近紅外目標(biāo)仿真模型建模技術(shù)

張培忠，胡林亭，寧金貴，蘇偉麗，張 鵬

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近紅外目標(biāo)仿真模型建模技術(shù)

張培忠1，胡林亭1，寧金貴1，蘇偉麗2，張 鵬1

（1. 中國(guó)白城兵器試驗(yàn)中心，吉林 白城 137001；2. 白城師范學(xué)院，吉林 白城 137001）

為了檢驗(yàn)近紅外制導(dǎo)炸彈的命中精度，通常在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)，需要研究近紅外目標(biāo)仿真模型，將其置入目標(biāo)模擬器中，由近紅外導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)，仿真制導(dǎo)炸彈識(shí)別、跟蹤、擊中目標(biāo)的全過(guò)程?；诜抡娼Ｔ怼⒗碚摵头椒?，研究了環(huán)境建模、地形地物建模、天空背景建模、海天背景建模、雨雪特效建模和近紅外目標(biāo)建模等技術(shù)，建立了多種靜態(tài)、動(dòng)態(tài)仿真模型，以及仿真模型的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、逼真地顯示仿真模型，用于近紅外制導(dǎo)炸彈的半實(shí)物仿真試驗(yàn)。

近紅外目標(biāo)；仿真；建模

0 概述

美國(guó)和前蘇聯(lián)早在20世紀(jì)五六十年代就率先開(kāi)展了紅外目標(biāo)和背景的反射特性研究，建立了他國(guó)軍隊(duì)典型目標(biāo)與背景的紅外光學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，并提供了光電武器裝備研制仿真用的紅外目標(biāo)與環(huán)境光學(xué)特性的理論模型，得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模型趨于成熟。國(guó)內(nèi)從九十年代開(kāi)始跟蹤研究、探索被動(dòng)近紅外目標(biāo)探測(cè)手段，此類(lèi)導(dǎo)引頭逐步應(yīng)用于巡航導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈等武器裝備上，尚未見(jiàn)到用于檢測(cè)該類(lèi)導(dǎo)引頭的仿真模型的公開(kāi)報(bào)道。

為了檢驗(yàn)近紅外制導(dǎo)炸彈的命中精度，通常在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)其進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)，將近紅外目標(biāo)仿真模型置入目標(biāo)模擬器中，形成動(dòng)態(tài)、逼真的虛擬環(huán)境，透射到制導(dǎo)炸彈的近紅外導(dǎo)引頭上，由近紅外導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)仿真模型，仿真制導(dǎo)炸彈識(shí)別、跟蹤、擊中目標(biāo)的實(shí)際過(guò)程。

近紅外制導(dǎo)炸彈攻擊的目標(biāo)有野戰(zhàn)工事、建筑堡壘、交通樞紐、機(jī)場(chǎng)、碼頭、水壩、電站、油庫(kù)、艦艇等，其背景環(huán)境包括了平原、山地、丘陵、河流、天空、海洋，以及霧霾、雨雪天氣等。因此，必須建立動(dòng)態(tài)、逼真的近紅外目標(biāo)模型，由目標(biāo)模擬器透射到導(dǎo)引頭上，供制導(dǎo)炸彈的導(dǎo)引頭識(shí)別、跟蹤。

1 仿真建模理論

1.1 仿真軟件組成與運(yùn)用

仿真軟件包括仿真環(huán)境、仿真驅(qū)動(dòng)程序、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)3部分組成[1]，如圖1所示。仿真環(huán)境主要由模型、場(chǎng)景效果、紋理設(shè)計(jì)、特效演示等組成，構(gòu)造出逼真的模型以及生動(dòng)的紋理和特效；仿真驅(qū)動(dòng)程序主要有模型調(diào)用、場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)、大地形處理、分布式交互等程序，動(dòng)態(tài)逼真地顯示仿真環(huán)境，實(shí)時(shí)交互響應(yīng)等；動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL是一個(gè)包含可由多個(gè)程序同時(shí)使用的代碼和數(shù)據(jù)的庫(kù)，是共享的程序資源。

圖1 仿真軟件組成

1.2 環(huán)境建模

環(huán)境是基于客觀真實(shí)內(nèi)容，通過(guò)圖形圖像工具和建模工具建立的景像幾何模型和紋理，并通過(guò)蒙皮的手段將環(huán)境的紋理映射到模型上[2]。環(huán)境建模過(guò)程分為8個(gè)階段，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其中特征數(shù)據(jù)提取階段是決定圖像逼真程度高低的主要階段，既要保證圖像高度逼真的物理特性，又要保證紋理完美地反映環(huán)境表面特征，環(huán)境建模流程如圖2所示，環(huán)境模型見(jiàn)圖3所示。

處理數(shù)字高程數(shù)據(jù)：應(yīng)采用數(shù)字高程信息處理軟件對(duì)具體格式進(jìn)行相應(yīng)的解碼轉(zhuǎn)換和高程解析，截取所需大小的場(chǎng)景，生成Creator可識(shí)別的DEM（Digital Elevation Model）數(shù)據(jù)，最終用三角形面的拼接來(lái)實(shí)現(xiàn)三維化。同過(guò)對(duì)高程數(shù)據(jù)作二次采樣，選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)乃惴ǎ瑢?shí)現(xiàn)地形的三角化，地形網(wǎng)格見(jiàn)圖4。

1.3 地形地物建模

地形地物建模的主要流程見(jiàn)圖5所示。

確定紋理和地形精度：根據(jù)地形的節(jié)點(diǎn)在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度，設(shè)計(jì)物體渲染的資源分配，降低非重要物體的面數(shù)和細(xì)節(jié)度，從而獲得高效率的渲染運(yùn)算，地形地物模型見(jiàn)圖6。

1.4 天空背景建模

首先利用MODTRAN模型預(yù)先計(jì)算給定環(huán)境參數(shù)條件下晴空背景的三維輻射分布數(shù)據(jù)，按照坐標(biāo)為方位角坐標(biāo)為天頂角存儲(chǔ)為二維矩陣，然后利用隨機(jī)中點(diǎn)位移算法來(lái)生成云紋理，隨機(jī)中點(diǎn)位移算法是一種分形曲面的生成算法，適用于生成山地高程圖和云圖等具有復(fù)雜形狀的自然景物圖像。

圖2 環(huán)境建模流程

圖3 環(huán)境模型

圖4 地形網(wǎng)格

圖5 地形地物建模的流程

圖6 地形地物模型

利用分形算法可以生成二維平面上的隨機(jī)分布，利用分形算法來(lái)生成大片的云模型，天空背景的建模流程見(jiàn)圖7所示，生成的卷積云模型見(jiàn)圖8所示。

圖7 天空背景建模流程

圖8 卷積云模型

1.5 海天背景建模

海天背景的建模不同于場(chǎng)景中的其他實(shí)體的創(chuàng)建，它有面積廣大、實(shí)時(shí)變化，光學(xué)效應(yīng)復(fù)雜等特點(diǎn)。首先創(chuàng)建出表示海面的幾何模型，通過(guò)投影網(wǎng)格算法創(chuàng)建海面的網(wǎng)格，作為海面高度場(chǎng)的采樣點(diǎn)。

在創(chuàng)建海面網(wǎng)格模型時(shí)，采用投影網(wǎng)格算法來(lái)創(chuàng)建海面模型。如果用一個(gè)點(diǎn)光源，以一定的角度，照向一個(gè)畫(huà)有規(guī)則的正方形網(wǎng)格透明材料，那么格子在地面上的投影就會(huì)便形成不規(guī)則的四邊形，格子頂點(diǎn)間的間距也會(huì)隨著視點(diǎn)的遠(yuǎn)近而變化，見(jiàn)圖9。落在地面上的投影點(diǎn)1,2, …,6之間的間距隨著離電光源的距離增大而增大，符合人眼視覺(jué)系統(tǒng)的透視投影規(guī)律，人腦會(huì)根據(jù)投影圖像的大小來(lái)判斷物體的遠(yuǎn)近，從而產(chǎn)生三維空間的感受，這就是投影網(wǎng)格的基本原理。因此，如果用筆標(biāo)識(shí)出地面上1,2, …,6這些投影點(diǎn)，然后去掉平面p上的格子點(diǎn)，人眼從光源向投影在地面上的格子看過(guò)去，就好像看到平面p上有規(guī)則的正方向網(wǎng)格正排列在前面。

在計(jì)算投影網(wǎng)格之前，先要進(jìn)行3D空間中的頂點(diǎn)變換，圖10給出了頂點(diǎn)變換過(guò)程，將一個(gè)在世界空間里的點(diǎn)world變換到透視投影空間里的點(diǎn)projector，需要進(jìn)行視變換和投影變換：

world＝[viewperspective]－1projector(1)

令：projector＝[viewperspective]－1，則：

world＝projectorprojector(2)

投影網(wǎng)格算法主要步驟是首先在投影空間中創(chuàng)建一個(gè)規(guī)則的平面網(wǎng)格，它與視景體中心線垂直。再把它投影到平面base上，再利用公式(2)把base上網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)變換到世界空間，從而得到了世界空間中的靜態(tài)海洋模型網(wǎng)格。再根據(jù)海洋學(xué)的公式或其他經(jīng)驗(yàn)公式，把海水起伏的數(shù)據(jù)表示為海面的高度場(chǎng)，并且高度場(chǎng)數(shù)據(jù)隨著時(shí)間推進(jìn)而不斷地變化，就能產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的海面。

圖9 投影原理

圖10 頂點(diǎn)變換過(guò)程

Fig.10 Process of changing vertexes

1.6 雨雪特效建模

模擬雨雪等自然現(xiàn)象是難點(diǎn)，目前的做法是采用粒子系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建自然現(xiàn)象的產(chǎn)生、發(fā)展、消亡的過(guò)程模型，從而實(shí)現(xiàn)自然現(xiàn)象的模擬[3]。采用OpenGL融合技術(shù)生成雨、雪粒子，模型中模擬雨、雪過(guò)程的粒子系統(tǒng)的流程如圖11。物體從高空下落時(shí)，將受到空氣阻力作用，這種阻力與物體的大小、形狀和速度等有關(guān)，速度越大，阻力越大。從空中下落的雪花、雨點(diǎn)等，只要高度足夠，最終都將做勻速運(yùn)動(dòng)。軟件中將雨滴、雪花的下落過(guò)程均簡(jiǎn)化為勻速下落，水平方向的變化受軟件設(shè)置條件風(fēng)向、風(fēng)速影響有水平移動(dòng)；粒子每時(shí)每刻都會(huì)有不同的位置（，，），軟件用粒子下落過(guò)程中軸與軸方向上的隨機(jī)增量與給定；當(dāng)雪花落到地上時(shí)，有個(gè)淡化消失的過(guò)程，這個(gè)屬性通過(guò)使淡化系數(shù)Alpha 逐漸減小來(lái)模擬。

圖11 模擬雨、雪的流程

1.7 近紅外目標(biāo)建模

近紅外目標(biāo)仿真需要根據(jù)目標(biāo)的種類(lèi)、圖像的大小、形狀、輻射強(qiáng)度等特性，進(jìn)行實(shí)時(shí)快速調(diào)整，實(shí)現(xiàn)仿真目標(biāo)離待測(cè)導(dǎo)引頭的相對(duì)距離、目標(biāo)姿態(tài)、干擾、背景的最佳狀態(tài)。模型的近紅外特性是用具有近紅外特征的紋理蒙皮實(shí)現(xiàn)的，近紅外紋理的灰度起伏反映的是物體表面近紅外輻射的空間分布情況。

近紅外目標(biāo)仿真模型中首先需設(shè)置目標(biāo)和背景的反射率[4]、背景的反射率起伏方差、目標(biāo)反射率的起伏方差，設(shè)置不同天候條件下的環(huán)境光強(qiáng)度參數(shù)，光輻射計(jì)的相關(guān)參數(shù)、采樣頻率、波段、目標(biāo)參數(shù)等。給定這些參數(shù)，得到目標(biāo)和地物背景回波信號(hào)隨掃描時(shí)間變化的一維被動(dòng)強(qiáng)度像：

考慮到背景和目標(biāo)反射率的起伏，近短波紅外光輻射計(jì)輸出一維被動(dòng)強(qiáng)度像存在強(qiáng)度的起伏，假設(shè)強(qiáng)度的起伏滿足高斯分布形式，則近短波紅外光輻射計(jì)輸出一維被動(dòng)強(qiáng)度像滿足如下統(tǒng)計(jì)形式：

式中(3)給出的目標(biāo)和背景上的全帶寬一維強(qiáng)度像，近紅外目標(biāo)仿真流程見(jiàn)圖12。

圖12 近紅外目標(biāo)仿真流程

近短波紅外光輻射計(jì)光電探測(cè)放大電路為有限帶寬信號(hào)，引入數(shù)字濾波的方法，這里采用理想的低通濾波器，其沖擊響應(yīng)函數(shù)如下所示：

則有限帶寬一維被動(dòng)強(qiáng)度像為它們的卷積：

()＝()*() (6)

式中：()即為通過(guò)數(shù)值濾波得到與近短波紅外光輻射計(jì)帶寬一致的一維被動(dòng)強(qiáng)度像。根據(jù)一維被動(dòng)強(qiáng)度像的仿真模型，給出近短波紅外光輻射計(jì)掃描探測(cè)一維被動(dòng)強(qiáng)度像的仿真流程。文獻(xiàn)[5]給出了自然環(huán)境中太陽(yáng)輻照度為7500lx，地物背景反射率為30.1%的草地，目標(biāo)反射率為13.4%時(shí)，905nm波段一維掃描被動(dòng)強(qiáng)度像，目標(biāo)相對(duì)草地幅度差為0.8153V，噪聲均方電壓為0.076V，由此可得目標(biāo)信噪比10.61。

近紅外目標(biāo)模型的光影效果類(lèi)似可見(jiàn)光，與太陽(yáng)等光源的光線入射角有直接關(guān)系，隨著光源變化，仿真模型上的光影效果在方向、尺寸、灰度都要有相應(yīng)變化。

1.8 仿真模型驅(qū)動(dòng)過(guò)程

仿真模型的驅(qū)動(dòng)過(guò)程包括：模型的真實(shí)感顯示、場(chǎng)景管理、地形調(diào)度、交互及實(shí)時(shí)維護(hù)等。根據(jù)功能需求分為3層：界面層、管理層和數(shù)據(jù)層，層次結(jié)構(gòu)如圖13所示。管理層包括建模管理、仿真管理和系統(tǒng)管理。建模管理包括模型的管理（創(chuàng)建、添加和刪除）、過(guò)程模型的管理（創(chuàng)建、添加和刪除）；仿真管理包括仿真時(shí)間管理；系統(tǒng)管理包括系統(tǒng)組織與維護(hù)。數(shù)據(jù)層主要用于提供數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀寫(xiě)，包括：仿真模型庫(kù)和仿真數(shù)據(jù)庫(kù)。仿真模型庫(kù)提供仿真模型，通過(guò)COM接口實(shí)現(xiàn)“即插即用”，由系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的管理。仿真數(shù)據(jù)庫(kù)提供地形數(shù)據(jù)接口、天氣系統(tǒng)等接口，可以方便用戶進(jìn)行自定義場(chǎng)景模型的調(diào)用。

2 建模實(shí)例

2.1 素材準(zhǔn)備

資料的收集：收集3個(gè)不同時(shí)段（早、午、晚）、不同角度近紅外目標(biāo)圖片，收集目標(biāo)的物理參數(shù)，物理參數(shù)指的是建筑物占地面積和建筑高度以及形體特征。

校核與提?。菏占瘉?lái)的圖片進(jìn)行歸類(lèi)整理，使用Photoshop對(duì)圖片資料進(jìn)行校正，對(duì)近紅外照片進(jìn)行單通道提取，提取出近紅外波段的信息，如圖14(a)、(b)所示，再將不同材質(zhì)的近紅外圖像信息進(jìn)行分離融合處理，作為后面制作近紅外模型的貼圖素材[6-7]。

把收集來(lái)目標(biāo)的物理參數(shù)制作成平面圖。使用AutoCAD制作目標(biāo)正、側(cè)、后、頂4個(gè)方位的平面圖，把4張平面圖一導(dǎo)出成DWG格式文件，作為后面模型建設(shè)的輔助圖像。

圖13 驅(qū)動(dòng)仿真模型的過(guò)程

圖14 對(duì)近紅外圖像進(jìn)行單通道提取

2.2 建模方法

建仿真模型時(shí)盡量使用幾何形態(tài)構(gòu)建法進(jìn)行建模，優(yōu)化模型，看不見(jiàn)的地方不用建，如圖15所示。對(duì)于復(fù)雜的造型，可以用貼圖表現(xiàn)，為了得到更好的逼真效果與更高效的運(yùn)行速度，在視景仿真場(chǎng)景中可以用Plane替代復(fù)雜的模型，用貼圖來(lái)表現(xiàn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如建筑物上的窗戶和外置空調(diào)等，如圖16所示。

建模的基本流程：

①導(dǎo)入AutoCAD文件。打開(kāi)Autodesk 3ds Max，文件菜單欄里點(diǎn)擊導(dǎo)入所需的DWG文件。

圖15 刪除底面的建筑

圖16 保留高細(xì)節(jié)的簡(jiǎn)模

②使用Polygon模型進(jìn)行模型制作。先創(chuàng)建一個(gè)box幾何形體，再把box轉(zhuǎn)化為Polygon模型，以DWG文件為標(biāo)尺對(duì)Polygon模型進(jìn)行擠壓和橋接等命令，制作出建筑物每個(gè)方向的平面模型，把各個(gè)平面模型進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，之后合并成模型。

③拆分UV。將模型導(dǎo)出為obj格式文件，然后,打開(kāi)UVlayout插件，利用UVlayout 的UVW模塊對(duì)模型進(jìn)行拆分，把模型轉(zhuǎn)化為平面UV，之后再次保存obj格式文件。

④導(dǎo)出UV。在3ds Max中利用其UV展開(kāi)模塊把UV轉(zhuǎn)換為PNG圖格式進(jìn)行導(dǎo)出。

⑤貼圖制作。使用Photoshop打開(kāi)導(dǎo)出PNG圖片，把收集的素材與模型UV進(jìn)行優(yōu)化和拼接。

⑥驗(yàn)證仿真效果。對(duì)比仿真實(shí)時(shí)渲染畫(huà)面與真實(shí)拍攝畫(huà)面，修正仿真模型，如圖17所示。

圖17 近紅外目標(biāo)的仿真模型和真實(shí)圖片

3 結(jié)論

制導(dǎo)炸彈半實(shí)物仿真試驗(yàn)的目的是在實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)檢測(cè)導(dǎo)引頭的識(shí)別、跟蹤仿真目標(biāo)的性能，目標(biāo)模擬器動(dòng)態(tài)、逼真地顯示了虛擬的目標(biāo)及其環(huán)境背景，使導(dǎo)引頭在近似實(shí)戰(zhàn)的環(huán)境中完成對(duì)目標(biāo)識(shí)別、跟蹤，檢驗(yàn)其性能。通過(guò)對(duì)近紅外目標(biāo)模型建模技術(shù)研究表明：運(yùn)用仿真建模原理、理論、技術(shù)和流程，既可以建立環(huán)境、地形地物、近紅外目標(biāo)等靜態(tài)模型，也可以建立天空背景、海天背景、雨雪特效等動(dòng)態(tài)模型，使虛擬目標(biāo)、環(huán)境背景更加近似實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)的目標(biāo)與環(huán)境背景；以驅(qū)動(dòng)程序控制目標(biāo)模擬器，動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地顯示模型及其背景，透射到導(dǎo)引頭上，可以逼真地仿真導(dǎo)引頭識(shí)別、跟蹤目標(biāo)的實(shí)際過(guò)程。

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Technology of Modeling Near-infrared Region Target

ZHANG Peizhong1，HU Linting1，NING Jingui1，SU Weili2，ZHANG Peng1

(1.,137001,; 2.,137001,)

In order to check the attack accuracy of guided bombs, ahardware-in-loop experiment was conducted in the laboratory. The model simulating the near-infrared region target, which is inputinto the target simulating equipment,requires additional research. The seeker scans and tracks the target model. The process of a guided bombscanning, tracking, and attacking a targetwas simulated. Based on simulation principles, theories, and methods, the technologies forenvironmental modeling, including the particular effects of terrain and features such as modeling a sky background, sea background, rain,or snow in the near-infrared region target,wereresearched. Several static and dynamic simulation models were established, including the driving programs of the simulation. The simulation models are displayed dynamically and approximately. These models were used in the hardware-in-loop experiment for guided bombs.

near infrared region target，simulating，model

TN219

A

1001-8891(2017)07-0642-06

2016-12-03；

2017-07-03.

張培忠（1966-），男，研究員，研究方向?yàn)樵囼?yàn)鑒定技術(shù)。

總裝備部試驗(yàn)理論與技術(shù)研究項(xiàng)目。