.2.3　场景的视景转换将目标模型数据读入并置于场景合适位置,根据用户输入的气象条件、距离等信息选择合适的背景图像文件读入并加以处理,在场景中合适位置绘制一矩形区域,将背景图像作为纹理贴图,实现对背景的模拟.为了观察场景中的模型,需要Open G L 进行视景转换,包括视点转换、模型转换、投影转换和视口转换[8],以将三维物体以二维平面的形式表示出来.视景转换时主要采用gl Translate 3()、glRotate 3()和glScale 3()函数进行模型转换,glFrus 2tum 3()、gluPerspective 3()和glOrtho 3()函数进行投影转换,视点转换必须在模型转换之前,投影转换和视口转换可以在绘图之前任何时候指定.经过上述转换之后,目标及背景就显示在二维场景图像中合适位置,进行隐藏面摘除之・231・烟台大学学报(自然科学与工程版)第17卷　后,场景就形成了,但需要进一步渲染处理.2.4　场景的渲染及动态场景的生成绘制三维场景的关键在于处理光照和材质,不同的光照和材质将会生成各种各样的效果.由于红外图像在人眼中没有色彩信息,仅是灰度的反映,因此在红外图像的生成中对于目标采用白色的发射光进行渲染,发射光的强度就是其对应点的灰度值,并设置目标的材质属性为辐射属性.要真实地仿真战场环境,就得考虑目标的各种运动规律,在Open G L 三维场景中,要描述目标的运动,可以有三种方法:一种是目标运动,摄像机不动;一种是目标不动,摄像机运动;再一种是目标和摄像机都运动.运动仿真采用模型转换以及视点转换即可实现.仿真场景确定之后,根据导引头视线方向对场景中的目标渲染之后,形成一幅由目标和背景组成的静态图像,但仿真中需要的是动态的图像.Open G L 提供了双缓存技术,双缓存技术提供两个缓存区,在显示一帧画面时,同时也要进行计算下一帧图像中目标的位置,并将计算出的灰度赋给目标各部位,绘制图像到缓存区,交换缓存区,绘制第三帧图像,如此反复可以达到画面的连续、平滑显示,利用视觉的暂停,形成动态效果.动画过程中,每一帧图像中目标的位置、各个部位的灰度都是计算机实时赋予的,因此动画过程可认为是一个实时的过程.仿真程序设计流程如图3所示.图3　仿真程序总流程3　结　论采用基于Open G L 技术的生成红外图像作为红外成像仿真的视景信号基本能够达到要求,对于信号注入式仿真则需要考虑光电传感器的模拟问题,当然,实际中也存在一些问题,・331・　第2期 娄树理,等:基于Open G L 红外视景仿真研究干扰的模拟问题等,需要今后进一步研究.参考文献:[1]　沈同圣,周晓东,任建存.红外成像制导系统试验方法研究[J ].激光与红外,1999,29(1):38～41.[2]　Buford A J ,K ing D E ,Bowden M.Low cost real 2time IR scene generation for image projection and signalinjection[A ].Part of the SPIE Conference on Technologies for Synthetic Environments :Hardware 2in 2the 2Loop Testing Ⅱ[C].Orlando :SL ,1997,3084:48～57.[3]　王学伟,张卫国,沈同圣,等.飞机目标动态红外图像的计算机生成[J ].红外与激光工程,1999,28(2):21～24.[4]　吴家铸,党岗,刘华峰,等.视景仿真技术及应用[M ].西安:西安电子科技大学出版社,2001.56～76.[5]　和平鸽工作室.Open G L 高级编程与可视化系统开发(高级编程篇)[M ].北京:中国水利水电出版社,2002.1～164.[6]　Jonathan M ,Nandhakumar N.Unified 3D models for multisensor ima ge synthesis[J ].Graphical Modelsand Image Progressing 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target simulating ,the geometry model is constructed with pro 2fessional CAD software ,and target ’s temperature and radiance are computed.In background simulating ,the background images are selected from the database to generate the required background.Dynamic IR scene is generated with the double buffered technology.Key words :Open G L ;computer image generation ;scene simulation ;IR image(责任编辑　苏晓东)・431・烟台大学学报(自然科学与工程版)第17卷　。