徐吉輝，王文惲，孫 媛

（海軍航空工程學(xué)院科研部，山東煙臺(tái)264001）

反艦導(dǎo)彈紅外視景仿真

徐吉輝，王文惲，孫 媛

（海軍航空工程學(xué)院科研部，山東煙臺(tái)264001）

隨著反艦導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的快速發(fā)展，艦船反導(dǎo)攔截系統(tǒng)迫切需要對(duì)其進(jìn)行追蹤與防御。而作為近程防御探測(cè)設(shè)備，紅外探測(cè)器需要為攔截系統(tǒng)提供目標(biāo)指示。研究了反艦導(dǎo)彈的紅外視景仿真，使用Creator軟件完成對(duì)導(dǎo)彈彈體的幾何建模；使用Vega Prime軟件完成視景配置；通過(guò)C++語(yǔ)言應(yīng)用程序接口API調(diào)用ACF文件完成紅外圖像的生成；構(gòu)建了導(dǎo)彈飛行驅(qū)動(dòng)模塊、尾焰模塊、紅外圖像生成模塊和氣象仿真模塊，并生成了典型導(dǎo)彈攻擊航路的紅外圖像序列，為目標(biāo)指示、識(shí)別和跟蹤提供了仿真技術(shù)思路，在紅外視景仿真開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)上具有一定實(shí)用性。

反艦導(dǎo)彈；視景仿真；Creator；Vega Prime

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）是用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維世界，人作為參與者通過(guò)適當(dāng)裝置對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互[1]。視景仿真作為虛擬現(xiàn)實(shí)的一個(gè)重要表現(xiàn)形式，在軍事、教學(xué)、科研、娛樂(lè)等許多領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。特別是在軍事領(lǐng)域，比如導(dǎo)彈試驗(yàn)發(fā)射，要耗費(fèi)大量資金，并且有危險(xiǎn)性、強(qiáng)噪音等不利因素，采用視景仿真的模擬系統(tǒng)可以提供一個(gè)經(jīng)濟(jì)、安全、逼真的環(huán)境。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，視景仿真軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)日益完善，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也隨之日益成熟。本文以反艦導(dǎo)彈為對(duì)象，對(duì)海天環(huán)境下反艦導(dǎo)彈進(jìn)行了紅外視景仿真，并生成了典型導(dǎo)彈攻擊航路的紅外圖像序列。

1 導(dǎo)彈三維建模

Creator是實(shí)時(shí)三維數(shù)據(jù)庫(kù)建模軟件，生成實(shí)時(shí)的OpenFlight數(shù)據(jù)格式，具有強(qiáng)大的多邊形建模、矢量建模、地形精確生成等功能[2]。

在利用Creator建模時(shí)，需要確定導(dǎo)彈的物理結(jié)構(gòu)并制作紋理。一般來(lái)說(shuō)，飛行狀態(tài)的導(dǎo)彈可見(jiàn)的基本結(jié)構(gòu)包括：彈頭、彈身、尾噴口、側(cè)翼、尾翼等。對(duì)于導(dǎo)彈的構(gòu)造，首先根據(jù)導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，設(shè)置彈頭頂點(diǎn)、側(cè)翼頂點(diǎn)、尾翼頂點(diǎn)等特征點(diǎn)為放樣點(diǎn)，在邊沿特征線(xiàn)處勾畫(huà)放樣線(xiàn)，在彈身不同部位的垂直橫截面處創(chuàng)建與其形狀一致的放樣面；然后，在根據(jù)不同部位放樣點(diǎn)、線(xiàn)、面歸屬不同的Object結(jié)點(diǎn)，放樣點(diǎn)、線(xiàn)、面的層次結(jié)構(gòu)；接著就是利用Creator的Loft工具[3]，將每個(gè)Object結(jié)點(diǎn)中的放樣點(diǎn)、線(xiàn)、面，根據(jù)其實(shí)際的形體結(jié)構(gòu)，放樣為導(dǎo)彈的不同的位置。此外，還將用到LOD、DOF等技術(shù)。圖1為基于Creator的反艦導(dǎo)彈三維建模效果。

圖1 反艦導(dǎo)彈三維建模效果圖Fig.1 Three-dimensional modeling of anti-ship missile

OpenFlight是實(shí)時(shí)視景仿真領(lǐng)域三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)，它是一個(gè)分層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用幾何層次結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)屬性來(lái)描述三維物體。OpenFlight API是一套用于讀寫(xiě)OpenFlight模型的應(yīng)用程序接口，它可以為Creator開(kāi)發(fā)插件，用于增強(qiáng)Creator的功能或擴(kuò)展OpenFlight格式；也可以集成到獨(dú)立應(yīng)用程序，完成諸如OpenFlight模型建模、格式轉(zhuǎn)換等工作[4]。本文利用OpenFlight API開(kāi)發(fā)一個(gè)Creator擴(kuò)展插件，使Creator能夠生成一個(gè)新的紅外信息存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)IRnode，并在該節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)相應(yīng)的紅外參數(shù)。

2 視景場(chǎng)景的生成

在Lynx Prime配置完成生成ACF文件后，就可以將其以三維場(chǎng)景的方式顯示出來(lái)，但此時(shí)場(chǎng)景中的任意三維模型都是靜態(tài)的或只能按事先規(guī)劃好的方式以動(dòng)態(tài)形式呈現(xiàn)的，使用者不能與之交互。因此，在完成三維視景配置之后還需要完成視景仿真的環(huán)境設(shè)計(jì)工作，通過(guò)視景仿真的環(huán)境設(shè)計(jì)，可以達(dá)到滿(mǎn)足要求的各種感官效果以及用戶(hù)與虛擬視景的交互[5]。

三維視景仿真包括4大模塊：①導(dǎo)彈飛行驅(qū)動(dòng)模塊；②尾焰仿真模塊；③紅外圖像生成模塊；④氣象仿真模塊等。通過(guò)這4個(gè)模塊組成的仿真可以提供給用戶(hù)一個(gè)具有較強(qiáng)真實(shí)感的可交互的三維虛擬視景。

2.1 導(dǎo)彈飛行驅(qū)動(dòng)模塊

導(dǎo)彈飛行的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)彈道模型解算空間位置和姿態(tài)，然后控制模型在虛擬場(chǎng)景中的六自由度運(yùn)動(dòng)。其主要實(shí)現(xiàn)函數(shù)是setTranslate和setRotate，分別表示對(duì)象沿XYZ軸的平移和旋轉(zhuǎn)。

圖2 Vega Prime坐標(biāo)系統(tǒng)Fig.2 Coordinates of VegaPrime

Vega Prime中默認(rèn)的視點(diǎn)是沿著Y軸正方向的，將導(dǎo)彈三維模型加到虛擬場(chǎng)景中，彈頭方向指向+Y。其中，+X指向右，+Y指向前，+Z指向上；+H指看向左旋轉(zhuǎn)，+P指向上旋轉(zhuǎn)，+R指運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向右邊旋轉(zhuǎn)，負(fù)向與正向相反。

2.2 尾焰仿真模塊

導(dǎo)彈飛行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰的模擬是生成導(dǎo)彈紅外圖像過(guò)程中十分重要的方面。本文采用粒子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈尾焰羽流的模擬。

Vega Prime具有功能強(qiáng)大的粒子系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞爆炸、導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴焰和尾跡等多種特效，但是需要設(shè)置較為復(fù)雜的控制參數(shù)，不易掌握。因?yàn)閷?dǎo)彈尾焰的運(yùn)動(dòng)方向一直沿著導(dǎo)彈縱軸方向，所以可以通過(guò)導(dǎo)彈的姿態(tài)角，間接地計(jì)算導(dǎo)彈尾焰粒子系統(tǒng)各軸線(xiàn)上的速度分量，由此控制尾焰粒子的運(yùn)動(dòng)方向。關(guān)鍵程序代碼如下：

在設(shè)計(jì)粒子系統(tǒng)的過(guò)程中，選擇合理的粒子屬性，采用合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)尾焰模擬的效果起著至關(guān)重要的作用。影響尾焰效果的屬性有很多，例如空間位置、速度、顏色、尺寸、透明度等[6]。

粒子系統(tǒng)用以下公式來(lái)定義參數(shù)：

式（1）中：n為當(dāng)前幀數(shù)；P(fn)、V(fn)、C(fn)、T(fn)和L(fn)分別為粒子的當(dāng)前位置、運(yùn)動(dòng)速度、顏色、透明度和生命周期；M為慣性權(quán)重，是常數(shù)；V、C、T和L分別為粒子的運(yùn)動(dòng)速度、顏色、透明度和生命周期的平均值；VS、VC、VT和VL分別為粒子的運(yùn)動(dòng)速度、顏色、透明度和生命周期的最大變化范圍；Rand()為(0,1)上的隨機(jī)數(shù)；A、ΔC、ΔT和ΔL分別為粒子的運(yùn)動(dòng)加速度、顏色的變化率、透明度的變化率和生命周期的變化率，可定義為常數(shù)。

隨著粒子系統(tǒng)時(shí)間的變化，當(dāng)粒子的生命值減為零時(shí)，認(rèn)為其消亡。以下3種情況可認(rèn)為粒子消亡：

1）粒子運(yùn)動(dòng)使其空間位置超出預(yù)設(shè)的圖像區(qū)域或顯示范圍；

2）粒子的顏色低于某一規(guī)定值；

3）粒子的透明度為0。

在粒子繪制時(shí)，使用多邊形面片同時(shí)貼上紋理來(lái)代替點(diǎn)粒子，這樣可以大大減少粒子數(shù)量，同時(shí)使用動(dòng)態(tài)貼圖技術(shù)，使尾焰的紋理貼圖和紋理坐標(biāo)隨時(shí)間和空間的變化而改變，這樣便可以提高系統(tǒng)的性能。

2.3 紅外圖像生成模塊

紅外圖像生成模塊是本文重要的一個(gè)模塊，其功能是利用視景生成目標(biāo)的紅外圖像序列，該仿真模塊的建模流程圖如圖3所示。

圖3 紅外仿真模塊建模流程圖Fig.3 Flow chart of infrared simulation module’s modeling

考慮到大多數(shù)情況下模型的某一部分具有相同的紅外特性，比如導(dǎo)彈的蒙皮，雖然可能在某一瞬間蒙皮各處的溫度并不相同，但幾秒后就基本可以達(dá)到熱量平衡，所以可以假設(shè)蒙皮具有相同的紅外特性。此處通過(guò)擴(kuò)展OpenFlight模型格式生成的新節(jié)點(diǎn)IRnode存儲(chǔ)所有子節(jié)點(diǎn)的紅外屬性，該節(jié)點(diǎn)可以作為Group、Object類(lèi)型節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，這樣就可以將蒙皮所在的Group或Object對(duì)象作為IRnode的子節(jié)點(diǎn)，可以在數(shù)據(jù)字典中定義父子關(guān)系，其代碼如下：

IRnode的層次關(guān)系如圖4所示。

圖4 IRnode節(jié)點(diǎn)屬性Fig.4 Attribute of IRnode

模型的各節(jié)點(diǎn)紅外屬性在仿真中可以通用Open-Fight API獲取，也可以使用Vega Prime的回調(diào)函數(shù)獲取。同時(shí)，還需運(yùn)用后處理技術(shù)為紅外仿真視景加入了噪聲模型、運(yùn)動(dòng)模糊和傳感器效應(yīng)等效果。

為了獲得更加逼真的仿真效果，必須加入傳感器效應(yīng)，模擬傳感器平臺(tái)抖動(dòng)、噪聲、運(yùn)動(dòng)模糊、光暈效果等。傳感器噪聲的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)添加噪聲紋理，在片段著色器中以一定方式訪問(wèn)該紋理，并疊加到最終圖像上。運(yùn)動(dòng)模糊的實(shí)現(xiàn)一般采用在一個(gè)單獨(dú)的路徑中渲染場(chǎng)景，或使用多渲染對(duì)象，然后將速度信息輸出到某一渲染對(duì)象中，以生成一個(gè)逐像素的速度緩存；另一種實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模糊的技術(shù)是將深度緩存當(dāng)作一個(gè)紋理輸入到一個(gè)片段著色器中，以生成場(chǎng)景的速度圖；片段著色器使用深度值計(jì)算每個(gè)片段的世界坐標(biāo)，并通過(guò)前一幀的觀察投影矩陣進(jìn)行變換，便可計(jì)算出當(dāng)前幀和前一幀在視圖位置的差別，以生成逐像素速度值。

2.4 氣象仿真模塊

考慮到導(dǎo)彈能夠在不同天氣中飛行，那么觀測(cè)設(shè)備有很大的可能在復(fù)雜的天氣情況下工作。同樣，視景仿真需要模擬出多種環(huán)境下導(dǎo)彈的飛行。模塊給出了3種天氣情況：多云、晴朗和陰雨，其中默認(rèn)的天氣情況是多云。

在Vega Prime中，太陽(yáng)、月亮、天空和云層等共同組成了天氣環(huán)境。其中天空和云層的紋理可以根據(jù)動(dòng)態(tài)改變。這樣，可以通過(guò)變換天空和云層的紋理來(lái)達(dá)到改變天氣的目的，通過(guò)函數(shù)setTextureFile（const char*name）來(lái)加載天氣狀況的紋理。

此外，使用vpEnvRain類(lèi)和vpEnvSnow類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)雨雪天氣的效果[7]。雨雪天氣實(shí)際上使用的Vega Prime內(nèi)置的粒子系統(tǒng)。陰雨天氣的仿真效果如圖5所示。

圖5 陰雨天氣仿真效果圖Fig.5 Simulation of raining weather

3 仿真結(jié)果

仿真采用中緯度夏季大氣模式，時(shí)間參數(shù)設(shè)置為中午12點(diǎn)，得到的彈體紅外熱像圖如圖6所示。

圖6 彈體紅外仿真圖Fig.6 Infrared simulation of missile’s body

從對(duì)象彈彈體紅外仿真圖可以清楚地觀察到發(fā)動(dòng)機(jī)、尾噴口附近的紅外輻射明顯強(qiáng)于蒙皮的紅外輻射，結(jié)果符合實(shí)際情況。

圖7中，從上至下分別為導(dǎo)彈8～12 μm波段和3～5 μm波段紅外仿真圖，可見(jiàn)3～5 μm波段的紅外仿真圖更明亮，這是因?yàn)樵跍囟认嗤瑮l件下，該波段導(dǎo)彈尾焰的紅外輻射強(qiáng)度的值更大。將模型計(jì)算所得參數(shù)用于尾焰紅外圖像的生成，可以看到尾焰的初始段和過(guò)渡段的界限，但是過(guò)渡段與基本段的界限則模糊不可見(jiàn)。由于3～5 μm波段圖像顯示更明顯，后面的仿真都利用該波段。

圖7 導(dǎo)彈尾焰雙波段紅外仿真圖Fig.7 Two wave band infrared simulation of missile’s Trail

接著，在海洋環(huán)境下生成導(dǎo)彈的紅外圖像，得到導(dǎo)彈的紅外視景圖像，如圖8所示。

圖8 導(dǎo)彈紅外視景仿真圖Fig.8 Infrared simulation of missile

然后，對(duì)飛行中的導(dǎo)彈進(jìn)行仿真，生成圖像序列。仿真實(shí)驗(yàn)共生成導(dǎo)彈3條攻擊航路的紅外圖像序列。1號(hào)攻擊航路：導(dǎo)彈沿著與艦艇的連線(xiàn)，直接對(duì)靶艦進(jìn)行攻擊。2號(hào)攻擊航路：導(dǎo)彈沿著直線(xiàn)，對(duì)靶艦進(jìn)行有航路捷徑的攻擊。3號(hào)攻擊航路：導(dǎo)彈對(duì)靶艦進(jìn)行有運(yùn)動(dòng)過(guò)載、無(wú)航路捷徑的攻擊。假設(shè)當(dāng)導(dǎo)彈離靶艦4km處時(shí)，紅外探測(cè)器方能探測(cè)到目標(biāo)。

為更清楚地了解各紅外圖像序列表示的含義，畫(huà)出節(jié)點(diǎn)示意圖如圖9所示。

圖9 攻擊航路節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.9 Diagram of attack route’s node

圖10 ～12分別為1～3號(hào)攻擊航路的導(dǎo)彈紅外圖像序列，像元總數(shù)384×288，像元尺寸為5 μm×25 μm，波段為3～5 μm，視場(chǎng)為15×9°。

仿真時(shí)，采用電子行業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）RS-170隔行掃描規(guī)程，使屏幕得到每秒60次的刷新速率。為便于顯示，利于觀察，本文分別給出3條攻擊航路下距離靶艦4km、3km、2km、1km、500 m和100 m的導(dǎo)彈紅外圖像序列，一一對(duì)應(yīng)于仿真圖10～12中的各小圖。其中，由2號(hào)攻擊航路生成的圖像序列還存在后向觀測(cè)的情況，因而給出圖11 c）500 m情況的紅外圖像。

圖10 1號(hào)攻擊航路的紅外圖像序列Fig.10 Diagram list of No.1Attack route’s infrared

圖10 是1號(hào)攻擊航路的紅外圖像序列，由于圖10 a）～f）中的目標(biāo)過(guò)小，不使用標(biāo)記。在此攻擊航路下，紅外探測(cè)器顯示的圖像中導(dǎo)彈的蒙皮面積占很大的比重，尾焰的可見(jiàn)部分非常少。以圖10 f）為例，標(biāo)記到導(dǎo)彈彈體的距離在0～6個(gè)像元之間。

圖11是2號(hào)攻擊航路的紅外圖像序列。在此攻擊航路下，紅外探測(cè)器顯示的圖像中導(dǎo)彈尾焰的可見(jiàn)部分越來(lái)越大。圖11 a）中標(biāo)記到導(dǎo)彈彈體的距離在13～17個(gè)像元之間，圖11 b）中標(biāo)記到導(dǎo)彈彈體的距離在71～84個(gè)像元之間。

圖11 2號(hào)攻擊航路的紅外圖像序列Fig.11 Diagram list of No.2 attack route’s infrared

圖12 是3號(hào)攻擊航路的紅外圖像序列。圖12 b）中標(biāo)記到導(dǎo)彈彈體的距離在0～6個(gè)像元之間。

圖12 3號(hào)攻擊航路的紅外圖像序列Fig.12 Diagram list of No.3Attack route’s infrared

2號(hào)攻擊航路帶有航路捷徑，對(duì)于紅外探測(cè)器而言，該航路具有特殊性。特別是當(dāng)彈艦距離接近航路捷徑時(shí)，紅外圖像中標(biāo)記處與導(dǎo)彈彈體之間的距離很大，由于紅外圖像的標(biāo)記處于彈體與尾焰的中心位置，如果探測(cè)器將這一點(diǎn)作為目標(biāo)點(diǎn)發(fā)送給綜合控制臺(tái)，那么此時(shí)紅外探測(cè)器的水平探測(cè)誤差角會(huì)很大。圖13所示水平探測(cè)誤差角與導(dǎo)彈艦艇之間距離的關(guān)系。圖13中橫軸-500表示2號(hào)攻擊航路的節(jié)點(diǎn)為（g），可以查出對(duì)應(yīng)的水平探測(cè)誤差角約為0.6°。

圖13 2號(hào)攻擊航路下紅外探測(cè)器水平誤差角Fig.13 Horizontal error angel of infrared sensor in No.2 attack route

從圖13中不難看出，紅外探測(cè)器的水平誤差角的大小隨著彈艦距離的縮短呈指數(shù)型上升，仿真結(jié)果顯示：最大的水平探測(cè)誤差角為2.86°，此時(shí)彈艦距離等于航路捷徑。

4 結(jié)論

本文采用三維建模軟件和視景仿真軟件對(duì)反艦導(dǎo)彈的紅外視景仿真進(jìn)行了研究，重點(diǎn)闡述了基于Creator軟件的彈體三維建模和導(dǎo)彈飛行驅(qū)動(dòng)模塊、尾焰模塊、紅外圖像生成模塊和氣象仿真模塊的視景生成原理，并生成了典型導(dǎo)彈攻擊航路的紅外圖像序列，形成了不同航路下的仿真結(jié)果。本文的研究成果為紅外成像設(shè)備對(duì)目標(biāo)探測(cè)識(shí)別的視景仿真提供了一種技術(shù)思路，具有一定的通用性和實(shí)用性。

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Infrared Visual Simulation of Anti-Ship Missile

XU Jihui,WANG Wenyun,SUN Yuan
（Department of Scientific Research,NAAU,Yantai Shandong 264001,China）

With the rapid development of anti-ship missile weapon system in each country,anti-missile interceptor sys?tem has an urgent need for tracing and defensing against the missile.And as a short-range defense detection equipment, infrared detection equipment need to provide target designation for the interceptor system.The infrared visual simulation of anti-ship missile was researched and the Creator was used to achieve geometrical modeling of the guided missile body. The Vega Prime was used to accomplish visual configuration.The ACF files was called through C++language application programmers interface to complete the generation of infrared image.Missile flight drive module,plume module,infrared image generation module,auxiliary module was established.Infrared image sequences for typical missile attack routes were generated and provided the idea of simulation technology for the target designation,identification and track.The pa?per had practicability for development of Infrared visual simulation.

anti-ship missile;visual simulation;Creator;Vega Prime

TJ761

A

1673-1522（2015）05-0473-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2015.05.015

2015-04-30；

2015-07-25

徐吉輝（1963-），男，副研究員，碩士。