基于OpenFlight API的建筑物場景自動建模及紅外仿真

丁偉利，王 露，房廣重，谷 朝

（1.燕山大學電氣工程學院自動化系，河北秦皇島066004；2.中國科學院光電信息處理重點實驗室，遼寧沈陽110162；3.燕山大學里仁學院，河北秦皇島066004）

基于OpenFlight API的建筑物場景自動建模及紅外仿真

丁偉利1，2，王 露1，房廣重3，谷 朝3

（1.燕山大學電氣工程學院自動化系，河北秦皇島066004；2.中國科學院光電信息處理重點實驗室，遼寧沈陽110162；3.燕山大學里仁學院，河北秦皇島066004）

針對建筑物場景紅外仿真真實性差、對國外軟件依賴性強的現(xiàn)狀，提出了一種新的適用于大規(guī)模建筑物場景自動建模及紅外仿真的方法。該方法利用Google Earth提供的高分辨率航片中的陰影和地形信息，結(jié)合OpenFlight API自動建立建筑物場景三維模型，解決了數(shù)字高程數(shù)據(jù)、樓層數(shù)據(jù)缺失條件下的建模難題；通過對航片中不同城市地物的分割建立材質(zhì)標號圖像，利用理論分析的方法建立了建筑物場景中不同地物的紅外輻射特征方程，離線生成了零視距紅外紋理，并增加大氣以及探測器作用效果，提高了紅外場景的描述細節(jié)和真實性。

紅外仿真；自動建模；OpenFlight API

1 引 言

建筑物是紅外場景仿真中不可或缺的重要組成部分，對其紅外輻射特性的研究早就引起了國內(nèi)外研究者的關(guān)注，以美國為首的西方國家不僅建立了完備的建筑場景紅外輻射特征模型，而且開發(fā)了實時性強、逼真度高的大規(guī)模場景紅外仿真軟件，如法國的SE-RAY－IR［1］和美國的IRIMA5.0，并且形成了像Vega中的Sensor Vision這樣商用的紅外仿真軟件包。國內(nèi)在建筑物紅外仿真方面的研究并不豐富，大部分工作都集中在小規(guī)模地物或單一建筑物的紅外模擬上［2－3］，對于大規(guī)模建筑場景的紅外建模及仿真，尚無實用性強的方法。而實時性系統(tǒng)軟件的開發(fā)多依賴于國外軟件，如Vega中Sensor Vision模塊等。

在紅外仿真中，快速建立大規(guī)模建筑場景的幾何以及紅外模型對提高紅外仿真效率至關(guān)重要。目前紅外仿真中常用的建筑物幾何建模方法是利用Creator軟件直接建模，這種方法雖然建模精細，但針對城市場景中大規(guī)模的建筑物群體，采用此方法會耗費大量時間和人力，建模效率低。其他建模方式，如結(jié)合Google Earth和Sketch Up［4］，對建筑物逐一進行推拉和映射紋理等操作。這種方法雖然快速，但在軟件中對模型進行人工貼圖來實現(xiàn)紋理映射也過于繁瑣、耗時［5］。且目前尚未見報道在紅外仿真中采用該方法建模。

本文提出了一種基于OpenFlight API的建筑物場景自動建模及紅外仿真方法，并基于OpenFlight API、VC＋＋6.0和Access2003數(shù)據(jù)庫開發(fā)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。首先，利用Google Earth提供的圖像信息，調(diào)用OpenFlight API函數(shù)，對城市場景中的建筑物屋頂進行分割、自動建模和紋理映射，快速構(gòu)建帶有紋理貼圖的OpenFlight三維建筑物場景，再根據(jù)熱物理學、氣象學等知識對場景進行紅外輻射特性計算，最終實現(xiàn)城市中建筑物場景的實時紅外仿真。具體的實現(xiàn)過程如圖1所示。

圖1 建筑物自動建模及紅外仿真過程

2 基于航片的建筑物自動建模

由于紅外仿真對實時性要求較高，因此要求建筑物、樹木等大量存在的物體模型越精簡越好。鑒于此，為簡化建筑物模型的復(fù)雜度以及提高紅外輻射的計算速度，本文假定：

1）城市中的建筑物均為平頂、矩形側(cè)面結(jié)構(gòu)；

2）城市中地勢平坦的區(qū)域位于同一平面上。

并采用箱式分割數(shù)據(jù)模型法對大規(guī)模建筑物進行建模，即整個建模過程只利用屋頂多邊形數(shù)據(jù)、航拍圖像和建筑物高度數(shù)據(jù)生成上下底面相同的臺柱體［6］。

2.1 基于航片的建筑物參數(shù)計算

建筑物建模所需的參數(shù)包括屋頂多邊形頂點和建筑物高度，而這些參數(shù)均可以通過航片直接求得。

由于Google Earth提供的圖像中有90%拍攝的角度都在0°～15°之間，因此可認為航片為正射投影圖（如圖2所示），屋頂多邊形頂點三維坐標與其紋理坐標成正比。因此本文在紅外材質(zhì)分割的同時，由選區(qū)工具欄如圖3（a）中的多邊形工具如圖3（b）所示，手動點選屋頂多邊形頂點并保存。

圖2 建筑物場景的Google Earth截圖

圖3 材質(zhì)圖像分割工具欄

建筑物的高度信息的獲取是平頂型建筑物建模的關(guān)鍵問題之一。建筑物側(cè)面紋理不可見，無法根據(jù)樓層信息得到建筑物的高度。唯一能夠證明建筑物、樹木等物體存在的是圖像中大量的陰影信息。根據(jù)陰影形成和衛(wèi)星拍攝的原理，可以確定城市中大部分具有一定高度的物體高度信息。具體原理如下：

設(shè)某一垂直于地面的物體（如圖4所示）的高度為H，其陰影的總長度為S，α為衛(wèi)星高度角，β為太陽高度角，γ是太陽方位角，L2是可見的陰影區(qū)域，L1是不可見的陰影區(qū)域。如果衛(wèi)星傳感器掃描方向與太陽照射方向相同，則［7］：

如果衛(wèi)星傳感器掃描方向與太陽照射方向相反，則：

其中，κ＝tanβ。

圖4 太陽、衛(wèi)星和建筑物關(guān)系示意圖

對于同一時刻拍攝的衛(wèi)星圖片，其衛(wèi)星高度角、太陽高度角和太陽方位角均相同，即κ相同。如果已知某一參考建筑物的高度為H，則κ＝H／L2，其他地面物體的高度可以利用相應(yīng)的陰影長度通過式（2）或式（4）求得。

2.2 基于OpenFlight API的建筑物自動建模

首先在Creator軟件中設(shè)置基本的建筑場景模型節(jié)點層級結(jié)構(gòu)（如圖5所示），根節(jié)點db下設(shè)置組節(jié)點city代表城市，city節(jié)點下附加ground組節(jié)點和多邊形面片p1節(jié)點，并將該Google Earth航拍圖片作為紋理映射到p1上，保存成OpenFlight數(shù)據(jù)模型格式。

圖5 建筑物場景的OpenFlight模型節(jié)點結(jié)構(gòu)

然后，導(dǎo)入航片所對應(yīng)的所有屋頂?shù)捻旤c坐標以及根據(jù)陰影計算的建筑物高度信息，調(diào)用Open-Flight API庫函數(shù)，創(chuàng)建作為屋頂?shù)捻斆娑噙呅魏妥鳛閭?cè)面墻的側(cè)面多邊形。代碼如下：

mgrec*BuildPoly（double Corner［NUM］［3］，int vCnt）

｛ mgrec*vtRec［NUM］；

mgrec*poly＝mgNewRec（fltPolygon）；

for（int i＝0；i＜vCnt；i＋＋）｛

vtRec［i］＝mgNewRec（fltVertex）；

mgAppend（poly，vtRec［i］）；

mgSetVtxCoord（vrRec［i］，Corner［i］［0］，

Corner［i］［1］，Corner［i］［2］）；｝

｝

最后，通過OpenFlight API創(chuàng)建3點貼圖的紋理映射。對于屋頂區(qū)域，如圖2的R1R2R3R4部分，直接將原始的航片作為紋理，并直接映射屋頂小區(qū)域紋理，即在當前紋理貼圖中，將R1、R2、R3、R4的坐標轉(zhuǎn)換成紋理坐標u、v。部分代碼如下：

mgrec*r＝mgNewTextureMapping（db，1，MG_NULL，＆tid）；

mgSetCoord3d（r，fltTM3PtOriginUV，0.0，0.0，0.0）；

mgSetCoord3d（r，fltTM3PtAlignUV，1.0，0.0，0.0）；

mgSetCoord3d（r，fltTM3PtShearUV，1.0，1.0，0.0）；

mgSetCoord3d（r，fltTM3PtOriginXYZ，ori［0］，ori［1］，ori［2］）；

mgSetCoord3d（r，fltTM3PtAlignXYZ，ali［0］，ali［1］，ali［2］）；

mgSetCoord3d（r，fltTM3PtShearXYZ，shr［0］，shr［1］，shr［2］）；

對于外墻區(qū)域，考慮到大規(guī)模建筑場景外墻的紋理數(shù)量眾多，材質(zhì)各不相同，本文根據(jù)外墻材質(zhì)的不同建立了典型的常見的外墻紋理數(shù)據(jù)庫，以供建模過程中選擇調(diào)用。此外，由于紅外圖像受到墻面方位角的影響很大，本文以45°做間隔，將外墻方位角分成8份，并對每一張典型紋理建立8張內(nèi)容相同的紋理貼圖，只在紋理貼圖名稱尾部加以1～8號作為標識，用以區(qū)分不同方位。同時，為使紋理正確映射不被拉伸，要保證紋理貼圖的長寬比。必須滿足：

texWidth／texHeight＝polyWidth／polyHeight（5）其中，texWidth和texHeight是紋理貼圖原始寬和高；polyHeight是側(cè)面四邊形的高；polyWidth是紋理貼圖實際映射的寬度。圖6是某城市場景建筑物自動建模并映射紋理的三維效果圖。

圖6 某城市場景自動建模后三維效果圖

3 零視距紅外輻射特性模擬

建筑場景紅外仿真中，首先要對任一指定時間、地點、天氣等條件下的三維場景進行傳熱計算，得出場景中各個模型表面的溫度［8］；再對模型表面的紅外輻射特性進行計算和模擬。根據(jù)普朗克公式，探測波段為λ1至λ2的紅外探測儀，其探測到的紅外輻射強度為：

式中，ε為研究對象表面的發(fā)射率；c1，c2分別為第一、第二輻射常數(shù)；Ts為研究對象表面的熱力學溫度。根據(jù)式（6）可知，要確定研究對象表面的紅外輻射特性，關(guān)鍵是確定其表面材質(zhì)的物理參數(shù)以及溫度場。

3.1 建筑物材質(zhì)分割及物理參數(shù)賦值

航片中的建筑物屋頂主要由瀝青油氈、玻璃、彩鋼板、石棉瓦等材質(zhì)組成，建筑外墻主要由玻璃、涂料、瓷磚等組成。根據(jù)這些常見的建筑物材質(zhì)類型，本文首先建立通用的材質(zhì)數(shù)據(jù)庫，每種材質(zhì)對應(yīng)的物理參數(shù)包括表面吸收率、發(fā)射率、密度、比熱、導(dǎo)熱率和厚度。然后，根據(jù)不同材質(zhì)顏色信息的差異，在材質(zhì)賦值軟件中人為選定屋頂多邊形區(qū)域進行直接材質(zhì)賦值；對于外墻，本文手動選擇典型材質(zhì)顏色信息，并采用最近鄰分割方法進行材質(zhì)賦值。最后分割子區(qū)域按材質(zhì)數(shù)據(jù)庫給定材質(zhì)進行標號，形成材質(zhì)標號圖像。

3.2 建筑物溫度場計算及零視距紅外圖像

對于建筑物，假定屋頂和外墻各層均為完全均勻且各向同性的連接體，接觸緊密，忽略接觸熱阻，層間溫度和熱流是連續(xù)的。因此建筑外墻和屋頂?shù)牟环€(wěn)態(tài)溫度場應(yīng)滿足下列基本方程：

式中，T為箱梁溫度；t為時間；α＝λ／（cρ）為導(dǎo)溫系數(shù)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；c為比熱；ρ為密度。

根據(jù)能量守恒定律，建筑外墻和屋頂?shù)耐膺吔鐥l件為［9－10］：

其中：

式中，Qsun為一定時間內(nèi)單位面積地表吸收的太陽輻射，可按文獻［10］計算；Qsky為天空輻射；QH為感熱通量；ΔQ為表面薄層在Δt內(nèi)的熱量存儲；α1為表面對短波輻射的吸收率；α2為表面對長波輻射的吸收率；Ta為大氣溫度；v為風速；λ為表面熱傳導(dǎo)系數(shù)；ρ為表面密度；C為表面熱容；δ為表面薄層厚度。

為簡化建筑物內(nèi)邊界條件計算，作為近似，本文采用一個表面綜合換熱系數(shù)來綜合表示室內(nèi)的對流和輻射換熱，將邊界條件表示為：

式中，Ta′為建筑內(nèi)部溫度，對于采暖季和空調(diào)房，Ta′＝20；否則，取Ta′＝ˉTa＋1.5。建筑物內(nèi)部的換熱系數(shù)取為：

根據(jù)式（7）～（12），利用隱式差分法求解該方程即可得到建筑外墻和屋頂?shù)谋砻鏈囟葓?，進而可以根據(jù)式（6）計算表面的熱輻射強度Eself。

取2013年5月15日秦皇島的天氣實況作為輸入，對圖2所示的城市場景根據(jù)公式（6）～（12），計算出典型場景中各材質(zhì)區(qū)域的紅外輻射強度。圖7為進行灰度量化處理后，得到的12時紅外零視距紋理圖像。

圖7 12時紅外零視距灰度分布圖

4 三維紅外仿真圖像生成

將紅外零視距紋理圖像映射到場景幾何模型上可生成零視距三維紅外仿真場景。然而自然環(huán)境中，物體表面的紅外輻射到達探測器的過程中受到大氣作用的影響會產(chǎn)生一定的衰減，還要受到探測器本身作用效果的影響。最后本文利用OpenFlight API更改模型的紋理圖像顏色信息，完成對三維建筑物場景的紅外模擬。

4.1 紅外輻射在大氣中的衰減

大氣對紅外輻射的衰減主要與三種現(xiàn)象相關(guān)：（1）大氣氣體分子的吸收，主要是水蒸氣、二氧化碳和臭氧的吸收作用，在20 km以下的探測區(qū)域，臭氧的吸收作用可忽略不記；（2）大氣中分子、氣溶膠、微粒的散射；（3）因氣象條件云、雨、霧造成的衰減。

計算大氣衰減的方法有很多，這里采用比較常用的經(jīng)驗公式。設(shè)探測器與地物目標之間的距離為R，氣象視距為V，則大氣透過率τ的經(jīng)驗公式近似表示為［11］：

式中，τH2O，τCO2的值可以通過查表計算；λ0取0.61μm；q為經(jīng)驗常數(shù)，通常氣象視距大于6km時取1.3，小于6km時q＝0.585 V0.333。

4.2 探測器噪聲模擬

在實際系統(tǒng)中，由于探測器效應(yīng)的影響，紅外圖像中不可避免的會產(chǎn)生一定的模糊和噪聲。為了提高仿真的可信度，我們對仿真的圖像作后處理，即增加一定的模糊作用和噪聲。

探測器出現(xiàn)的噪聲主要有熱噪聲、復(fù)合噪聲、1／f噪聲和溫度噪聲等，實驗表明，這些噪聲的綜合效果可以用高斯隨機分布函數(shù)來表示，即探測器噪聲效果的模擬實際就是模擬產(chǎn)生服從均值為μ，方差為σ的具有高斯分布的隨機數(shù)。

4.3 仿真結(jié)果

考慮到實際情況中建筑物外墻的材料不同，如水泥抹面、厚玻璃、大理石鋪磚等。本文選取建筑物外墻材質(zhì)為水泥抹面和玻璃兩種材質(zhì)進行溫度場求解，圖8為外墻8個方向角下的2種材質(zhì)的溫度分布曲線。圖8（a）（b）（c）（d）依次代表外墻方位角朝向東方時，墻面法向量與正南方向夾角為－135°～－90°，－90°～－45°，－45°～0°，－180°～－135°；圖8（e）（f）（g）（h）代表墻面方位角朝向西方時，墻面法向量與正南方向夾角為0°～45°，45°～90°，90°～135°，135°～180°。由于方向角不同，每個側(cè)墻在不同時刻接收的太陽輻射量不同：如圖8（a），溫度峰值出現(xiàn)在6～7點，此時正是方向角為－90°～－135°，即墻面朝向東北方向；如圖8（b），溫度峰值出現(xiàn)在7～8點區(qū)間，此時正是方向角為－45°～－90°，即墻面朝向正東方；圖8（c）溫度峰值出現(xiàn)在9～10點區(qū)間，對應(yīng)墻面方位角－45°～0°，即墻面朝向東南方向；圖8（d）中溫度峰值在11～12點，墻面方位角為0°～45°，朝向西南方向；圖8（e）、8（f）、8（g）、8（h）依次為其他方向角對應(yīng)的溫度分布曲線。由圖可知，本文計算建筑物側(cè)墻溫度的方法符合太陽移動方位及其溫度峰值變化的規(guī)律。

圖8 建筑物外墻8個方向的溫度分布

圖9 建筑物側(cè)墻不同時刻不同角度的輻射效果

圖10 三維紅外場景渲染后的結(jié)果

圖9 為建筑物外墻在不同時刻不同角度下的紅外輻射模擬效果圖。圖9（a）為2時，由于夜晚溫度低，外墻吸收的熱輻射小，故顏色偏暗；圖9（b）為8時，圖中顏色較亮面為朝向東方的側(cè)墻，朝向北方的側(cè)墻由于接收不到太陽輻射，故顏色較暗；圖9（c）為12時，此時外墻較亮面朝向南，而旁邊建筑物側(cè)墻面向西，仍未接收到太陽熱輻射，故顏色較暗；圖9（d）為20時，由于東南方向墻面白天吸收大量熱輻射到此時未釋放完，故仍看清窗戶與外墻，而東南朝向的墻面由于經(jīng)過太陽輻射的時刻較早，到晚上熱量已釋放大部分，故與西南朝向側(cè)墻相比顏色較暗基本看不出窗戶。圖10是增加了大氣的衰減和探測器作用，在不同時刻、不同視角下的城市建筑物紅外仿真場景。其中圖10（a）和10（b）是2點和8點的紅外場景仿真結(jié)果，圖10（c）和10（d）是12點和20點的紅外場景仿真結(jié)果。

從結(jié)果中可以看出不同時刻同一場景中不同地物的變化具有以下特點：

（1）建筑物屋頂和外墻的溫度變化最為明顯，白天升溫快，夜間降溫快；而側(cè)墻玻璃材質(zhì)溫度變化相對較緩。

（2）城市場景中道路的溫度變化相對緩慢。

（3）與探測器的距離越遠，輻射衰減越強烈。

5 結(jié)論與展望

本文提出了一種城市建筑物場景自動建模和紅外仿真的方法。該方法實現(xiàn)了城市場景中大規(guī)模建筑物的自動建模、紋理映射、紅外輻射特性計算及其成像仿真。不僅解決了建筑物幾何參數(shù)缺失情況下建立大規(guī)模建筑物場景的難題，而且為開發(fā)城市場景紅外仿真軟件奠定了基礎(chǔ)。實驗結(jié)果表明，仿真場景較真實的反映了建筑物的紅外輻射特性。系統(tǒng)經(jīng)濟實用、操作方便、實時性好。本文的研究尚處于起步階段，對于大規(guī)模的城市場景的建模效率、紅外輻射模型的不斷完善等方面，都需要進一步的探索和研究。

［1］ Jean Latger，Thierry Cathala，Nicolas Douchin.Simulation of active and passive infrared images using the SEWORKBENCH［J］.SPIE，2007，6543；654302.1－15.

［2］ Wang Zhangye，Peng Qunsheng，et al.A global infrared image synthesis model for large-scale complex urban scene［J］.International Journal of Infrared and Millimeter Waves，2001，22（8）：1193－1208.

［3］ Wang Zhangye，Jiang Zhaoyi，et al.Newmodel for realistic IR image rendering of city building［J］.Proc.of SPIE on Defense and Security，SPIE，2004，5405：167－176.

［4］ Chen Dinggang，Quan Panpan.3D modeling of buildings based on google earth［J］.Urban Geotechnical Investigation＆Surveying，2007，（3）：51－53.（in Chinese）陳丁罡，權(quán)盼盼.基于Google Earth的建筑物三維建模［J］.城市勘測，2007，（3）：51－53.

［5］ Wang Yangsheng.Automatic texture mapping technology in three-dimensional terrain based on OpenFlight［J］.Urban Geotechnical Investigation＆Surveying，2011，（3）：52－53.（in Chinese）王陽生.基于OpenFlight的三維地形自動紋理映射方法［J］.城市勘測，2011，（3）：52－53.

［6］ Xia Xiaofei，Li Lijun，Zhou Jianguo.Semi-automatic generation of3D buildingmodelbased on GISdata［J］.Computer＆Digital Engineering，2006，34（9）：49－51.（in Chinese）夏曉飛，李利軍，周建中.利用GIS數(shù)據(jù)半自動生成3D建筑模型［J］.計算機與數(shù)字工程，2006，34（9）：49－51.

［7］ Dong Yusen，Zhan Yunjun，Yang Shuwen.Extracting buildings distribution information of different heights from the shadows in high resolution images［J］.Journal of Xianning Teachers College，2002，22：93－96.

［8］ Chen Shan，Sun Jiyin，Li Linlin，et al.Simulation of building 3D infrared scene［J］.Laser＆Infrared，2010，40（5）：501－502.（in Chinese）陳珊，孫繼銀，李琳琳，等.建筑物目標三維紅外場景仿真［J］.激光與紅外，2010，40（5）：501－502.

［9］ B?ckstr?m E.The surface energy balance and climate in an urban park and its surroundings［J］.Uppsala University，2005.

［10］Ding Weili，Liu Xiaomin，F(xiàn)u Shuangfei.Infirared radiation characterizations of large-scale complicated 3D terrain background［J］.Journal of System Simulation，2012，12（24）：33－36.（in Chinese）丁偉利，劉曉民，付雙飛.基于數(shù)字高程模型的復(fù)雜地表紅外輻射特性模擬［J］.系統(tǒng)仿真學報，2012，12（24）：33－36.

［11］張建奇，方小平.紅外物理［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2004.

Automatic modeling of architecture and infrared simulation based on OpenFlight API

DINGWei-li1，2，WANG Lu1，F(xiàn)ANG Guang-zhong3，GU Zhao3
（1.School of Electrical Engineering of YanShan University，Qinhuangdao 066004，China；2.Key Laboratory of Opto-Electronics Information Processing，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110162，China；3.LiRen Colleage of Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China）

Considering the unsatisfied authenticity of infrared simulation and the strong dependence on foreign software in domestic，a new method of urban scene infrared simulation is proposed.Firstly，without any prior knowledge about the DEM and building height in the urban scene，a solution is proposed thathow to construct3D citymodels based on OpenFlight API by using shadows and terrain information extracted from Google Earth aerial photo；Secondly，a series ofmaterial index image is obtained by segmenting the aerial photo，then a infrared radiation equation is obtained by theoretically analyzing the infrared characterization of different ground buildings in the urban scene；Furthermore the problem of computing the infrared radiation property and generating the zero-sighting infrared texture offline is solved. Finally，the atmosphere and detector effects are also considered in the simulation process，which improve the realistic description of the infrared scene in detail.

infrared simulation；automaticmodeling；OpenFlight API

TP391.9

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0158-06

中科院光電信息重點實驗室開放基金項目（No.OEIPO－201204）資助。

丁偉利（1979－），女，博士，副教授，研究方向為紅外仿真，虛擬現(xiàn)實。E-mail：weiye51＠ysu.edu.cn

2013-07-01；

2013-08-06