基于Vega的紅外圖像仿真

劉春雨，郭立紅，高 峰，王永偉

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033；

2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100039；3.空軍駐長(zhǎng)春地區(qū)軍事代表室，吉林長(zhǎng)春130012）

基于Vega的紅外圖像仿真

劉春雨1，2，郭立紅1，高 峰3，王永偉3

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033；

2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100039；3.空軍駐長(zhǎng)春地區(qū)軍事代表室，吉林長(zhǎng)春130012）

介紹了紅外成像仿真的基本理論，討論了利用Vega傳感器模塊將輸入的可見目標(biāo)圖像生成紅外圖像的技術(shù)。該技術(shù)使用Creator軟件進(jìn)行三維幾何建模和紋理映射，使用TMM軟件進(jìn)行紅外材質(zhì)建模；然后，用Mat軟件進(jìn)行大氣衰減的計(jì)算；最后，用SensorWorks軟件進(jìn)行傳感器特性建模，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換生成紅外圖像。以阿帕奇AH6直升機(jī)為例進(jìn)行了紅外圖像仿真，結(jié)果表明，利用Vega傳感器模塊進(jìn)行傳感器建模，建模效果較好，成本低，易于工程實(shí)現(xiàn)。

紅外圖像；紅外仿真；大氣衰減；熱輻射

1 引 言

紅外成像仿真的理論研究及實(shí)現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域都有著強(qiáng)烈的需求和應(yīng)用前景。在軍事領(lǐng)域，先進(jìn)紅外成像制導(dǎo)和紅外對(duì)抗設(shè)施的研制，軍用紅外成像探測(cè)設(shè)備的更新?lián)Q代，軍事目標(biāo)的偵察、監(jiān)視、預(yù)警與跟蹤，對(duì)隱身飛行器的探測(cè)，對(duì)威脅進(jìn)行紅外告警以及紅外通信、軍用夜視儀等都需要紅外技術(shù)的支持。在民用領(lǐng)域，國(guó)土資源的遙感和遙測(cè)，森林火災(zāi)的預(yù)防，農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況的紅外監(jiān)測(cè)，工業(yè)節(jié)能，設(shè)備熱故障診斷和野外作業(yè)人員的救生等也都廣泛應(yīng)用紅外技術(shù)。鑒于其廣泛的應(yīng)用前景，目前紅外成像技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究機(jī)構(gòu)的重要研究課題。

紅外成像仿真是根據(jù)目標(biāo)的紅外輻射特性，采用合適的數(shù)學(xué)模型，用計(jì)算機(jī)計(jì)算出紅外目標(biāo)的紅外輻射分布；然后，按照目標(biāo)與視點(diǎn)間的大氣條件，利用大氣傳輸模型計(jì)算目標(biāo)紅外輻射分布經(jīng)過(guò)大氣到達(dá)視點(diǎn)過(guò)程中的衰減；最后，模擬紅外探測(cè)器特性，計(jì)算探測(cè)器成像面元對(duì)應(yīng)像素的輻射度，再通過(guò)量化等手段，將輻射數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為亮度來(lái)顯示的一種技術(shù)。紅外成像仿真的具體實(shí)施主要包括以下幾個(gè)步驟［1］：（1）由場(chǎng)景（目標(biāo)、背景）的物理模型計(jì)算目標(biāo)的紅外輻射分布；（2）根據(jù)目標(biāo)與視點(diǎn)間的大氣條件，計(jì)算目標(biāo)紅外輻射分布經(jīng)過(guò)大氣到達(dá)視點(diǎn)過(guò)程中的衰減，即大氣衰減；（3）模擬紅外探測(cè)器的特性，做光/電轉(zhuǎn)換仿真，生成紅外圖像。

本文討論了利用Vega傳感器模塊將輸入的可見目標(biāo)圖像生成紅外圖像的技術(shù)，結(jié)果表明，利用Vega傳感器模塊進(jìn)行傳感器建模，具有效果好、成本低、易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

2 目標(biāo)輻射特性建模

物體表面每個(gè)面元的輻射值，即感知的輻射值為［2］：

式中，Lobserv表示物體表面每個(gè)面元所受到的所有輻射之和，Lsolar/lunar物體表面對(duì)入射的太陽(yáng)或月亮輻射的鏡面反射和漫反射，Lsky表示物體對(duì)天空輻射的反射，Ltherm表示物體自身的熱輻射，LSVpath表示物體與傳感器之間的路徑輻射和大氣對(duì)物體輻射的散射。各個(gè)輻射的計(jì)算公式如下：

在式（2）中Ldirect表示太陽(yáng)或月亮入射到物體表面的輻射量，θi表示入射到物體表面的輻射角，ρ表示物體表面的漫反射系數(shù)，fs表示物體表面到傳感器之間的大氣傳輸系數(shù)，τs為物體對(duì)輻射的反射角，Ns表示鏡面反射的歸一化系數(shù)。式（3）中Lamb表示天空背景入射到物體表面的輻射量，式（4）中Lbb表示物體表面某個(gè)面元等效的黑體輻射量。式（5）中，Φ（λ）表示傳感器的光譜響應(yīng)，LR2表示R2路徑上的輻射。

3 大氣傳輸模型

在場(chǎng)景和探測(cè)器之間，還存在著大氣對(duì)紅外輻射的作用，因此，到達(dá)探測(cè)器的輻射是場(chǎng)景的紅外輻射與大氣衰減共同作用的結(jié)果。大氣對(duì)紅外輻射的衰減主要與以下因素有關(guān)：大氣氣體分子的吸收；大氣中分子、氣溶膠和微粒的散射；因氣象條件（云、霧、雨、雪）的衰減。

大氣光譜透過(guò)率τa可表示為：

式中，τn（λ）、τp（λ）、τt（λ）分別為被吸收、散射、和因氣象衰減制約的大氣光譜透過(guò)率。

計(jì)算大氣衰減的方法很多，主要有經(jīng)驗(yàn)公式法和大氣模型法，目前精度較高的是美國(guó)的LOWTRAN模型。在Vega［3］中，使用MOSART Atmospheric Tool（MAT）［4］設(shè)定大氣傳輸模型，計(jì)算大氣透射率、大氣背景輻射、太陽(yáng)或月亮的直接輻射等。

4 紅外探測(cè)器模型

按照紅外熱成像系統(tǒng)的成像原理，紅外輻射首先通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)將所接收到的紅外輻射收集起來(lái)，經(jīng)濾波后匯聚到光學(xué)系統(tǒng)焦平面上，隨后探測(cè)器逐點(diǎn)處理景物的紅外輻射并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)，經(jīng)放大器處理后最終轉(zhuǎn)化為灰度值顯示出來(lái)。

4.1 成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)鏈［5］

傳遞函數(shù)用來(lái)定量描述輸出圖像與輸入圖像間的關(guān)系，客觀評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。它描述了系統(tǒng)對(duì)空間頻率信號(hào)響應(yīng)的特征函數(shù)，表征系統(tǒng)空間分辨能力的大小。假設(shè)光學(xué)系統(tǒng)為衍射限制系統(tǒng)，則紅外熱成像系統(tǒng)的總體響應(yīng)為各個(gè)成像環(huán)節(jié)光學(xué)傳遞函數(shù)的乘積，從而紅外熱成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)表達(dá)如下：

式中，Ho（f）為光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；He（f）為電子線路的傳遞函數(shù)；Hd（f）為探測(cè)器的傳遞函數(shù)。

4.2 成像系統(tǒng)的噪聲模型

由于紅外探測(cè)過(guò)程受到噪聲影響，特別是探測(cè)器產(chǎn)生的噪聲。因此要得到紅外仿真圖像，必須考慮探測(cè)器的噪聲。一般紅外探測(cè)器的噪聲可表示如下：

其中，Vj為熱噪聲，由器件的分子熱運(yùn)動(dòng)引起載流子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起；Vn為散粒噪聲，是由半導(dǎo)體器件中少量載流子擴(kuò)散不均勻引起的；Vf為1/f噪聲，其功率譜隨頻率呈反比變化；Vo為產(chǎn)生-復(fù)合噪聲，是由于晶格熱振動(dòng)引起載流子產(chǎn)生、復(fù)合的起伏造成的。

4.3 探測(cè)系統(tǒng)綜合模型

假設(shè)探測(cè)器噪聲服從均值為μ，方差為σ2的高斯分布，則探測(cè)器的綜合響應(yīng)模型可表示為：

式中，S（x，y）為探測(cè)器輸入信號(hào)；n（x，y）為探測(cè)器噪聲；F（x，y）為探測(cè)器最終輸出，即信號(hào)與噪聲之和與探測(cè)器傳遞函數(shù)Hs的卷積。

5 仿真過(guò)程和結(jié)果

紅外成像仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要進(jìn)行場(chǎng)景建模，這是紅外仿真的基礎(chǔ)，包括紅外模型，大氣模型，紅外材質(zhì)模型和背景輻射模型等；然后利用VEGE平臺(tái)渲染和驅(qū)動(dòng)模型，使所有的模型在場(chǎng)景中能夠?qū)崟r(shí)渲染驅(qū)動(dòng)；最后進(jìn)行用戶的功能設(shè)計(jì)，完成紅外圖像的生成。仿真系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

5.1 三維目標(biāo)建模［6］

模型是原型的模板，是對(duì)原型的模仿和描述。在仿真建模中，對(duì)模型主要有下面兩個(gè)要求：（1）精確性，指模型要能精確地反映出原型的基本特征；（2）簡(jiǎn)要性，在描述原型的基本特征時(shí)，要對(duì)原型做某種簡(jiǎn)化，突出其主要部分，略去次要部分，集中反映原型本質(zhì)特征，或者反映人們最感興趣的部分。

建模時(shí)，應(yīng)先考慮模型的簡(jiǎn)要性，然后再逐步細(xì)化，構(gòu)造出一個(gè)精確模型。首先，建立概略模型，反映原型的整體特征。原型越復(fù)雜，越需要從整體上把握，概略模型越重要。概略模型一般把復(fù)雜的原型分成幾個(gè)簡(jiǎn)單的主要部分，使人們從總體上了解整個(gè)原型的結(jié)構(gòu)，每個(gè)部分可以看作是一個(gè)子模型。第二步是對(duì)子模型建模，同樣可以對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)一步分解，分析子模型由哪幾個(gè)部件組成。第三步是綜合模型，子模型確立以后，可以根據(jù)系統(tǒng)概略模型的結(jié)構(gòu)把子模型綜合為原型的總體精確模型。

在幾何模型建立后，通過(guò)給幾何模型的表面加上各種材質(zhì)，設(shè)定光照條件等來(lái)提高模型的逼真度和質(zhì)感，同時(shí)在幾何模型的表面映射上各種紋理圖案，使模型變得更加生動(dòng)和真實(shí)。

三維幾何建模的過(guò)程

1）使用Creator對(duì)AH6進(jìn)行層次建模，建?？驁D如圖2所示。

2）選取目標(biāo)的紋理圖片，如圖3所示，對(duì)幾何模型進(jìn)行紋理圖案映射，得到目標(biāo)的三維模型，如圖4所示。

5.2 紅外材質(zhì)建模

目標(biāo)和背景的幾何模型建成后，要為模型映射相對(duì)應(yīng)的紋理材質(zhì)。TMM（Texture Material Mapper）是Vega中用來(lái)將Creator三維模型可見光紋理轉(zhuǎn)換至材質(zhì)的輻射紋理的工具，它提供了一種方法用來(lái)完成從Vega提供的對(duì)象的紋理到材質(zhì)的映射。

5.3 大氣環(huán)境建模

在Vega中，利用MOSART Atmospheric Tool（MAT）設(shè)定大氣傳輸模型，計(jì)算大氣透射率、大氣背景輻射、太陽(yáng)或月亮的直接輻射等。MAT工具是用來(lái)創(chuàng)建、編輯、生成大氣傳輸特性的數(shù)據(jù)庫(kù)。首先設(shè)定地理位置、大氣狀態(tài)、氣象條件和光譜波段等參數(shù)，然后利用MOSART和TERTEM軟件，根據(jù)所輸入的參數(shù)，得到特定光譜范圍內(nèi)的大氣傳輸特性以及相關(guān)物質(zhì)的輻射特性，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，以供給紅外成像仿真過(guò)程中Sensor模塊調(diào)用。由于大氣傳輸特性的計(jì)算量巨大，因此這部分工作要在仿真前完成，以保證仿真的實(shí)時(shí)性。

5.4 傳感器建模

紅外圖像仿真的關(guān)鍵一步是得到紅外圖像，利用SensorVision模塊，加入目標(biāo)模型，大氣和紅外材質(zhì)模型，Vega軟件會(huì)根據(jù)大氣質(zhì)量、光譜、環(huán)境輻射、轉(zhuǎn)化因子、溫度等參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算得到場(chǎng)景的紅外圖像。但是這種圖像是理想狀態(tài)下的圖像，沒(méi)有任何雜波和干擾，沒(méi)有各種圖像噪聲。為了更具真實(shí)效果，還需模擬紅外探測(cè)器的成像效果。SensorWorks模塊可以對(duì)探測(cè)器進(jìn)行仿真，加入光學(xué)透過(guò)率、孔徑、聚焦誤差、F數(shù)、探測(cè)器分辨力、探測(cè)器元數(shù)、系統(tǒng)靈敏閾、線路噪聲等參數(shù)，實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)對(duì)探測(cè)器成像面元進(jìn)行快速的計(jì)算，得到更加真實(shí)的紅外圖像。

5.5 仿真結(jié)果與分析

以阿帕奇AH6直升機(jī)為例，用Creator軟件建立三維紋理模型（如圖4）進(jìn)行了紅外圖像仿真。在相同的氣象條件下，直升機(jī)面元溫度為273 K時(shí)，圖5是在3～5μm波長(zhǎng)下的紅外圖像，圖6是在8～12μm波長(zhǎng)下的紅外圖像，圖7是在加入隨機(jī)時(shí)間噪聲后在8～12μm波長(zhǎng)下的紅外仿真圖像。

從以上圖像中可以看出，8～12μm圖像的光亮度比3～5μm的強(qiáng)，這是因?yàn)轱w機(jī)在T=273 K時(shí)，其表面輻射的75％能量集中在10μm左右，即在8～12μm之間。圖7是圖6加入隨機(jī)時(shí)間噪聲后的圖像，圖像亮度變?nèi)酰梢妭鞲衅髟肼晫?duì)紅外成像影響較大。

6 結(jié) 論

本文討論了利用Vega傳感器模塊將輸入的可見目標(biāo)圖像生成紅外圖像的技術(shù)。該技術(shù)使用Creator軟件進(jìn)行三維幾何建模和紋理映射，使用TMM軟件進(jìn)行紅外材質(zhì)建模；然后，用Mat軟件進(jìn)行大氣衰減的計(jì)算；最后，用SensorWorks軟件進(jìn)行傳感器特性建模，根據(jù)目標(biāo)的輻射特性進(jìn)行目標(biāo)的輻射計(jì)算。以阿帕奇AH6直升機(jī)為例進(jìn)行了紅外圖像仿真，結(jié)果表明，利用Vega傳感器模塊進(jìn)行傳感器建模，建模效果較好，成本低，易于工程實(shí)現(xiàn)。

［1］江照意.典型目標(biāo)場(chǎng)景的紅外成像仿真研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2007.JIANG ZH Y.Study on infrared image synthesis for typical target scenes［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2007.（in Chinese）

［2］吳宗凡，柳美琳.紅外與微光技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998.WU Z F，LIU M L.Infrared and Micro-nano Technologies［M］.Beijing：National Defense Industry Press，1998.（in Chinese）

［3］王乘，李利軍，周均清，等.Vega實(shí)時(shí)三維視景仿真技術(shù)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.WANG CH，LIL J，ZHOU JQ，et al..Real-time 3D Visual Simulation Technology by Vega［M］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press，2005.（in Chinese）

［4］笪邦友.地面目標(biāo)背景的紅外成像仿真研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.DA B Y.Study of the IR image simulation for ground objects and background［D］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2006.（in Chinese）

［5］肖甫，吳慧中，肖亮，等.地面坦克目標(biāo)紅外熱成像物理模型研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17（11）：2577-2579.XIAO F，WU H ZH，XIAO L，et al..Study on infrared thermal imaging physicalmodel of ground tanks target［J］.J.System Simulation，2005，17（11）：2577-2579.（in Chinese）

［6］王乘，周均清，李利軍.Creator可視化仿真建模技術(shù)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.WANG CH，ZHOU JQ，LIL J.Visual Simulation and Modeling Technology by Creator［M］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press，2005.（in Chinese）

Infrared imaging simulation based on Vega

LIU Chun-yu1，2，GUO Li-hong1，GAO Feng3，WANG Yong-Wei3
（1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ineMechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China；3.Air Force Resident Office at Changchun Region，Changchun 130021，China）

The basic principles of infrared imaging simulation was introduced，and a method for generating infrared images from visible images based on Vega was discussed.By the proposed method，the Creator was used to establish a 3D gemetric model and to realize a texture mapping，then the Texture Material Mapper（TMM）was applied tomodelling for infrared materials.Furthermore，by using the Mat software，the atmospheric attenuation was calculated.A characteristicmodel of sensor was established by SensorWorks and infrared imageswere generated with photoelectric conversions.Finally，Apache AH6 helicopter was used in infrared simulation in this paper.The results show that themodule established by Vega sensor has advantages in effectivemodeling，low costs，and themethod is suitable for engineering practice.

infrared image；infrared simulation；atmospheric attenuation；heat radiation

TP391.9

：A

1674-2915（2010）02-0177-05

劉春雨（1985—），男，吉林長(zhǎng)春人，碩士研究生，主要從事計(jì)算機(jī)仿真方面的研究。E-mail：liucy224＠163.com

2010-02-14；

2010-03-17