基于OSG的红外动态场景仿真

Before simulating infrared images, we should divide scenes into different parts based on their textures, and then map special texture to each part separately. In our system, the material library of famous infraredsimulation software VEGA is used, which includes 161 different textures. These textures are classified into twelve classes, such as metal, construction, and vegetation, etc. Textures in daily life are all included in this library, and each texture has properties like emissivity and reflectivity. this band mainly consists of scattering solar radiation.In the band from 3um to 4um, radiation mostly comesfrom the sky itself.When transferring through the air, solar radiation is scattered by the air and this radiation is basically influenced by factors of observing elevation, solar elevation, atmosphere depth and cloud.The radiation from sky itself always exists, and playsan important role in sky radiation. It is usually influenced by the factor of meteorological condition,ground environment temperature, observing elevation.In the formula, τ1(λ), τ2(λ), and τ3(λ) stand for attenuation caused by molecule absorption, molecule scattering, and weather. Water vapor, which mainlyexists under 3 kilometers altitude, absorbs most infrared wave. Carbon dioxide is only 0.03~0.05% inatmosphere, however, it is another important factor in absorption. Infrared wave in the air also scatters under the affection of molecule and particle. The scattering affected by molecule can be calculated through formula, but scattering affected by particle depends on weather condition. When frog, rain or snow comes, particles in these weather conditions have an effect on scatteringand lead to attenuation. Combining these factors, we get the attenuation ratio.In this paper, we use LOWTRAN and MODTRANsoftware to calculate the atmosphere attenuation ratio. LOWTRAN, developed by The United States Air ForceEarth Physics Laboratory, is used to calculate averagetransmittance of and radiation brightness of low frequency spectrum resolution ratio system. Thesoftware is compiled by FORTRAN and has advantagesof fast calculation and detailed results, but it is limited by its molecular spectral bands model; its accuracy will decrease in high altitude. For this reason, LOWTRANis usually used in calculating atmosphere attenuation in lower atmosphere. MODTRAN software improvesLOWTRAN spectral resolution from 20 cm-1 to 2 cm-1. MODTRAN retains the model structure ofLOWTRAN, and can support high altitude condition.Output of MODTRAN is also similar with that of LOWTRAN. Three parameter sets are important to MODTRAN: atmosphere model, aerosol model, andparticulate extinction1) Atmosphere Model. Atmospheric spectral transmittance and radiance model requires adequate description of local thermal and environment constituent. A database consisting of realistic verticalprofiles for temperature and gas mixing ratios has been designed for such models. Its thermal structure is represented by a subset of the 1966 Atmospheric Supplements (tropical (15N), middle latitude (45N)summer and winter, subarctic (60N) summer and winter) and the U.S. Standard Model Atmosphere, 1976. The accompanying volume mixing ratio profiles rely on current measurements and/or theoretical predictions.2) Aerosol Models. The aerosol models built intoMODTRAN have been completely revised from theearlier versions of the LOWTRAN code. Earlierversions of LOWTRAN (earlier than LOWTRAN 5)used the same model of aerosol composition and size distribution at all altitudes, simply changing the concentrations of the aerosols with height, which means that the wavelength dependence of the aerosolextinction was independent of altitude.3) Division of Atmosphere. The variation of theaerosol optical properties with altitude is now modeledby dividing the atmosphere into four height regionseach having a different type of aerosol. These regions are: boundary or mixing layer (0 to 2 km), the upper troposphere (2 to 10 km), the lower stratosphere (10 to 30 km), and the upper atmosphere (30 to 100 km).4) Particulate Extinction. Particulate extinctionfocuses on rain model. The rain model described in this section is chosen because it is able to relate the transmission over a given path to meteorological parameter. This parameter is the rain speed in mm/h, reported by worldwide weather stations every six hours. Set goals and detector of atmosphere backgroundradiation as B, set radiation emission emitted by target itself as E, and set transmittance as τ. Then we can get the radiation on infrared detector:After passing through the atmosphere, infraredradiation will reach the detector. The infrared radiation will be transferred into the grayscale image. When modeling the infrared detector, we should consider effective optical caliber, exposure time, quantumefficiency, transmittance, charge/voltage transform coefficient, and normalized voltage. Then we could getthe radiation on focal plane, and then transfer it into the gray image. We assume the relationship of radiationand gray level is linear [6] for simplicity.外文文献译文 xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxx红外场景实时仿真xxxxxxComputer Science, Graduate School of Arts and Science, New York University, New York, NY, USAEmail:摘要：一种实时红外视景仿真方法呈现。

本科毕业设计说明书（论文）（2017届）论文题目基于Unity3D的红外场景仿真系统设计与开发作者姓名黄可蒙指导教师张繁学科(专业) 软件工程所在学院健行学院提交日期2017年6月摘要随着计算机性能水平的提高以及3D仿真技术的发展，红外成像仿真技术在红外成像系统性能评估，军事模拟训练，灾害救援演习，游戏视觉体验以及其他军事和民用领域具有重要的应用价值。

但是，由于计算机硬件和软件等多方面的条件限制，针对大场景的红外成像仿真系统在适用性和准确性等方面存在较多问题，而其在国防军事的红外制导模拟训练等方面具有重要的应用价值，故此针对大场景，即同时仿真海陆空以及多种地形地貌，针对不同季节时间条件下的仿真系统具有重大意义。

本文通过对红外物理基础理论和自然场景仿真理论的研究，在前人红外成像仿真的研究基础上，整合了海洋陆地红外成像仿真场景，更正修改了部分数学计算模型，使得仿真结果更为精确，同时，利用当下流行的GPU编程语言，通过GPU 编程，对仿真算法进行并行加速计算，在此基础上实现新的红外仿真计算架构：以基于红外特性的物理材质为仿真单位，借助GPU的并行计算能力，在GPU中，对不同场景对象多角度下的红外辐射灰度进行并行计算。

通过该计算框架，可以构建包含多种目标对象的红外场景，包括植被，房屋建筑以及舰船，并且在不低于三十个目标对象的前提下保证仿真系统的实时性。

利用功能强大的Unity3D游戏引擎，完成仿真场景编辑和实现仿真系统的逻辑功能，并实现场景的实时渲染。

通过对重建的三维场景的仿真效果图与实地拍摄的真实的红外场景图像进行比对分析，表明该仿真系统能够高效动态实现多种条件下的较为可信的红外仿真视景。

关键词：红外成像，实时仿真，大场景，计算架构，对比分析ABSTRACTWith the improvement of computer performance and the development of 3D simulation technology, infrared imaging simulation technology has important application value in infrared imaging system performance evaluation, military exercise, disaster rescue exercise, game visual experience and other military and civilian fields. However, due to the limitations of computer hardware and software, the infrared imaging simulation system for large scenes has many problems in applicability and accuracy, and it is important in the infrared guidance simulation training of national defense and military Application value, so for large scenes, that is, at the same time simulation of land, sea and air and a variety of topography, for different season time under the conditions of the simulation system is of great significance.Based on the research of infrared physics basic theory and natural scene simulation theory, this paper integrates the simulation scene of marine terrestrial infrared imaging on the basis of previous research on infrared imaging simulation, and corrects some mathematical calculation models to make the simulation result more accurate. At the same time, using the popular Cg programming language, through the GPU programming, the simulation algorithm is optimized. Thus, a new infrared simulation computing architecture is realized, which can build infrared scenes that contain multiple audiences, including vegetation, housing, and ships, and ensure the real-time performance of the simulation system without less than thirty objects.Utilize the powerful Unity3D game engine to complete the simulation scene editing and realize the logic function of the simulation system and realize the real-time rendering of the scene. By comparing the simulation results of the reconstructed 3D scene with the real infrared scene images recorded in the field, it shows that the simulation system can realize the more reliable infrared simulation scene under various conditions.Key words: infrared imaging, real-time simulation, large scene, computational architecture, comparative analysis.目录摘要 (I)ABSTRACT (II)目录 (III)图目录 (V)表目录 (VI)第一章绪论 (1)1.1 研究工作的背景与意义 (1)1.2 相关工作 (1)1.3 本文的主要贡献与创新 (3)1.4论文组织结构 (4)第二章红外基础物理和数学模型的研究 (5)2.1 引言 (5)2.2 理论背景 (5)2.2.1 辐射的基本概念 (5)2.2.2 红外辐射规律 (5)2.2.3 黑体辐射 (6)2.2.4 傅立叶定律 (7)2.3 零视距离辐射计算模型 (7)2.3.1 自身辐射 (7)2.3.2 反射辐射 (12)2.3.3 热平衡方程 (12)2.4 大气传输模型 (14)2.5 设备仿真模型 (15)2.5.1 成像模糊模型 (15)2.5.2 成像噪声模型 (16)2.6 海洋仿真模型 (17)2.6.1 海面波形仿真 (17)2.6.2 海面折射和反射的仿真 (19)2.6.3 海面浪花仿真 (21)2.6.4 开尔文尾迹仿真 (22)2.7 热源仿真模型 (22)2.7.1 热源设置 (23)2.7.2 效果渲染 (23)2.8 本章总结 (25)第三章相关技术点概述分析 (26)3.1 系统逻辑架构 (26)3.1.1 数据逻辑 (26)3.1.2 系统功能概述 (28)3.2 场景组织 (29)3.2.1 Unity3D功能概述 (29)3.2.2 场景编辑 (30)3.3 场景渲染 (31)3.3.1 渲染流水线 (31)3.3.2 顶点着色器 (33)3.3.3 像素着色器 (34)3.4 本章小结 (34)第四章仿真系统实现和结果分析 (35)4.1 仿真系统实现 (35)4.1.1 算法实现 (35)4.1.2 地形红外仿真 (36)4.1.3 目标对象红外仿真 (39)4.2 仿真结果分析 (39)4.3 真实结果对比 (43)4.4 本章小结 (45)第五章全文总结与展望 (47)5.1 全文总结 (47)5.2 后续工作展望 (48)参考文献 (49)致谢 (52)图目录图2 - 1太阳运动轨迹示意图 (9)图2 - 2光波频率大气透过率分布图 (14)图2 - 3模糊效果总体流程图 (15)图2 - 4模糊效果图 (16)图2 - 5噪声算法流程图 (16)图2 - 6白噪声贴图 (17)图2 - 7噪声效果图 (17)图2 - 8海面波形图 (19)图2 - 9海面折射算法流程图 (19)图2 - 10海面反射算法流程图 (20)图2 - 11海面反射折射效果图 (21)图2 - 12海面浪花效果图 (22)图2 - 13立体相机结构示意图 (23)图2 - 14仿真热源贴图 (24)图2 - 15热源仿真效果图 (25)图3 - 1数据逻辑流程图 (26)图3 - 2系统功能概述图 (28)图3 - 3地形高度效果图 (31)图3 - 4相机视锥体示意图 (32)图4 - 1热平衡方程求解源码示例图 (35)图4 - 2系统实现流程图 (36)图4 - 3地形贴图编辑界面图 (37)图4 - 4地形splat纹理贴图 (37)图4 - 5多材质地形红外仿真效果图 (38)图4 - 6放置热源对象模型效果图 (39)图4 - 7轿车正午红外场景仿真侧视图 (40)图4 - 8轿车午夜红外场景仿真侧视图 (40)图4 - 9轿车午夜红外场景仿真正视图 (41)图4 - 10舰船海面红外尾迹仿真效果图 (41)图4 - 11长时间行驶坦克红外效果图 (42)图4 - 12长时间静止状态坦克红外效果图 (42)图4 - 13向阳面建筑表面红外效果图 (42)图4 - 14深夜0:00时实拍（左）与仿真（右）红外图像对比图 (43)图4 - 15凌晨4:00时实拍（左）与仿真（右）红外图像对比图 (43)图4 - 16早上8:00时实拍（左）与仿真（右）红外图像对比图 (43)图4 - 17正午12:00时实拍（左）与仿真（右）红外图像对比图 (43)图4 - 18傍晚16:00时实拍（左）与仿真（右）红外图像对比图 (44)图4 - 19夜晚20:00时实拍（左）与仿真（右）红外图像对比图 (44)图4 - 20水泥地24小时温度变化仿真实测对比图 (44)图4 - 21草地24小时温度变化仿真实测对比图 (45)图4 - 22车门24小时温度变化仿真实测对比图 (45)表目录表2 - 1风速对照表 (11)表2 - 1风速对照表（续） (12)表2 - 2 MODTRAN不同条件下大气透过率计算值表 (14)表3 - 1红外特性参数表 (26)表3 - 1红外特性参数表(续) (27)第一章绪论1.1 研究工作的背景与意义当物体温度大于绝对零度的时候，物体就会对外产生红外辐射，即向外发射红外电磁波，红外电磁波是电磁波中，波长范围介于可见光波和微波之间的电磁波，波长范围大约是0.76~1000μm。

基于可编程GPU的红外场景仿真实现
孙毅;戴树岭
【期刊名称】《系统仿真学报》
【年(卷),期】2007(19)7
【摘要】针对以前红外仿真方法细节差、实时性不高等技术难点,提出了一种新的红外物理模型实现方法。

该方法将物理信息与物体的几何模型顶点绑定,提高了对红外场景的描述细节。

该方法对物理模型的计算在CPU与GPU之间进行了分配,充分利用了可编程GPU的强大运算能力,有效提高了红外场景生成的实时性。

讨论了几种典型探测器效应的添加方法。

使用仿真图像来说明所提出方法的有效性,同时分析了该方法的优缺点。

【总页数】5页(P1492-1496)
【关键词】红外场景仿真;物理模型;可编程GPU;计算机成像
【作者】孙毅;戴树岭
【作者单位】北京航空航天大学先进仿真技术航空科技重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于GPU的实时红外场景仿真系统研究 [J], 黄曦;陈伟;张建奇
2.利用可编程GPU实现大规模地形场景的高性能漫游 [J], 刘浩;赵文吉;段福洲;宫辉力;曹巍;管先祥;潘李亮
3.基于可编程GPU的三维地形场景中树的渲染优化技术 [J], 韦婷;黎展荣;侯能;孔令麒
4.基于同构有向图的电网多场景仿真GPU批量并行加速方法 [J], 宋炎侃; 陈颖; 于智同; 刘正元; 黄少伟; 苏大威; 徐春雷
5.基于三维场景的红外成像仿真框架及实现 [J], 李晨阳;李立钢;杨震;倪伟
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

一种实时红外场景仿真方法研究的开题报告
引言：
红外仿真是现代红外技术应用领域中的一项重要技术。

它通过对红外特性进行模拟，能够大大缩短新产品研发周期，提高产品研发成功率。

目前，红外仿真技术已经在很多领域得到应用，比如红外成像、红外检测、红外遥感等。

由于红外仿真技术所使用的物理模型和算法十分重要，在实际应用中需要不断地研究和优化，以满足各种实际应用场景的需求。

本文主要研究一种实时红外场景仿真方法，通过对红外相机成像原理的分析，建立红外场景仿真模型，研究并优化实时仿真算法的实现方法，从而实现红外场景的即时仿真。

本论文的成果将可用于红外技术的教育培训、系统研发及应用等方面。

论文结构：
本文共分为五个章节，具体如下：
第一章：绪论，主要介绍论文研究的背景意义、目的、意义和研究现状。

第二章：红外场景成像原理分析，介绍红外相机的成像原理，包括热辐射定理、辐射计算、热传输计算等。

第三章：红外场景仿真模型建立，通过对不同红外目标的特征分析，建立多种红外目标模型，并构建出红外场景仿真模型。

第四章：实时场景仿真算法研究，介绍实时仿真所需要的基础知识和算法，并对仿真过程中可能遇到的问题及解决方法进行探讨。

第五章：实验与分析，通过实验验证实时仿真方法的可行性与有效性，并对研究成果进行分析和评估。

论文预期成果：
1. 了解红外场景成像的原理和应用；
2. 建立多种红外目标模型，包括有实物模型和计算机模型两种；
3. 优化实时红外场景仿真算法，实现红外场景的实时仿真；
4. 验证实时仿真方法的可行性和有效性，为红外技术的产品研发与应用提供支持。

基于OSG与Qt的FAST三维场景仿真基于OSG与Qt的FAST三维场景仿真随着科技的不断发展，三维场景仿真技术在军事、航天、电子游戏等领域得到了广泛应用。

其中，FAST（FastAnalysis and Simulation Toolkit）是一款基于开源软件OpenSceneGraph（OSG）和Qt的三维场景仿真工具包。

本文将对FAST进行详细介绍，并探讨基于OSG与Qt的FAST三维场景仿真的优势和应用。

一、FAST的功能和特点FAST是由美国航空航天局（NASA）开发的一款三维场景仿真工具，具有以下主要功能和特点：1. 开源性：FAST采用开源软件OpenSceneGraph作为三维图形渲染引擎，该引擎支持各种操作系统，如Windows、Linux和Mac OS，且具备较高的性能和稳定性。

2. 动态建模：FAST提供了一套丰富的3D建模工具和API，可以实现各种复杂场景的建模与编辑。

用户可以根据需要自定义模型材质、光照效果、纹理等属性，从而创建逼真的三维场景。

3. 物理模拟：FAST集成了多种物理引擎，如Bullet和ODE，可以进行各种物体的碰撞检测、动力学模拟和粒子效果展示。

通过这些功能，可以实现真实世界物体的运动与互动。

4. 脚本扩展：FAST支持Lua和Python等脚本语言扩展，用户可以通过编写脚本程序来实现更复杂场景的控制与交互。

这使得FAST具备了较高的扩展性和灵活性。

5. 跨平台界面：FAST使用Qt作为图形用户界面（GUI）库，可以在不同的操作系统上实现统一的用户界面，同时支持多语言和多分辨率显示。

二、基于OSG与Qt的FAST三维场景仿真的优势基于OSG与Qt的FAST三维场景仿真具有以下优势：1. 开发效率高：OSG和Qt都是成熟稳定的工具，具备丰富的文档和社区支持。

开发人员可以通过OSG的API和Qt的图形界面设计快速创建和编辑三维场景，同时使用Qt的界面设计器可以简化界面开发过程。

基于OSG的作业仿真设计【摘要】随着我国各项经济的发展，人们对主要用于工程建设的——挖掘机的自动化程度、安全性要求越来越高，传统的工作模式已经无法适应。

如用于垃圾清理场地、酿酒厂的挖掘机，由于其工作环境的特殊性，仅仅依靠摄像头作为操作人员的操作依据已经远远不够了，此时就需要一种不需要摄像头，又可以为操作人员提供操作依据的仿真技术。

本文以VS2008为开发平台，结合OpenSceneGraph（以下简称OSG）技术实现挖掘机的作业过程仿真功能。

本文以液式挖掘机为研究对象，构造了详细的挖掘机三维模型，采用一定的方法完成场景组织工作，接下来利用更新、回调技术完成挖掘机作业的仿真。

【关键词】OSG;作业仿真;更新回调1.挖掘机作业仿真系统体系框架挖掘机作业仿真系统的构建可以分以下几步完成：（1）对挖掘机作业环境进行建模，其中主要包括挖掘机、物料及其周围环境等对象的建模。

在建模过程中要根据对象类型的特性，选择不同的方法进行分别建模，然后再利用编写的加载模型的函数将其导入到虚拟场景中，最后再根据系统预设的每个模型的位置完成真个虚拟场景组织构建。

（2）获取挖掘机作业情况的运行参数，根据这些实际运动参数，实时绘制场景图形，实现对挖掘机作业过程的仿真。

现场挖掘机作业情况的运行参数，如回转支撑、铲斗以及履带等的位置、运行速度、方向等，可以通过软硬件系统的交互接口获取。

（3）通过以上两步就可以实现对挖掘机作业过程的仿真，若要进一步提高虚拟场景的渲染速度，就需要对场景内的不同模型进行合理的组织和管理。

另外为了增强虚拟场景的逼真程度，还需要采用碰撞检测等技术来达到此效果。

根据以上分析，绘制了作业仿真设计的体系框架，如图1所示。

图1 系统框架架构图2.挖掘机作业环境建模挖掘机作业环境建模就是利用相关技术生产和真实环境形状相似的虚拟场景，这个是实现作业过程的仿真的非常重要任务。

虚拟环境一般由三部分构成[3]：内容、几何特性以及动态特性。

科技成果——基于OSG的虚拟现实引擎系统
成果简介
基于Open Scene Graph（OSG）函数库的虚拟现实引擎系统，并且可以作为ActiveX控件嵌入浏览器中展示。

虚拟现实引擎系统整体框架分为虚拟引擎核心模块以及输入输出接口模块两个模块，其中，虚拟引擎核心模块实现数据动态加载、场景控制、场景漫游、特效仿真、模型行为仿真、运动目标管理、四维动画生成、视频动画输出等功能，该模块是系统开发的核心模块；输入输出接口模块将虚拟引擎核心模块所需数据组织转换为符合要求的格式，以及将实际展示所需数据组织转换为符合要求的格式这两个功能。

项目来源自行开发
技术领域虚拟现实
应用范围
城市规划、旅游仿真、水利电力、地产应用、虚拟矿山
现状特点
虚拟现实引擎系统以ActiveX控件形式，为用户提供三维虚拟展示功能提供技术支持。

包括：数据格式的组织转换、虚拟场景漫游、路径漫游、模型仿真、属性信息查询显示、模型的动态加载和协同工作以及四维动画展示功能等。

技术创新
（1）模型的动态加载以及多个模型的协同工作技术
（2）多个时间不同场景的动态连续加载技术
（3）作为ActiveX控件嵌入到浏览器中展示技术所在阶段小规模生产
成果知识产权发明专利申请
成果转让方式技术合作合资
市场状况及效益分析具有良好的市场前景。

红外动态场景仿真
高思莉;汤心溢
【期刊名称】《红外》
【年(卷),期】2004(000)012
【摘要】红外动态场景仿真技术是一种应用前景广泛的技术,通过对目标、背景、大气环境、光学系统和探测器效应的分析、表征和重建,生成各种条件下的高保真动态红外场景图像,为红外成像系统的性能评价和改进提供分析依据,对于提高系统的智能化、实用化具有极其重要的意义.
【总页数】6页(P11-16)
【作者】高思莉;汤心溢
【作者单位】中国科学院上海技术物理研究所,上海,200083;中国科学院上海技术物理研究所,上海,200083
【正文语种】中文
【中图分类】TN2
【相关文献】
1.基于DMD多波段动态红外场景仿真系统的关键技术研究 [J], 胡文刚;元雄;何永强;耿达;唐德帅
2.基于OGRE的动态红外场景仿真研究 [J], 林凯;黄曦
3.基于DMD的动态红外场景仿真技术研究 [J], 唐德帅;何永强;黄富瑜;王群;王国培
4.深空双波段红外动态场景仿真与目标分析 [J], 王霄;高思莉;李范鸣
5.便携式实时红外动态场景仿真器设计与实现 [J], 陈元林;汤心溢;于洋
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。