基于SE－Workbench－IR的紅外視景仿真研究＊

張 云，馬崇宵，薛艷茹，于晶晶

（河北科技師范學(xué)院，河北秦皇島 066600）

0 引言

視景仿真是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最重要的表現(xiàn)形式，它采用計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)來(lái)構(gòu)造仿真對(duì)象的三維模型或再現(xiàn)真實(shí)的環(huán)境，以達(dá)到非常逼真的仿真效果，使用戶與所仿真的環(huán)境能夠直接進(jìn)行自然交流［1］。早期國(guó)內(nèi)在紅外視景仿真領(lǐng)域的研究主要基于OpenGL平臺(tái)［2］，但隨著研究的深入以及某些傳統(tǒng)原因大都轉(zhuǎn)向Vega平臺(tái)［3］，相關(guān)研究成果也已在軍事科研等領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用。

法國(guó)OKTAL－SE公司從事多傳感器仿真和合成環(huán)境建模領(lǐng)域的研發(fā)工作已接近20年，它提供光電、射頻、聲納等多傳感器仿真和合成環(huán)境建模工具以及相關(guān)的工程服務(wù)，在歐洲是這個(gè)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，并在軍事科研等專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用更具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。SE－Workbench－IR 是 OKTAL－SE 公司通用解決方案SE－Workbench的一部分，它是一個(gè)專門用于紅外視景數(shù)據(jù)生成、分析和仿真的工具包，可以提供高效的、和傳感器感知相一致的、物理上精確的可見光和紅外視景仿真方法。

1 SE－Workbench－IR功能架構(gòu)

SE－Workbench－IR以尋求仿真的真實(shí)性作為基本原則，確保環(huán)境和目標(biāo)的紋理及物理特性的精確性。SE－Workbench－IR主要包括三維地形建模模塊SE－AGETIM、物理模型建模模塊 SE－PHYSICALMODELER、紋理結(jié)構(gòu)分類模塊SE－CLASSIFICATION、大氣模型建模模塊SE－ATMOSPHERE、熱量模型建模模塊SE－THERMAL、紅外快速圖像生成模塊SE－FAST－IR、紅外射線追蹤模塊SE－RAY－IR、圖形用戶界面配置工具模塊SE－SCENARIO、C語(yǔ)言應(yīng)用編程接口SE－TOOLKIT和紅外傳感器模塊SEIR－SENSOR等［4－13］。

其 中，SE－AGETIM、SE－PHYSICAL－MODELER、SE－CLASSIFICATION、SE－ATMOSPHERE、SE－THERMAL等模塊分別用于編輯和生成地形、目標(biāo)和環(huán)境的三維仿真模型數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)的產(chǎn)生依據(jù)模型的物理參數(shù)和結(jié)構(gòu)，并根據(jù)地理位置、海拔、氣候條件、日期時(shí)間等參數(shù)，以及歷史數(shù)據(jù)和各種物理效應(yīng)，具有高逼真度、多頻譜的特點(diǎn)。

SE－FAST－IR模塊由 SE－FAST－IR－COMPILER和SE－FAST－IR API組成，用于在OpenGL和圖形加速卡支持下實(shí)時(shí)的可視化3D數(shù)據(jù)。SE－FAST－IRCOMPILER可以通過(guò)調(diào)用SE－FAST－IR API函數(shù)庫(kù)將物理數(shù)據(jù)最優(yōu)的轉(zhuǎn)換成編譯后的數(shù)據(jù)，而SEFAST－IR API則被設(shè)計(jì)成為一個(gè)渲染引擎，它依賴于一些著名的場(chǎng)景繪制工具如Open Scene Graph、VEGA Prime、Performer等。SE－RAY－IR模塊基于射線追蹤技術(shù)，高逼真度的生成紅外視景圖像。由于計(jì)算復(fù)雜，該模塊生成的紅外視景圖像不具有實(shí)時(shí)性。

SE－SCENARIO模塊為交互式仿真集成開發(fā)環(huán)境，用于編輯仿真想定，主要有場(chǎng)景編輯、運(yùn)動(dòng)軌跡編輯和計(jì)時(shí)器編輯等功能，并可以將編輯好的場(chǎng)景進(jìn)行交互顯示。其中，場(chǎng)景編輯用于編輯場(chǎng)景中的一系列分級(jí)實(shí)體，如三維物體、傳感器類型、粒子束系統(tǒng)等；運(yùn)動(dòng)軌跡編輯用于仿真一個(gè)預(yù)先給定運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)體的運(yùn)動(dòng)；計(jì)時(shí)器編輯可以使用戶使用計(jì)時(shí)器為基于時(shí)間的動(dòng)作或基于事件的動(dòng)作編輯一個(gè)腳本。

SE－TOOLKIT由一組鏈接庫(kù)和應(yīng)用編程接口組成，通過(guò)二次開發(fā)，使用戶可以進(jìn)行復(fù)雜的硬件在回路或軟件在回路等綜合應(yīng)用。SE－IR－SENSOR模塊為一組函數(shù)庫(kù)，用于模擬紅外熱圖經(jīng)過(guò)紅外傳感器后的效果。

2 基于SE－Workbench－IR的紅外視景仿真方法

SE－Workbench－IR支持交互式仿真和API仿真兩種應(yīng)用模式［11］。交互式仿真是通過(guò)使用圖形用戶界面配置工具SE－SCENARIOTM編輯仿真想定，然后調(diào)用編輯好的3D數(shù)據(jù)庫(kù)以及相關(guān)軟件模塊，交互的實(shí)現(xiàn)紅外視景仿真的目的，具有快速、便捷等特點(diǎn)。API仿真模式通過(guò)C軟件開發(fā)平臺(tái)和SE－TOOLKIT模塊相結(jié)合，開發(fā)出更為復(fù)雜、功能更為強(qiáng)大、應(yīng)用更為廣泛的紅外視景仿真應(yīng)用軟件，以進(jìn)行大規(guī)模的并行紅外視景仿真及更復(fù)雜的軟硬件在回路仿真等。

另外，基于SE－Workbench－IR的仿真可以分為實(shí)時(shí)仿真和非實(shí)時(shí)仿真兩種類型［9］。非實(shí)時(shí)仿真通過(guò)SE－RAY－IR射線追蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)高逼真度的視景仿真效果，可以用于目標(biāo)跟蹤、自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別以及模型的驗(yàn)證和評(píng)估等方面的仿真應(yīng)用；實(shí)時(shí)仿真技術(shù)通過(guò)SE－FAST－IR以及圖形卡技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)仿真的實(shí)時(shí)性，可以用于模擬訓(xùn)練、Monte－Carlo分析以及軟、硬件在回路系統(tǒng)的測(cè)試和驗(yàn)證等目的。

如圖1為基于SE－Workbench－IR的紅外視景仿真過(guò)程。在交互式仿真模式下，圖1中的編輯想定通過(guò)SE－SCENARIO配置工具實(shí)現(xiàn)；而在API仿真模式下，可以采用由SE－SCENARIO事先編輯好的想定，也可以通過(guò)軟硬件在回路的方式實(shí)時(shí)更新想定，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的仿真目的。通過(guò)使用SE－Workbench－IR，可以得到高逼真度、多波段的紅外視景圖像，如圖2所示。

圖1 基于SE－Workbench－IR紅外視景仿真過(guò)程

圖2 SE－Workbench－IR視景仿真效果

3 基于SE－Workbench－IR的紅外視景仿真應(yīng)用

SE－Workbench－IR作 為 OKTAL－SE 公 司 專 業(yè)的紅外視景仿真工具，在西方如法、德、英等國(guó)家以及亞洲的一些國(guó)家的軍事科研領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如進(jìn)行紅外導(dǎo)引頭的性能評(píng)估、成像識(shí)別算法的開發(fā)和優(yōu)化、模擬訓(xùn)練等。下面介紹兩種SE－Workbench－IR的典型應(yīng)用［12］。

紅外導(dǎo)引頭的性能評(píng)估一般采用半實(shí)物仿真的方式，而半實(shí)物仿真又分為信號(hào)注入式和熱輻射投影式。信號(hào)注入式的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由圖形工作站、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)、紅外導(dǎo)引頭、彈道仿真等組成，屬于復(fù)雜的、硬件在回路的閉環(huán)實(shí)時(shí)仿真方式。因此，在這種方式下，一般采用基于SE－Workbench－IR的API仿真模式，根據(jù)仿真需求建立仿真環(huán)境和仿真想定，編輯視景實(shí)時(shí)生成軟件包并加載到圖形工作站中；根據(jù)虛擬導(dǎo)引頭攝像機(jī)參數(shù)產(chǎn)生導(dǎo)引頭實(shí)時(shí)觀察圖像注入導(dǎo)引頭信息處理硬件中，由其實(shí)施目標(biāo)處理和跟蹤，并將跟蹤狀態(tài)、跟蹤誤差角等信息發(fā)送至彈道仿真；由彈道仿真控制三軸轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)模擬單體姿態(tài)，并向圖形工作站發(fā)送導(dǎo)引頭在視景中總的位置信息和姿態(tài)信息；圖形工作站接收到位置信息和姿態(tài)信息后傳遞給虛擬導(dǎo)引頭攝像機(jī)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，給出導(dǎo)引頭觀察圖像并注入導(dǎo)引頭信息處理硬件，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)。這種方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)引頭的性能測(cè)試。

圖3 基于SE－Workbench－IR紅外導(dǎo)引頭性能測(cè)試

圖4 基于SE－Workbench－IR模擬訓(xùn)練紅外導(dǎo)引頭性能測(cè)試

模擬訓(xùn)練是現(xiàn)代軍事和民用領(lǐng)域非常熱門的一個(gè)話題，因其具有良好的適應(yīng)性和訓(xùn)練效果而廣受歡迎。圖4為SE－Workbench－IR在模擬訓(xùn)練領(lǐng)域中的一種典型方式。和導(dǎo)引頭性能測(cè)試不同，它將虛擬操縱者攝像機(jī)的圖像發(fā)送至視頻顯示器直接顯示出來(lái)，操縱者根據(jù)觀察圖像進(jìn)行模擬操作，運(yùn)動(dòng)解算部分根據(jù)操縱者操縱信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)解算，一方面控制三軸轉(zhuǎn)臺(tái)模擬操縱者所在的平臺(tái)姿態(tài)，另一方面向圖形工作站發(fā)送操縱者在視景中的位置信息和姿態(tài)信息；圖形工作站接收到位置信息和姿態(tài)信息后實(shí)時(shí)渲染，給出操縱者觀察圖像并發(fā)送至視頻顯示裝置進(jìn)行顯示，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，達(dá)到逼真訓(xùn)練的目的。

4 結(jié)論

紅外視景仿真技術(shù)可以廣泛應(yīng)用在紅外導(dǎo)引頭的性能評(píng)估、成像識(shí)別算法的開發(fā)和優(yōu)化、無(wú)人車輛或飛行器的傳感器開發(fā)等軍事裝備研究領(lǐng)域，并起到節(jié)省研發(fā)成本、降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和縮短項(xiàng)目周期的作用，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)很多由于試驗(yàn)條件的不具備而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)驗(yàn)證。SE－Workbench－IR作為紅外視景仿真的專業(yè)軟件，已經(jīng)在法、德、英等多個(gè)國(guó)家得到廣泛的應(yīng)用，相信隨著研究的深入，SE－Workbench－IR將會(huì)在我國(guó)軍事裝備研究領(lǐng)域的研究中起到越來(lái)越重要的作用。

［1］吳義明，齊歡.導(dǎo)彈對(duì)抗的視景仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2005（8）：01－04.

［2］周須峰.紅外目標(biāo)圖像計(jì)算機(jī)生成與控制技術(shù)［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2002.

［3］郝治國(guó).紅外動(dòng)態(tài)圖像實(shí)時(shí)生成技術(shù)研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

［4］SE－AGETIM［EB／OL］.http：／／www.oktal－se.com／.

［5］SE－PHYSICAL－MODELER ［EB／OL］.http：／／www.oktal－se.com／.

［6］SE－CLASSIFICATION［EB／OL］.http：／／www.oktalse.com／.

［7］SE－ATMOSPHERE［EB／OL］.http：／／www.oktal－se.com／.

［8］SE－THERMAL［EB／OL］.http：／／www.oktal－se.com／.

［9］SE－FAST－IR［EB／OL］.http：／／www.oktal－se.com／.

［10］SE－RAY－IR［EB／OL］.http：／／www.oktal－se.com／.

［11］SE－SCENARIO ［EB／OL］. http：／／www.oktal－se.com／.

［12］SE－TOOLKIT［EB／OL］.http：／／www.oktal－se.com／.

［13］SE－IR－SENSOR ［EB／OL］. http：／／www.oktal－se.com／.